一、SMD产品分析
表面贴装器件(SMDs)通常都是对湿气吸收敏感的元件,大气中的湿气通过扩散渗透到包装材料之中。SMD 元件焊接到电路板上的过程是将其通过温度为 210℃-260℃的回流焊,在高温状态下,渗入其中的湿气快速膨胀,且组成 SMD LED 各个材料的热膨胀系数不同,使得不同材料之间不匹配,从而出现材料表面胶裂和内部分层等可靠性失效问题。其失效不良表现形式如下:
●透光胶体裂开,或与塑料外壳脱离分层,引起外观或光学特性不良。
●透光胶体带动芯片与引脚连接处脱离,引起 LED 开路,导致死灯。
●芯片电极连接线与引脚连接损坏,引起 LED 开路或者短路,导致死灯等现象。
SMD LED 是表面粘著型发光二极管,适用于
SMT 制程,由以下几个部分组成(如图 1):
a. 朔料外壳
b. 透光胶体
c. 粘接胶
d. 芯片
e. 芯片电极连接线
f. 引脚
总之,上述标准要求 SMD 在装配之前被合理的分级,标识并保存于干燥袋之中。一旦打开包装袋,每个元件必须在规定时间内进行装配或回流焊。标准要求,每卷/盘SMD 暴露在空气中的总时间记录需贯穿整个制造工序,直到所有元件都在回流焊后完成贴装。恰当的材料物流控制可以有效的将存储、装配等过程暴露时间缩小。
二、SMD 产品防潮等级
不同的封装形式表面为不同的潮湿敏感等级。采用过往通孔的、大体积的封装方式单位体积的吸湿速率要小于目前越来越薄的表面贴装方式。
吸湿并装湿气保持在产品内容易导致产品在遭受突然的高温时,如贴装到电路板上的过程,内部湿气蒸发同时造成极大的内应力,上述湿气造成的内应力所造成的胶裂通常又被称为爆米花
现象。
一般情况下 SMD 更多的出现爆米花式的胶裂是因为:
a、元件越薄其破裂所需的应力越小
b、易吸湿且将湿气保留其中
c、SMD 贴装到电路板上的过程使 SMD 遭受了一个高温的过程。
按照不同封装形式的产品爆米花现象程度不同,IPC/JEDEC 定义了材料防潮等级(MSL)的标准 MSL 是用数字表示的,数值越高的产品越容易产生爆米花现象。例如,MSL1级的产品不管暴露在湿气中多久都不会产生爆米花现象,而 MSL5 级和 6 级的产品则比较容易产生胶裂现象。
三、如何处理潮湿敏感器件SMD
在处理潮湿敏感器件 SMD 时需注意控制整个装配过程,未使用适当的防范措施可能导致产品过早的被破坏。
3.1 使用前的储存
如果防潮袋未打开,元件的保存时间为<30℃/60%RH 下 2 个月,需在包装袋封口良好,针对不同防潮等级材料或包装保存时效有一定差异,建议在装配之前不要打开防潮袋(例如 IQC进料检验时),如无法避免,元件必须立即与干燥剂一起进行恰当的包装,并保存于防潮柜中。
3.2 防潮袋打开后的控制
打开防潮袋后,立即观察防潮珠是否变红以确认防潮袋中的湿气是否过多。车间寿命必须被严格控制在表 1 所规定的最大允许期内。只要 SMD 暴露在周围环境中,则需累积其使用时间,烘焙时除外。
3.3 未使用完的卷/盘中材料控制
如果一卷 SMD 未一次性用完,则剩余部分可按以下条件保存:
a、与干燥剂一起进行密封。
b、若未与干燥剂一起密封或无密封条件,可存放于<5%RH 的干燥箱内。如元件按以上条件保存时,车间寿命可暂停计算,但不可以重新开始计算。
3.4 已装配到电路板上的材料防潮控制(分段操作)
如果 PCB 装配对湿气敏感的 SMD 后不需再经过回流焊或者高温工序,特殊处理是不要求的。然而,如果 PCB 需要经过多次回流焊或任何其他的高温工序,包括返工在内,需注意在最后的工序完成之前保证已装配或未装配的 SMD 车间寿命控制在指定时间内。车间寿命在经过回流焊或返工工序时都不应被重新计算。
3.5 车间寿命的暂停计算和重新计算
如上所述,SMD 的车间寿命在存储于<5%RH 的干燥环境时可暂停或停止计算,如果车间寿命已超过表 1 所规定的时间,在元件经过烘焙后可以重新开始计算。
3.6 干燥剂的再利用
