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控制湿度敏感器件中的氧化与金属间化氧化物——让空气更干燥
录入时间:2019/7/23 11:33:41

作者:Richard HeimschSUPER DRY TOTECH公司

为避免电子元件在加工处理过程中出现微裂纹和分层,把元件存储在合适的环境中是非常重要的。无铅焊接技术的引进和相对应的更高的加工温度使湿度管理变得更加重要。无铅回流显著地增加了元件内部的饱和蒸汽压(高达30 巴)。在无铅之前可以被安全处理的组件在无铅回流时变成允许暴露时间有限的潮湿敏感器件。这种差别通常是两种湿度敏感水平(MSL)较高的类别,并且允许暴露时间(车间寿命)比较短。

元件供应商应当把这些潮湿敏感的元件放在有效的防潮包装中交付,以避免元件在运输和存储过程中吸收湿气。这些防潮袋(MBB)用多层塑料和铝制作。这些防潮袋经过正确的准备和密封后,还要按能够防止元件氧化的要求进行包装。防静电(ESD)袋或有拉链的塑料袋不能防潮。只要一打开包装,元件就开始吸收湿气。根据环境的湿度和温度状况,这些元件只能在限定的时间内安全使用。这个时间段根据IPC/JEDEC J-STD-033D分类。

当元件显露在空气中的时间超出允许的暴露时间时,可以通过烘烤工艺使它干燥,并再次变得安全,传统的烘烤温度是125°C。在此之后,要非常小心地处理这个元件。因为烘烤工艺不能重复进行,所以必须避免元件重复吸收湿气。即使是暴露在这些温度下烘烤一次,也会引起氧化和金属间化合物生长,这两种情况都会降低连接表面的润湿能力。在125℃下烘烤四天,金属间化合物的厚度大约会增加50%。金属间化合物层比较厚会导致焊点的完整性下降,在极端情况下会降低可焊性。

为了避免出现这种情况,许多烘烤箱供应商在干燥工艺中使用氮气或真空来进一步减少氧气。把烘烤时间可能会超过72小时的元件的计时器调回零,而这必然会产生巨大的氮气成本。只有当氧含量处于低于13ppm的低水平时才会停止氧化。

过时的元件的长期储存

随着新型元件的推出速度比以往任何时候都要快,产品的生命周期变得非常短。包括汽车、飞机、军用和航空电子设备在内的许多行业的制造商必须保证更换的零件(包括PCB)具有10年甚至20年的可用性。这要求提前购买并扩大零件和材料的库存。使问题变得更复杂的是,如果大多数元件没有经过非常特殊的处理程序,它们的存储时间不能超过几年。氧化、金属间化合物和脆化是在存储元件时必须解决的几个问题。

IPC/JEDEC J-STD-033D解决了关于正确处理潮湿敏感器件的一系列基本问题,但并没有解决存储长期存储问题。

此外,过期的元件和不断缩短的产品生命周期迫使制造商为进一步生产和供应备件建立适当的库存。电子元件的各种老化过程表明,用干燥包装(而且还是在氮气环境下)存储元件无法保证元件未来的可靠性。

除温度之外,湿度对金属表面氧化的负面影响最大。由于氧化,元件在焊接时更加难以润湿,而且会导致更多的焊接缺陷,这可能导致整个组件失效。

防止腐蚀保证元件质量长期可靠

 自古以来,金属发生腐蚀必须有两个条件。第一个条件是必须存在氧化剂,它由空气中占21%的氧提供。第二个先决条件是起电解质作用的水溶液。相对湿度在10%以上时,电解质在金属表面上会形成一层肉眼看不到且非常薄的水膜[1]

一旦这些引起氧化反应的要素少一个,腐蚀就会停止。有三种常见的防腐蚀的处理办法。存储在干燥包装、在氮气中可以去除来自存储环境的氧化剂和电解质。但是,存储在干燥环境中只会去除电解质,有什么更有效的防氧化的措施呢?

因为存在由材料释放出气体而导致在接触面上发生腐蚀的风险,所以干燥包装只适合短期和中期的存储。这些释放气体的物质通常是增塑剂和阻燃剂,它们释放出的气体在包装袋内的浓度可能会达到很高。氮气环境存储和干燥存储不会有这种情况,这是由于这种存储环境中的气体是不停地过滤的或循环更替的。

 直接比较氮气环境存储和干燥存储

 为确定在这两种贮藏条件下的氧化速度,进行时间超过9个月的长期测试。定期(每四个星期一次)用EDX分析检查样品的氧化情况。同时,把同样的材料存储在空气环境中作为参考。

对于每一种材料,用含氧百分率作为存储时间的函数曲线图表示含氧百分率上升的峰值高度,比较曲线中的各个主要峰的含氧百分率。只要所有的EDX光谱都是在相同测量条件下(高电压、分析的运行时间、孔的设置和样品与检测仪器的距离)记录,这种比较是允许的[2-6]


图1:铜样本。


图2:AgCu50样本。


图3:AgCu28样本。


图4:银样本。

 

测试评估存储环境

 

正如预测的那样,在空气中存储的样品在达到最高的氧气峰值时,表面氧化的程度最高。在比较存储在氮气和干燥空气中的样品时,在干燥存储过程中氧气的峰值最低,表面氧化程度最低。这个长期测试的结果证明,由于干燥存储是最理想的抗氧化方法,可以作为最合适的长期存储方法[2-6]。干燥存储不仅在保证元件质量方面,而且在能耗方面都优于氮气存储。

 

温度对老化速率的影响

 

除腐蚀外,元件还会在金属边界层通过扩散过程老化。因为温度上升高反应速率也会随之加快,所以温度的每次上升都会导致加快老化速度。根据经验预测,当温度上升10°K,老化速度率将提高二至四倍。用Arrhenius方程可以更详细的描述物理与化学过程。正是这个原因,建议在长期存储过程中尽可能降低存储温度。但是,降低温度也存在不利影响,例如形成晶须和锡疫,它们会随温度的降低增加。为避免出现这种情况,应在临界温度13.2℃之上的14℃存储元件。然后将元件的存储温度降到最低温度。

 

参考文献

1. Jacobus Henricusvan’t Hoff. études de dynamiquechimique. Frederik Muller & Co., 1884, pp. 114–118.

2. Svante Arrhenius. ZeitschriftfürPhysikalischeChemie. 1889, pp. 226–248.

3. International union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Compendium of Chemical Terminology: Gold Book. 2014.

4. Karl Müller & Karl-Helmut Tostmann. Lehrbuch der Metallkorrosion. LehrbuchreiheGalvanotechnik, 2017, pp.32–33.

5. M. Roggenbuck & M. Haubner. “Qualification Drying Storage Cabinets.” Thales Electron Devices GmBH, 2018.

6. ZVEI Die Elektroindustrie. “Guideline for the Long-Term Storage of Components, Subassemblies and Devices.” 2014, p. 10.

7. Super Dry Totech GmbH. “Cost Comparison.” 2013.

 

作者简介:Richard Heimsc


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