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汽车器件氧化与湿敏元件问题解析

在汽车电子领域，器件的可靠性与稳定性至关重要，其中湿度敏感元件所面临的问题不容忽视。湿度敏感器件主要涵盖非气密性贴片器件，像塑料封装以及其他透水性聚合物封装（如环氧、有机硅树脂等）的器件都在此列。常见的 IC、芯片、电解电容、LED 等大多属于非气密性 SMD 器件。

当这些湿度敏感器件暴露在大气环境中时，大气中的水分会凭借扩散作用，逐渐渗透到封装材料内部。在汽车电子的生产流程中，器件经过贴片贴装到 PCB 上后，需进入回流焊炉进行回流焊接。在回流区，整个器件要在 183℃以上的高温环境中保持 30 至 90 秒左右，最高温度可能达到 225℃±10℃；若采用无铅焊接，峰值温度会更高，大约为 240℃±10℃。

在回流区的高温作用下，器件内部原本以液态存在的水分迅速转变为气态。在这个过程中，水分的体积急剧膨胀。由于器件由多种不同材料构成，在高温下，各种材料的热膨胀系数存在差异，再加上水蒸气膨胀产生的应力，材料之间的应力调节机制会失效。此时，材料之间的结合部位就容易出现不良变化，常见的有器件剥离分层或者爆裂。

这种破坏对元器件的电气性能影响极大。从外部观察，器件外观可能产生变形、裂缝等现象；而内部，晶圆也可能因此失效。器件中水分在这种高温作用下产生的破坏，被形象地称为“爆米花”现象。这种破坏具有隐蔽性，与静电放电（ESD）破坏类似，在大多数情况下，仅凭肉眼很难察觉这些变化。而且，在后续的测试过程中，由湿度敏感引发的问题往往不会表现为器件完全失效，这给故障排查和质量控制带来了很大困难。

为了对湿度敏感性进行有效管理，引入了湿度敏感等级这一概念。不同的湿度敏感等级对应着器件在不同湿度环境下的耐受能力。硬件工程师在样品申请和管理过程中，在湿度控制方面肩负着重要责任，必须全力避免湿度对器件造成不良影响。

在手工焊接场景中，由于温度分布不均匀，器件出现的问题更加复杂多样。为了保证样品在手工或者自动产线上能够正常使用，在接收到样品后，需要进行烘烤处理。不同类型、不同湿度敏感等级的芯片，其烘烤处理要求也有所不同。例如，一些对湿度极为敏感的芯片，可能需要较低温度、较长时间的烘烤，以充分去除内部水分；而部分湿度敏感等级较低的芯片，烘烤温度和时间则可适当调整。

汽车电子器件的湿度敏感问题贯穿于生产、存储和使用的各个环节。只有充分认识湿度对湿度敏感器件的影响机制，严格按照湿度敏感等级进行管理，并在样品处理环节做好烘烤等预防措施，才能有效减少因湿度导致的器件故障，提高汽车电子产品的可靠性和稳定性，确保汽车在各种复杂环境下都能安全、稳定地运行。

湿度敏感器件主要指非气密性贴片器件,包括塑料封装和其他透水性聚合物封装(环氧、有机硅树脂等)。一般IC、芯片、电解电容、LED等都属于非气密性SMD器件。湿度敏感器件暴露在大气中,大气中的水分会通过扩散渗透到湿度敏感器件的封装材料内部。当器件经过贴片贴装到PCB上以后,要经过回流焊炉进行回流焊接。在回流区,整个器件要在183℃以上保持30~90s左右,最高温度可能为225℃士10℃;无铅焊接的峰值会更高,大约为240 ℃±10 ℃。

在回流区的高温作用下,器件内部的水分在从液态转换为气态的过程中,体积快速膨胀。

器件含有不同的材料,在这个过程中材料之间的热膨胀与水蒸气产生的应力会失去调节,材料之间的结合部位则会产生不良变化,往往产生器件剥离分层或爆裂,导致元器件的电气性能受到影响或破坏。从外部来看,器件外观可能产生变形、裂缝等,内部晶圆也有可能造成失效,器件中水分的作用可直观地称为“爆米花”现象。这样的破坏是内部的,与ESD破坏类似,大多数情况下,肉眼是看不出来这些变化的。而且在测试过程中,由湿度敏感引起的问题也不会表现为完全失效。

对于湿度敏感性可采用湿度敏感等级来描述,如表5.4所列。硬件工程师通常负责样品申请和样品管理,在湿度方面需要注意并去极力避免。在手工焊接中,由于温度不均匀,出现的问题更为古怪。为了保证管理的合理性,在接受到样品以后,需要进行烘烤处理才能保证样品在手工或者自动产线上的使用,不同芯片的处理要求如表所列。

总结：

汽车电子领域中，湿度敏感器件（多为非气密性贴片器件，如常见 IC、芯片等）问题突出。当其暴露在大气，水分会扩散渗透进封装材料。生产时，器件贴片贴装到 PCB 后要经回流焊，在回流区高温下，内部水分快速从液态变为气态，体积膨胀。因器件材料热膨胀系数不同，加上水蒸气应力，材料结合部位易不良变化，出现剥离分层或爆裂，即“爆米花”现象，此破坏隐蔽，测试时也不易表现为完全失效。

为此引入湿度敏感等级管理，硬件工程师在样品申请和管理中要重视湿度控制。手工焊接时温度不均，问题更复杂，接收样品后需根据不同芯片的湿度敏感等级进行烘烤处理，以此减少因湿度导致的器件故障，保障汽车电子产品可靠稳定运行。