如果防潮袋中的干燥剂累计暴露时间在 30 分钟以内,干燥剂是可以再次使用的
四、SMD 回流焊接使用条件
针对 SMD 产品回流焊接温度、时间的设置主要取决于以下几点:
4.1锡膏的成分
锡膏根据成分可分为有铅与无铅两种,根据 07 年 7 月 1 日欧盟颁布实施的 ROHS 环保指令要求,目前国内出口欧盟市场的电子产品均要求采用无铅焊料。而在生产中选用不同厂商生产的无铅锡膏,熔点温度也有较大差别,对于回流焊机的温度、转速的参数设置需考虑 SMD 材料的耐高温性能、锡膏材质和熔点、PCB 材质、工艺等因素。
4.2回流焊机温区设置
元件进行回流焊焊接时,温度不可超过 260℃,实际回焊时间不可超过 5sec。
图 2:温度曲线
以下是参考两款 TOP LED 产品的回流焊参数设置,表2和表3中虽然同样采用了无铅锡膏,但因生产商不同,熔点也不一样,故在回流焊接参数设置上存在较大差异。表2:
表3
通常有铅锡膏和无铅锡膏根据熔点来划分,又可分为高温有铅锡膏、低温有铅锡膏、高温无铅锡膏、低温无铅锡膏四种;在选用锡膏时,需根据成品市场需求和产品特性来决定选用何种锡膏,如无铅锡膏价格是有铅锡膏的近两倍,优点是环保;而有铅锡膏的优点在于可焊性以及低熔点。 一般对于部分高温敏感型电子元器件,为防止破坏元件结构和性能可选用低温锡膏,但低温锡膏特性较脆,焊接后附着性不佳,建议不要用于软性(或柔性)线路板中。
五、静电防护:
静电防护就是消除静电或把静电压控制在允许的范围内,使其不致产生危害。简单的说,就是防止静电累积到一定程度后,击穿一些电子原件,造成不必要的报废率,增加成本,造成损耗。
LED 生产车间的静电防护,通常的做法存在不同程度的隐患。主要表现在车间工作区所使用的防静电产品等工具,经过一段时间后,电阻大于 108-1010Ω。为了达到防静电的目的,建议主要创造一下四个方面的基本条件:
5.1、确保人体防护措施的落实;
5.2、保证车间生产设备的静电防护;
5.3、努力使生产车间和周围环境达到防静电要求;
5.4、完善制度,制定操作规范,建立严格的内审检查制度,确保该体系得以实施,注重对员工防静电意识的培训;制定静电防护的技术标准,保证防护用品的质量。在测控手段方面,对工作区增添温度或湿度的监测,每天记录温湿度;每月量测静电压;员工防静电衣、帽每洗一次后检测一次表面电阻和摩擦电压;防静电台垫等每年检测一次表面电阻。车间门口设置人体阻值综合测试仪;每周一次离子风机的平衡电压和静电消散时间。蓝光、纯绿光、蓝绿光、白光、紫光、紫红光LED属于一级防静电敏感器件,在手持、封装或组装生产过程中请注意采取适当的静电防护措施:
5.4.1、必须能防止静电的产生:组装人员操作时需穿戴防静电服装(如防静电衣服、帽子、鞋子、手套、指套等)。
5.4.2、必须能迅速将其表面或内部的静电散逸:组装操作人员操作时需佩戴防静电手腕带。(腕带必须能连通接地系统,能提供屏蔽保护受静电突然放电或电场冲击:
①组装台(工作台)需使用防静电台垫,且接地。
②盛装 LED 需使用防静电元件盒。
③烙铁、切脚机、锡炉(自动波峰焊或回流焊设备)均需接地。
5.4.3、作业过程中,尽可能避免直接触摸发光管之管脚,取放时尽可能触拿胶体部分。接地措施应完全防止静电产生,工作台、烙铁、切脚机、锡炉(包括自动波峰焊或回流焊设备)之接地,必须用粗的铜线引入泥土内,在铜线末端系上大铁块,埋入地表 1 米以下,各接地线均需与主线连接在一起,操作人员佩戴的静电环若有引出线的,亦需将引出线接通埋地线上。半成品、成品检测设备亦需接地。
LED 包装袋、LED 应用半成品包装材料要使用防静电海绵或包装袋。出货的相关产品均采用防静电袋包装。
5.4.4、静电对 LED 电子产品的危害:
① 隐蔽性
人体不能直接感知静电,除非发生静电放电,但是发生静电放电人体也不一定能有被电击的感觉,这是因为人体感知的静电放电电压为 2-3KV,所以静电具有隐蔽性。
