L’assassino silenzioso: perché i MEMS superano il reflow ma falliscono sul campo

Stai guardando un grafico di resa che è quasi interamente verde. Il Test In-Circuit (ICT) mostra tassi di superamento del 99,8%. I tester funzionali alla fine della linea sono soddisfatti. Il prodotto è confezionato, spedito e lanciato.

Poi, tre settimane dopo, il telefono squilla.

I resi dal campo non arrivano come unità morte, ma come “derivanti”. Microfoni con un rumore di fondo che è inspiegabilmente aumentato. Sensori di pressione che segnalano variazioni di altitudine mentre sono poggiati su una scrivania. Accelerometri che hanno sviluppato uno scostamento permanente. Quando li ritesti sul banco, potrebbero anche superare di nuovo il test per un momento, o mostrare guasti intermittenti che scompaiono quando premi sul package. La fabbrica giura che il processo è stato perfetto. I profili di rifusione sembrano esempi da manuale di gestione termica.

Questo è lo scenario dei “Feriti che camminano”. Stai affrontando una modalità di guasto invisibile ai test elettrici all’uscita della fabbrica ma fatale per la longevità del prodotto. Non è un difetto di saldatura o un lotto difettoso di silicio. È quasi certamente un evento di delaminazione indotto dall’umidità avvenuto settimane fa, dentro il forno di rifusione, a causa di una violazione del processo che nessun registro ha annotato.

La fisica della morte lenta

Per capire perché queste parti muoiono con ritardo, devi smettere di pensarle come circuiti integrati standard (IC). Se maltratti un package SOIC o QFP standard con umidità, questo “scoppia come popcorn”. L’umidità si trasforma in vapore, la pressione supera la resistenza della plastica e il package si crepa rumorosamente. Vedi la crepa, scarti la scheda. È brutto, ma è onesto.

I MEMS (Sistemi Micro-Elettro-Meccanici) sono diversi. Sono strutture meccaniche complesse—piccoli trampolini, membrane e pettini—ospitati all’interno di una cavità. Quando l’umidità penetra in un package MEMS, si deposita nell’interfaccia tra il composto di stampaggio e il substrato, o la piastra di attacco del die.

Quando quella parte entra nel forno di rifusione, la temperatura schizza a 260°C. L’umidità intrappolata si trasforma in vapore surriscaldato. Ma a differenza di un blocco solido di plastica, il package MEMS spesso ha vuoti interni e interfacce di materiali diversi. Invece di crepare l’esterno del package, la pressione del vapore trova il percorso di minor resistenza: delamina gli strati interni. Separa il die dalla sua piastra di attacco o solleva il composto di stampaggio di pochi micron dal telaio dei contatti.

La parte non esplode. Semplicemente prende un respiro profondo e si espande.

Fondamentalmente, le connessioni elettriche—di solito fili d’oro—si allungano appena abbastanza per mantenere il contatto. L’unità si raffredda, il gap si chiude leggermente e supera il test di continuità elettrica. Passa tranquillamente il tuo ICT.

Ma il danno è fatto. Ora hai un gap microscopico di delaminazione. Nelle settimane successive, mentre il dispositivo subisce cicli di variazioni di temperatura quotidiane o umidità nell’ambiente dell’utente, quel gap respira. Immette contaminanti. Se usi un processo no-clean, residui di flux che dovevano essere innocui sulla superficie possono essere aspirati in queste nuove fessure. Una volta dentro, si mescolano con l’umidità formando un elettrolita conduttivo.

Lentamente, la corrosione consuma la piastra di contatto o la delicata struttura MEMS stessa. Oppure, lo stress meccanico del die delaminato fa rilassare la membrana MEMS, spostando il suo punto zero. Ecco perché vedi la “deriva del sensore” settimane dopo. La parte non è rotta; è disancorata.

La scena del crimine: non è il forno

Quando si verificano questi guasti, il primo istinto è incolpare il profilo di rifusione. Gli ingegneri passeranno giorni a modificare la zona di soak o a ridurre la temperatura di picco di due gradi. È una perdita di tempo. Non puoi rifondere via i componenti umidi.

Il crimine non è avvenuto nel forno; è avvenuto sullo scaffale di stoccaggio tre giorni prima.

Se cammini nel reparto di produzione—non sul percorso guidato, ma nei vicoli dietro le macchine pick-and-place—troverai la causa principale. Potresti vedere un “armadio asciutto” dove il display digitale indica 5% RH, ma la cerniera della porta è rotta e tenuta chiusa con nastro Kapton. La guarnizione non è ermetica, e l'umidità reale all'interno è 55%, pari a quella della stanza.

Potresti notare bobine di componenti sensibili all'umidità sedute su un carrello sotto una bocchetta dell'aria condizionata perché l'operatore pensava che l’“aria fresca” li avrebbe protetti. Troverai registri che affermano che una bobina è stata rimessa nella scatola asciutta alle 14:00, mentre la telecamera di sicurezza mostra che è rimasta su un carrello alimentatore fino al cambio turno alle 18:00.

