导语：如同人体内湿气过重会阻滞气机、引发各种不适与疾病，半导体世界中的潮湿敏感器件（MSD）也同样惧怕“湿邪”，引发所谓的“爆米花”效应，造成不可逆的损坏。
一、什么是MSD失效
1.1 潮湿敏感器件
潮湿敏感器件（Moisture Sensitive Devices）简称MSD，是指“对环境中水分极其敏感的电子元器件“，尤其是指那些采用塑料封装表面贴装工艺的器件。塑封集成电路因其成本低、质量轻、尺寸小及良好的机械坚固性等优点，几乎占据了民用电子产品的全部市场。但塑封器件有个固有的弱点——塑料封装具有非气密性，潮湿气体能够渗透进入封装材料内部。
MSD失效的核心机理可以形象地称为 "爆米花"效应 。这个过程是这样的：
1）吸潮阶段：MSD暴露在空气中时，大气中的水分会通过扩散渗透到封装材料内部，凝聚在不同材料之间的接触面上。
2）加热阶段：当器件在回流焊炉中经历高温时，封装内的水分快速汽化。
3）失效阶段：蒸汽压力大幅增加，在材料不匹配的综合作用下，该压力会造成封装材料内部发生分层、内部裂缝或键合损伤，最严重的是导致封装体产生裂纹。
就像爆米花在加热过程中内部水分汽化导致爆裂一样，MSD在回流焊过程中也会发生类似现象，因此得名"爆米花"效应。
1.3 MSD失效的表现形式
MSD失效多种多样，主要包括：
内部裂纹：器件芯片（chip) 产生裂纹
电气故障：开路、短路、漏电
连接失效：键合引线被拉细甚至断裂
界面分层：塑封从芯片或引脚框上分离
完全破坏：封装材料爆裂（"爆米花"现象）
图1 常见的MSD失效表现
大多数情况下，这些变化可能从外观上无法察觉，而且在产品测试过程中MSD也可能不会表现为完全失效（比如键合引线被拉细乃至藕断丝连），而是在芯片上电使用过程中由于温度变化以及CTE（材料的热膨胀系数）不同而彻底开路。这使得MSD失效更加隐蔽和危险。
二. 元器件MSL分级为了科学管理MSD的风险，业界制定了湿度敏感等级（MSL） 标准，将元器件对潮湿的敏感程度分为不同等级。
2.1 MSL分级标准
根据JEDEC标准，MSD分为以下等级
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敏感等级(MSL)
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车间寿命要求(Floor Life)
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环境条件
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1
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无限制
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≤30℃/85%RH
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2
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1年
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≤30℃/60%RH
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2a
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4周
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≤30℃/60%RH
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3
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168小时
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≤30℃/60%RH
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4
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72小时
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≤30℃/60%RH
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5
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48小时
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≤30℃/60%RH
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5a
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24小时
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≤30℃/60%RH
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6
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使用前必须烘烤
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≤30℃/60%RH
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对于6级或已超出车间寿命的元件，使用前必须经过烘烤，并在警告标签规定的时间限定内完成回流焊接。在某些可靠性体系管控严格的企业甚至规定MSL5级及以上的元器件禁止被选用。
图2 元器件包装纸盒和防静电包装袋标签上MSL标识
2.2 影响
MSD失效的因素潮湿敏感元器件的失效受多种因素影响：
封装因素：封装体厚度和封装体体积
环境因素：环境温度和环境相对湿度
暴露时间：在空气中暴露的时间长
短材料特性：塑封材料的成分和结构
器件设计：芯片基板尺寸、芯片尺寸及内部材料
值得注意的是，无铅焊接工艺对MSD提出了更高要求。无铅合金的回流焊峰值温度通常控制在 230℃到 245℃。在一些极端工况下，特殊无铅焊接最高峰值温度能达到 255℃甚至 260℃ ，这可能使MSD的湿度敏感性至少升高1或2个等级。
另一个不被关注但引起MSD失效概率极高的场景就是：手工焊接或返工维修维修人员未按 MSD 管控要求（如提前烘干），直接对受潮的器件用热风枪加热（局部温度可达 280℃以上），高温加速潮气膨胀，导致器件内部分层。
图3 超声扫描对比器件内部左图-良好； 右图-分层（红色部位）
三. 如何预防MSD失效？
预防MSD失效需要从包装、存储、操作和使用等多个环节采取综合措施。
3.1 防潮包装技术
MSD的防潮包装有多重要？根据业界数据，在各种应力诱发的器件失效机制中，潮湿敏感失效占10～15%，这是一个相当高的比例。
标准的MSD防潮包装应包括：
1）防潮包装袋（MBB）：要求具有抑制潮气渗透能力，通常需要满足MIL-PRF-81705标准。
2）干燥剂：能够保持相对低湿度的吸收剂，用于控制包装内部湿度。
3）湿度指示卡（HIC）：用于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。
3.2 环境控制措施
控制环境温湿度是预防MSD失效的关键：
存储环境：MSD应在干燥环境中存储，理想条件是湿度<10%RH的干燥箱内。
车间环境：需要控制生产环境的温湿度，不同等级的MSD有不同的车间寿命要求。
暴露时间：严格控制MSD从包装中取出到回流焊接完成的时间。
3.3 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关键步骤：
烘烤条件：根据器件特点和潮湿程度，选择适当的温度和时间进行烘烤。
参考J-STD-033D 标准，根据器件的潮湿等级和封装特性，选择对应的烘烤条件：
注意事项：烘烤温度和时间需要精确控制，过度烘烤可能损伤器件。
3.4 设计和工艺预防措施
从产品设计角度，也可以采取一些措施来降低MSD失效风险：
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。
优化布局设计：避免将MSD放置在容易受热的位置。
工艺控制：优化回流焊温度曲线，减少热冲击。
加强手工焊接和维修处理的管控。
四、总结
潮湿敏感器件的失效是电子制造业中一个隐蔽却重要的问题。随着电子设备向小型化、高集成度方向发展，MSD失效的风险也在增加。通过了解MSD失效的"爆米花"机理、认识MSL分级体系、实施科学的防潮包装和严格的过程控制，能够有效降低MSD失效的风险，提高电子产品的可靠性和使用寿命。
来源：易瑞来可靠性工程
关键词：
半导体
MSD
爆米花
