MSD失效的“爆米花”效应

在电子制造领域，潮湿敏感器件（MSD）的失效已成为影响产品最终质量与长期可靠性的关键挑战之一。随着电子产品不断向轻薄化、高密度化方向发展，MSD 在使用与存储过程中因吸湿导致的界面剥离、裂纹扩展乃至功能失效等问题日益突出，成为导致产品故障的重要因素。

什么是潮湿敏感器件
 

潮湿敏感器件，简称MSD，特指那些对环境中水分极为敏感的电子元器件，尤其是采用塑料封装的表面贴装器件。

为什么塑封集成电路如此普及？是因为其成本更低、重量更轻、尺寸更小，同时还具备良好的机械坚固性。正是这些特点，使塑封器件几乎垄断了民用电子产品市场。然而，塑封技术也存在一个本质局限：塑料封装材料不具备气密性。这一材料特性导致环境湿气能够持续渗透至封装内部，从而构成了器件在后续工艺中发生失效的根本原因。

MSD失效的核心机理：“爆米花”效应
 

MSD失效的过程有一个生动的名称——“爆米花”效应。这个称呼形象地描绘了失效发生的动态过程，就像玉米粒在加热时内部水分汽化导致爆裂一样。

 

第一阶段：吸潮

当MSD暴露在空气中，大气中的水分会悄无声息地通过扩散作用，渗透进入封装材料内部。这些水分不会均匀分布，更容易在材料界面处聚集，例如芯片与塑封料相结合的边缘。

第二阶段：加热

在回流焊环节，当器件经历高温时，内部积聚的水分受热后迅速汽化。

第三阶段：失效

水汽化后体积急剧膨胀，形成强大的蒸汽压力。由于不同材料的热膨胀系数不匹配，该压力会在界面处集中释放，最终引发封装分层、内部裂纹或键合点损伤。严重时，封装外壳会鼓起甚至破裂。

MSD失效的表现形式

1.内部裂纹：

器件芯片内部产生微裂纹，如同玻璃内部的裂痕，虽未完全破碎但强度已大幅降低

2.电气故障：

表现为开路、短路或漏电，导致电路功能异常

3.连接失效：

键合引线变细或断裂，导致电气连接中断

4.界面分层：

塑封料从芯片或引脚框架上分离，破坏了原有的结构完整性

5.完全破坏：

封装材料爆裂，即典型的“爆米花”现象大多数MSD失效在发生后，从外观上难以识别。在测试阶段，这类问题未必会立即表现为完全失效。例如，键合引线可能仅被拉细，处于未完全断开状态，测试时仍能维持电气连接。直到产品实际使用中，因温度变化引起材料热膨胀系数差异，已受损的连接才会彻底断裂。这种延迟与隐蔽特性，使MSD失效更具风险。

MSL分级体系
 

为管理这一风险，行业采用湿度敏感等级（MSL）对元器件进行分类。根据广泛接受的JEDEC标准，MSD被分为多个敏感等级：

 

对于MSL 6级或已超出车间寿命的元件，在使用前必须进行烘烤，并在标签规定的时间内完成回流焊接。在对可靠性要求较高的领域，如汽车电子或航空航天，有时会禁止使用MSL 5级及以上的元器件，以从源头上控制风险。在实际生产中，我们可以通过元器件包装纸盒和防静电包装袋上的标签来识别MSL等级，这些标识为生产处理提供了明确的指导。

影响MSD失效的因素
 

1.封装因素：

封装体的厚度和体积直接影响水汽渗透的路径和速度

2.环境因素：

环境温度和环境相对湿度决定了水分吸收的速率

3.暴露时间：

在空气中暴露的时间长短累积了潜在风险

4.材料特性：

塑封材料的成分和结构决定了其抗潮气渗透能力

5.器件设计：

芯片基板尺寸、芯片尺寸及内部材料的热匹配性值得注意的是，随着环保要求的提升，无铅焊接工艺对MSD构成了更大挑战。无铅焊接的回流焊峰值温度通常为230°C至245°C，较传统有铅焊接高20–30°C，某些应用场景下甚至可达255°C或260°C。这种温度上升可能使器件的湿度敏感性提高1至2个等级。金鉴实验室提供电子元器件失效分析的检测服务，金鉴实验室拥有专业LED质量工程师团队及高精度电子元器件检测设备，具有精湛的技术与经验。经过长时间的严格执行，现已得到行业内各厂家一致认可。另一个常见但易被忽视的高风险场景是手工焊接或维修作业。若未按要求对已受潮器件进行预烘烤，直接使用热风枪加热，局部温度可能超过280°C，极易引起内部水汽剧烈膨胀，导致内部分层或损坏。通过超声扫描技术可检测器件内部状态：结构完好的器件图像均匀一致；而已出现分层的器件则在界面处呈现异常信号，通常为失效前兆。

怎么预防MSD失效
 

（一）防潮包装技术

业界数据表明，在各种应力诱发的器件失效机制中，潮湿敏感失效占据了10～15%的比例，这一相当高的数字凸显了防潮包装的重要性。以下是防潮四大要素：

1. 防潮包装袋：

采用高阻隔性材料，有效抑制水汽渗透。

2. 干燥剂：

能够有效保持包装内部低湿度环境的吸收剂。

3. 湿度指示卡

：直观显示包装内的湿度状况。

4. 潮敏标签：

明确标识器件的潮湿敏感等级和注意事项。

（二）

环境控制措施

1.存储环境：

应将MSD存放于湿度低于10%RH的干燥箱中。

2.车间环境：

需控制温湿度，并确保在规定的车间寿命内完成焊接。

3.暴露时间：

严格记录从拆封到焊接完成的时间。

（三）

烘烤处理

对于已经受潮或超过车间寿命的MSD，烘烤是恢复其可靠性的“复活”过程。根据行业标准，需要根据器件的潮湿等级和封装特性，选择对应的烘烤条件。烘烤温度和时间需要精确控制，不足的烘烤无法彻底去除内部潮气，而过度烘烤则可能损伤器件性能，甚至加速材料老化。

（四）

设计和工艺预防措施

1.选用合适等级：

在满足性能要求的前提下，优先选择MSL等级较低的元器件，从设计阶段规避风险。

2.优化布局设计：

避免将MSD放置在电路板上最容易受热的位置，减少热冲击。

3.工艺控制：

优化回流焊温度曲线，采用适当的升温速率和预热策略，减少热冲击对器件的伤害。

4.加强手工焊接和维修处理的管控：

建立严格的维修操作规范，确保维修人员了解并遵守MSD处理要求。

总结
 

潮湿敏感器件失效是电子制造中一项隐蔽而关键的问题。随着电子设备日趋小型化与高集成化，MSD相关风险仍在增加。通过理解其失效机理、遵循MSL分级体系、实施有效防潮包装与过程控制，可构建多级防护体系，降低MSD失效概率，提升产品可靠性与使用寿命。