② 潜在性
有些 LED 元件受到静电损伤后的性能没有明显下降,但多次累加放电会给器件造成而形成隐患,因此静电对 LED 等元器件的损伤具有潜在性。
③ 随机性
LED 元件什么时候会遭受静电破坏呢?可以这么说,从一个元件产生之后,一直到它损坏之前,所有的过程都受到静电威胁,而这些静电的产生也是具有随机性。
④ 复杂性
5.4.5、静电放电损伤造成的 LED 失效分析工作,因产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费钱,要求较高的技术并往往需要扫描电镜等高精密仪器。即使如此,有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别,使人误把静电损伤失效当成其他失效。这在对静电损害未充分之前,常常归因于早期失效或情况不明的失效,从而不自觉的掩盖了失效的真实原因,认识所以静电对 LED 器件损伤的分析据有复杂性。
5.4.6、静电或急放电会损害 LED,建议手拿 LED 时,佩带静电环或防静电手套;
所有的装置、设备和机器必须接地,例如电烙铁的尖端需接地,(此地线需与电源零线、防雷地线分开)。在容易产生静电的环境与设备上,还必须安装离子风扇。建议先测试脉冲电压才能装配 LED;
① 带电产品接触低阻值的金属表面时,由于急放电引发产品故障的可能性很高,故要求工作台及与产品相接触之处使用表面电阻为 106-109Ω的桌垫,并且桌垫要接地;
② 请保持环境湿度在 60%,以免空气过于干燥产生静电;
③ 当检查 LED 组件的最后成品时,建议要检验组件 LED 是否被静电损坏,在低电流(建议 1mA 以下)测试光强或 VF 时很容易发现被静电破坏的 LED;
④ 损坏的 LED 将表现出一些异常特性,例如漏电流明显地增大,顺向电压变得很低,或者在低电流情况下不会发光。当发生此问题时请检查上述防静电措施是否在执行。
5.4.7、电性测试及产品使用:
测试普通 LED 的压降、亮度、波长等参数必须设为定电流 20mA,其他测试条件请参考产品规格书,请与出厂测试条件同步(不同厂家测量仪器的测试读值会存在差异,因此产品标示值将依我司仪器为参照标准);
1、LED 属于恒流型元器件,避免用定电压方式点亮 LED;否则会产生颜色、亮度不一致。且当环境温度升高 LED 结温上升使内阻减小,稳压源供电则使 LED 电流升高,影响其寿命,严重的使 LED“烧坏”,故最好用恒流源供电,以保证不受外界影响;
2、使用分光分色的 LED 产品时,特别针对白光 LED 请注意按相同等级代码组装在一起(必要时在确认颜色一致性满足使用要求前提下,可将相邻等级混和组装),不同进料批次同等级代码产品在进行贴装前请先比对产品发光颜色一致性,以免产生颜色差和亮度差异;
3、在 LED 的整个使用过程中要加强对散热问题的考虑,如:线路板上的热阻、LED 的放置密度以及其他元器件的发热系数。
4、针对软硅胶封装工艺的 TOP 系列 LED,手动贴装时应注意不得触碰或按压灯体顶端硅胶,以防止因外力作用造成 LED 内部金线断开导致死灯不良;自动机台贴装时应选用尺寸规格更合适的吸嘴(吸嘴最好通过接触 LED 的 PPA 胶体部分进行吸取材料),以防止吸嘴头过小导致吸取材料时局部气压过大破坏 LED 内部焊线结构造成开路死灯。
5.4.8、其他:
a)、高亮度 LED 发出之光强足以刺伤人的眼睛,所以要避免长时间的注视 LED 光源,并应采取适当防范措施,具体措施参照 IEC(国际电学委员会)标准及产品标注;
b)、LED 产品的设计能够广泛用于工业与日常生活中,例如家庭应用、通用办公装置、电子仪器等等,其中一些闪光性 LED 产品的使用会引起部份人的不舒服,在使用过程中应格外注意。
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