在电子行业,湿气敏感度等级,即 Moisture Sensitivity Level (MSL),是用于评估非气密性表面贴装器件耐湿气渗透能力的一项关键指标。
但是在面对PCB厂商的时候,往往不能得到明确的回复,到底PCB是属于哪个湿敏等级?
本文将从历史发展和行业标准的角度,探讨PCB的MSL应如何正确定义。
根据IPC-T-50N电子电路互连与封装术语及定义对湿气敏感度等级定义如下:在流焊(回流焊)时,塑料封装电子器件因吸潮而易受到损伤,以字母数字表示的等级。An alphanumeric rating indicating a plastic electronic device’s susceptibility to damage due to absorbed moisture when subjected to reflow soldering.
注意在这个定义里面使用词汇是“塑料封装电子器件”,为什么MSL的定义涉及到塑料封装器件?要回答这个问题,需要追溯一下MSL的发展历史。
1980年代末,表面贴装技术(SMT)兴起和无铅焊接的推行,再流焊温度飙升至220-260°C。 塑料封装的IC在再流焊时频繁出现封装爆裂、内部分层,形似爆米花爆开,被称为“Popcorn Effect”(爆米花效应)。
塑料封装(环氧树脂模塑化合物)具有吸湿性,再流焊高温使内部湿气瞬间气化,蒸汽压力超过封装材料强度时,导致分层或裂纹。
Joint Electron Device Engineering Council(JEDEC)在1993年发布首份湿气敏感测试草案,定义Level 1-4四个等级。
在1999年,发布了J-STD-033: 潮湿、再流焊和工艺敏感器件的操作、包装、运输及使用。
在2000年,发布了首份J-STD-020: 非气密表面贴装器件潮湿/再流焊敏感度分级,并将MSL扩展为Level 1-6六个等级。
从上面的发展历史可以知道,MSL的来源主要与塑料封装器件"Popcorn Effect"相关,所以MSL的定义带有“塑料封装电子器件”。从MSL的发展历史看,没有涉及到印制板。
参考IPC标准树,与存储相关的主要有四份标准,分别是:
J-STD-020F: 非气密表面贴装器件潮湿/再流焊敏感度分级
J-STD-033D: 潮湿、再流焊和工艺敏感器件的操作、包装、运输及使用
J-STD-075A: 组装工艺中非IC电子元器件的分级
IPC-1601A: 印制板操作和贮存指南 (注:该标准已由 IPC-1602A《印制板的操作与存储标准》取代)

第1,2,3份标准都不适用于印制板,例如参考J-STD-020F 非气密表面贴装器件潮湿/再流焊敏感度分级的适用范围,这个标准定义了怎么对湿敏元器件做MSL的等级定义,里面定义该标准了适用于非气密性贴片器件。
但PCB不属于这个类别,所以该标准并不适用于PCB MSL 的分级定义。

第四份IPC-1602A 才是专门针对印制板的标准。该标准涵盖了印制板从光板的生产,运输,收货,存储,组装和焊接的过程管理。
以下见IPC-1602A的适用范围:

IPC-1602A里面并没有对印制板做出MSL的等级分类。但是标准里面对印制板制作过程的操作和存储做出了一些建议。
本文整理如下,详细请参考标准原文。
过程/物料:半固化片(Bonding material, Prepreg and resin coated Foils)
IPC-1602 相关章节:3.1.1
IPC-1602建议存储要求:需存储于 < 23 °C [73 °F], < 50% RH(对某些半固化片,供应商可能会建议存放在冻柜内)
过程/物料:板材(Copper Clad Laminates)
IPC-1602 相关章节:3.1.2 & 3.2.3
IPC-1602建议存储要求:蚀刻前的吸湿比较少,几乎可以忽略不计。蚀刻后的芯板,标准没有明确定义温湿度要求。但是蚀刻后的芯板吸湿风险较大,板材需做出适当的过程控制或增加烤板。实际板厂也会根据材料的特性风险,在压合前的棕化增加烤板。
过程/物料:压合后的印刷板
IPC-1602 相关章节:3.3.3
IPC-1602建议存储要求:钻孔,蚀刻和电镀后都会增加吸湿风险,标准建议需要做出控制,例如停放时间,以减少风险。但没有明确的温湿度要求。
过程/物料:包装前
IPC-1602 相关章节:3.3.6
IPC-1602建议存储要求:最大可接受湿度含量(Maximum Acceptable Moisture Content)0.1%-0.5%
过程/物料:包装和存储
IPC-1602 相关章节:4.1.4
IPC-1602建议存储要求:标准没有明确定义包装后的温湿度控制范围,但要求使用者做出评估,以管控风险。
从以上IPC1602A 的要求,虽然印制板没有MSL等级的明确定义(有些组装厂商也会参考MSL3来管控印制板),但是在制作过程中,需要对吸湿风险做出管控,甚至增加烤板工艺。 IPC1602A对烤板的建议如下,主要以表面处理来做区分,并强调需要考虑烤板对表面处理老化带来的可焊性风险,特别抗氧化和沉银的风险会特别高。

另外材料的树脂体系是主要影响印制板的吸湿率,其中软硬结合板由于聚酰亚胺(PI)材料的吸湿特性,其吸湿率通常高于普通FR-4刚性板树脂体系,需要更严格的存储管控。一般都会建议在组装前进行烤板(需考虑烤板对表面处理的影响)。
综上所述,印制板(PCB)本身并没有定义在J-STD-020F标准下的湿气敏感度等级(MSL),因为该标准体系源于并针对塑料封装器件。
然而,这绝不意味着PCB可以忽视湿气影响。相反,针对PCB的吸湿风险,行业标准IPC-1602A提供了从材料、制程到存储、包装的全过程管控指南。
因此,对PCB的湿气管理,应从遵循IPC-1602A等板级标准入手,而非套用元器件的MSL等级。