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什么是BGA封装中的关键参数——湿敏性

2025-05-20

在 BGA封装中,“湿敏性(Moisture Sensitivity)” 是指封装器件对环境湿度的敏感程度,具体表现为封装材料(如塑封料、基板等)在潮湿环境中吸收水分后,可能因后续高温工艺(如回流焊、固化等)导致封装失效的特性。

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塑料封装的BGA湿敏性极高。如果BGA封装未进行足够烘烤或者组装前没有保持干燥,使它们容易出现翘曲、膨胀、爆裂或者裂纹等情况。

元器件贮存和操作程序对BGA/ FBGA是至关重要的,它对其它任何湿敏元器 件,包括有引线的表面贴装器件也是十分关键的。

1、湿敏性的本质与机制

吸湿过程

BGA 封装的塑封材料(环氧树脂基)、有机基板或底部填充材料具有一定的吸湿性,会从环境中吸收水分并储存于内部。

高温失效风险

当吸湿的器件经历高温工艺(如回流焊温度通常为 200~260°C)时,内部水分迅速汽化形成蒸汽,产生的膨胀压力可能导致:

  • 封装分层

    塑封料与基板、芯片或焊球之间的界面分离;
  • 爆米花效应(Popcorn Effect)

    封装壳体因内部蒸汽压力过大而开裂;
  • 焊点缺陷

    焊球与基板的连接失效,或因湿气影响焊接质量。

2、湿敏性等级(MSL,Moisture Sensitivity Level)

行业通过 "JEDEC 标准(J-STD-020)"将器件的湿敏性分为 1~6 级(部分标准含 1a 级),等级越高,对湿度和暴露时间的限制越严格:

  • MSL 1

    无湿度敏感限制(如陶瓷封装);
  • MSL 2~6

    随等级升高,允许的暴露时间(在≤30°C/60% RH 环境中)从 1 年逐步缩短至几分钟(如 MSL 6 仅允许暴露 15 分钟)。
    BGA 封装因尺寸大、结构复杂(尤其是薄型或堆叠封装),通常属于MSL 2~3 级,需严格控制存储和处理条件。

3、BGA 湿敏性的影响因素

  • 封装材料

    有机塑封料的吸湿率高于陶瓷或金属封装;
  • 封装结构

    薄型 BGA(如 uBGA)、多芯片堆叠 BGA(如 SiP)因更薄的壳体和更大的表面积,湿敏性风险更高;
  • 工艺环境

    存储环境的湿度(如未开封器件需存于≤10% RH 的干燥箱)、暴露时间(拆封后需在规定时间内完成焊接)、预处理(焊接前是否进行烘烤去湿)。

4、湿敏性的应对措施

存储与运输:

  • 未开封器件存放于防潮袋(含干燥剂和湿度指示卡),或干燥箱(≤10% RH);
  • 遵循 “先进先出” 原则,避免长期暴露。

预处理工艺:

  • 焊接前对吸湿器件进行烘烤去湿(如 125°C 烘烤 24 小时,具体参数依 MSL 等级而定),去除内部水分;
  • 控制生产环境湿度(如车间湿度≤30% RH)。

材料优化

  • 采用低吸湿率的塑封料或基板材料;
  • 改进封装设计(如增加防潮涂层、优化密封结构)。

工艺监控

  • 使用湿度追踪标签(HIC,Humidity Indicator Card)监测封装内湿度;
  • 回流焊过程中控制升温速率,减少蒸汽压力突变。

5、行业标准与规范

  • JEDEC J-STD-020

    定义了器件湿敏性等级、测试方法及处理流程;
  • IPC/JEDEC J-STD-033

    规定了潮湿敏感器件(MSD,Moisture Sensitive Device)的存储、运输和焊接操作规范。

元器件的湿敏性决定了封装的厚度。每种BGA封装类型的湿敏等级都需要分析。

了解BGA封装类型对应的适用温度是很关键的,适用的温度分别为220°C、 235°C、245°C、250°C以及260°C。

如果使用温度更高,封装类型的湿敏性可能要下降几个等级。由于模塑化合物和基材系统的改善,绝大多数基于层压板的BGA可在高于220°C温度下安装。       

密封的陶瓷BGA是非湿敏器件,因此可在任一较高温度下实现安装。


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