J-STD-020, Moisture Sensitivity Levels(MSL)濕度敏感等級分類解說

短小輕薄是現代科技的趨勢，連帶著電子零組件也得越做越小，可是越小的零件，其抗濕能力就越差，也越難承受 SMT reflow 高溫的洗禮。 再者，IC零件的封裝方式也越來越多樣化，只是不同的封裝製程及材料就代表著會有不同抗濕度入侵的能力。 一般來說，較早期的傳統插件零件(DIP)，因為零件較大、夠堅固，所以其抗濕度防膨脹能力也就比較好。 想想看為何表面黏著(SMT)製程的零件比傳統插件(DIP)對濕氣影響來得敏感？原因如下： • SMD製程的零件通常比較薄，所以比較不耐熱衝擊，且容易因為應力而引起彎折。 • SMD製程的零件比傳統插件更不耐濕氣影響，因為封裝的材料變少了，所以只要一點點的濕氣進入，經過高溫之後就會急速膨脹而引起分層。 電子零件如果遭到濕氣入侵零件內部，其最常見到的問題，是在流經 Reflow (回流焊)時水氣會因為快速的溫度上升而急速膨脹，進而由零件較脆弱(weak)的地方撐開，並造成零件分層剝離(delamination)的缺點，有時候零件雖然只有毛髮般的裂縫(micro crack)，但隨著時間的流逝，裂縫會越裂越大，到最後形成電路不良。 為了因應SMD製程零件越來越普遍的趨勢，IPC/JEDEC定義了一套標準的『濕度敏感等級』 如下，有需要的人也可以到 Google 找【J-STD-020】。不過要注意的是，這份標準主要在幫助 IC製造廠 用以確認並定義其所生產之元器件到底符合哪種潮濕敏感等級（Moisture Sensitive Level, MSL）。如果是一般EMS工廠的SMT線建議參考J-STD-033以得到「濕敏等級」比較恰當的說明與了解。 下列這份表格的【Level】表示濕敏等級，等級從1～6，原則上【等級1（MSL 1）】表示零件對濕度的要求最低，也就是越不容易受到濕度的影響。而溼敏等級的數字越大，通常意謂著零件對濕度越敏感，也就是說只要零件暴露在有濕度的大氣環境中再流經回焊爐高溫時就可能因為濕氣入侵而造成損害問題。 表格中的【Floor Life（車間時間）】表示各等級的零件可以暴露於「30°C / 60% RH」以下的環境時所能放置的最長時間，也就是零件拆封後可以停留於有溫濕度控制車間內的使用期限，可以看到允許暴露大氣時間也隨著濕敏等級數字上升而一路往下降，因為對濕度越敏感的零件可以暴露於大氣中的時間越短。 表格中的【Soak Requirement（暴露濕度環境及時間要求）】算是本文的重頭戲，規範零件廠商測試其產品能夠符合何種「濕敏等級(MSL)」的預先暴露環境與時間條件。也就是待測試的樣品必須先置放於表格中所規定的溫度/濕度與一定時間後才能拿去過回焊爐(Reflow)，回焊爐的溫度也有規定，請自行參考IPC/JEDEC J-STD-020規範，之後還要經過40倍放大鏡與超聲波掃描儀（SAM,scanning acoustic microscope)檢查有無不正常的裂縫(crack)發生，還要再經過電測以確保所有的樣品沒有功能上的問題才算pass。 規格強烈建議測試零件濕敏等級時最好從最低的濕敏等級開始測試，或依照過往的經驗判斷可能達到的等級開始測試，然後再依序提高標準往上測試，最終確認可以通過的濕敏等級。 測試的暴露時間裡有分Standard(標準)及Accelerated(加速)兩種規格，規格要求除非先前通過Standard暴露條件後發現有異常或已知[擴散啟動能量(Activation energy for Diffusion)]是 0.4-0.48eV（不要問工作熊什麼是「擴散啟動能量」？我也不知道啊！），才可以使用「加速相當(Accelerated Equivalent)」條件。 Table 1. IPC/JEDEC J-STD-20C MSL Classifications Soak Requirements (濕度環境要求) Floor Life (車間時間) Standard (標準) Accelerated Equivalent (加速) Level Time Cond °C／%RH Time (hrs) Cond °C／%RH Time (hrs) Cond °C／%RH 1 unlimited ≦30/85% 168+5/-0 85/85 n/a n/a 2 1 year ≦30/60% 168+5/-0 85/60 n/a n/a 2a 4 weeks ≦30/60% 696+5/-0 30/60 120+1/-0 60/60 3 168 hours ≦30/60% 192+5/-0 30/60 40+1/-0 60/60 4 72 hours ≦30/60% 96+2/-0 30/60 20+0.5/-0 60/60 5 48 hours ≦30/60% 72+2/-0 30/60 15+0.5/-0 60/60 5a 24 hours ≦30/60% 48+2/-0 30/60 10+0.5/-0 60/60 6 TOL ≦30/60% TOL 30/60 n/a 60/60 1) TOL means ‘Time on Label’, or the time indicated on the label of the packing. 2) The standard soak time is the sum of the default value of 24H for the semiconductor manufacturer’s exposure time (MET) between bake and bag and the floor life or maximum time allowed out of the bag at the end user or distributor’s facility. For example, an MSL 3 package will require a standard soak time of 192 hours, which is 168 hours of floor life plus 24 hours between bake and bag at the semiconductor manufacturer. TOL：Time On Label，參考零件包裝標籤上的指示時間。 以濕敏等級3 (MSL level 3)來舉例說明，從[Floor Life]看，如果零件拆封後暴露於攝氏溫度30°C與60％濕度以內的環境下，那麼其於車間的總暴露時間就必須在168小時內打件並過完回流焊(Reflow)，如果不能在規定時間內過完Reflow，就必須重新真空包裝，不過最好是重新烘烤後再重新包裝，因為重新烘烤後的時間就可以歸零重算。如果超過規定時間，則一定要重新烘烤後才能使用。 再看[Soak Requirements]，待測試的零件樣品必須先經過烘烤確定沒有濕氣後，放置於攝氏溫度30°C與60％濕度的標準下，其總暴露時間為192小時。不過這個192小時其實包含了IC零件半導體廠商從零件完成烘烤後到包裝前可能用掉24小時的車間曝露時間，一般稱這段時間為MET (Manufacturer’s Exposure Time)，所以給SMT表面貼著廠就只剩下168小時(=192-24)的車間時間（Floor Life）了。相信很多人看不懂？沒關係，反正一般人只要知道什麼樣的MSL拆封後可以放置於車間多久時間就可以了。 如果是零件商，就要注意這192小時的計算，剛剛說192小時其實要包含IC零件半導體廠商從零件完成烘烤後到包裝前可能用掉24小時的MET，那如果零件商的MET小於或大於24小時呢？是的，如果有這樣的情況時規格中有說明測試樣品的時候必須要扣除或增加樣品暴露於環境的時間，比如說零件商的MET只用了20個小時，那麼樣本的總暴露時間就會變成188小時（=192-(24-20)=188），原則上就是維持168小時(Floor Life)+MET。 至於[MSL 1]及[MSL 2]因為測試的樣品採用比一般車間環境還要高的溫濕度條件，所以無法直接對比暴露於車間的時間 (Floor Life)，這部份可能使用濕度造成零件重量的增減來判斷，不在這裡介紹，其實工作熊也還沒學透啦！