Queste violazioni sono invisibili al sistema dati. Il MES (Manufacturing Execution System) dice che il pezzo ha ancora 48 ore di vita sul pavimento. La fisica dice che si è saturato 12 ore fa. Quando quel pezzo saturo raggiunge il picco di 260°C del forno di rifusione, la pressione del vapore fa il suo lavoro, indipendentemente da quanto perfetta sia la tua velocità di raffreddamento.

Smetti di Cuocere per Uscire dai Guai

La reazione più pericolosa a un allarme umidità è la mentalità “Basta Cuocerlo”. I responsabili di produzione, terrorizzati dall’idea di scartare sensori per un valore di $50.000, ordineranno un ciclo di cottura per “resettare” la vita sul pavimento.

La cottura non è un pulsante di reset gratuito—è un evento di stress termico.

Gli IC standard possono tollerare una cottura a 125°C per 24 ore senza lamentarsi, ma i MEMS sono molto più fragili. Ho visto vassoi di accelerometri cotti ad alte temperature dove il degassamento da vassoi di spedizione economici (non adatti alla cottura) si è condensato sulle porte dei sensori, sigillandole.

Anche se usi i vassoi a matrice JEDEC ad alta temperatura corretti, la cottura ripetuta favorisce la crescita di intermetallici all'interfaccia dei terminali e ossida i pad. Potresti asciugare il pezzo, ma ora hai creato un rischio di difetto “head-in-pillow” durante la saldatura perché i pad non si bagnano correttamente.

Inoltre, se provi a cuocere pezzi ancora nel nastro e bobina, stai camminando su un filo di rasoio. La maggior parte dei nastri portatori non può sopportare le temperature standard di cottura. Finirai con plastica fusa attaccata ai componenti o nastro che si deforma abbastanza da bloccare gli alimentatori ad alta velocità, causando lunghi fermi macchina.

Se devi cuocere, devi seguire rigorosamente la J-STD-033, spesso usando cotture a bassa temperatura (40°C) che durano settimane, non ore. La maggior parte delle fabbriche non ha la pazienza per questo, quindi alzano il calore e cuociono i pezzi.

L'Orologio MSL è Assoluto

La radice del problema di disciplina è spesso una cattiva comprensione della classificazione Moisture Sensitivity Level (MSL). Molti team trattano l'MSL come una linea guida approssimativa. Non lo è. È un limite termico calcolato.

C'è un enorme salto tra MSL 3 e MSL 5a.

• MSL 3 ti dà 168 ore (una settimana) di tempo di esposizione.
• MSL 5a ti dà 24 ore.

Questo è un giorno. Se una bobina di microfoni MSL 5a viene aperta per un setup, lasciata sulla macchina per un turno di 10 ore, e poi rimessa in una borsa che non è perfettamente evacuata, l'orologio non si ferma. Al massimo si mette in pausa. Se il disidratante era già saturo, l'orologio continua a correre all'interno della borsa.

È comune vedere gli ingegneri del firmware cercare di aggirare questi guasti con il codice. Vedono la deriva del sensore e cercano di costruire tabelle di calibrazione elaborate o routine di “burn-in” per stabilizzare la lettura. Questo è inutile. Non puoi riparare un die attach delaminato con il software. Stai calibrando una struttura fisica rotta che continuerà a muoversi con i cambiamenti di umidità.

Protocollo sopra l'eroismo

L'unica soluzione per i “Feriti che Camminano” è una disciplina aggressiva e paranoica prima del forno.

Devi fidarti della chimica, non del registro. Ogni busta barriera all'umidità (MBB) ha una Scheda Indicatrice di Umidità (HIC) all'interno. Quando apri una busta, guarda subito quella scheda. Se il punto 10% è rosa (o lavanda, a seconda del tipo), le parti sono sospette, indipendentemente da ciò che dice l'etichetta.

Controlla la sigillatura del vuoto su ogni busta prima di aprirla. Se la busta è allentata—se puoi pizzicare la plastica e tirarla via dal vassoio—è compromessa. Il disidratante è probabilmente saturo.

Infine, devi essere disposto a scartare le parti. Questa è la vendita più difficile per la direzione. Ma una bobina di sensori MEMS lasciata fuori per una durata sconosciuta è una bomba a orologeria. Se la metti sulla scheda, supererà i test di fabbrica. Verrà spedita. E fallirà quando il tuo cliente la userà per una corsa in una mattina umida.

Il costo di scartare una bobina $2.000 è un errore di arrotondamento rispetto al costo di un richiamo sul campo. Non cuocerla. Non indovinare. Se la catena di custodia è interrotta, la parte è spazzatura.