無聲殺手：為何MEMS通過回流焊卻在現場失效

你看到的是幾乎全綠的良率圖。線路內測（ICT）顯示 99.8% 的通過率。線末的功能測試儀也在唱歌。產品已包裝、出貨並上市。

然後，三週後，電話響了。

現場退貨不是以死機形式出現，而是以“漂移者”形式出現。麥克風的噪聲底噪莫名其妙地升高。壓力感測器在桌上放著卻報告高度變化。加速度計出現永久偏移。當你在測試台重新測試時，它們甚至可能暫時通過，或顯示間歇性故障，按壓封裝時故障消失。工廠堅稱製程完美無缺。回流曲線看起來像是熱管理的教科書範例。

這就是“行走的傷兵”情況。你面對的是一種在工廠出口電測無法察覺但致命於產品壽命的失效模式。這不是焊接缺陷或矽晶片批次問題。幾乎可以肯定是幾週前在回流爐內因製程違規且無日誌記錄而發生的濕氣誘發層間剝離事件。

緩慢死亡的物理學

要理解為何這些零件會延遲死亡，你必須停止把它們當作標準積體電路（IC）來看待。如果你用濕氣不當對待標準 SOIC 或 QFP 封裝，它會“爆米花”式破裂。濕氣變成蒸氣，壓力超過塑膠強度，封裝會發出裂開聲。你看到裂縫，就報廢電路板。雖然醜陋，但誠實。

MEMS（微機電系統）不同。它們是複雜的機械結構——微小的跳板、薄膜和梳狀結構——封裝在腔體內。當濕氣滲入 MEMS 封裝時，它會滯留在模塑料與基板或晶片黏著墊片的介面處。

當該零件進入回流爐，溫度飆升至 260°C。被困的濕氣瞬間變成過熱蒸氣。但與整塊塑膠不同，MEMS 封裝內部常有空洞和多種材料介面。蒸氣壓力不會裂開封裝外部，而是沿阻力最小路徑：剝離內部層。它會使晶片與黏著墊片分離，或將模塑料從引線框架上抬起幾微米。

零件不會爆炸。它只是深呼吸並膨脹。

關鍵是，電氣連接——通常是金線鍵合——往往會拉伸到足以維持接觸。元件冷卻後，間隙稍微關閉，通過電氣連續性測試。它就這樣通過了你的 ICT。

但損害已經造成。你現在有一個微觀的分層間隙。在接下來的幾週內，隨著裝置經歷每日的溫度變化或使用者環境中的濕度，這個間隙會呼吸。它會吸入污染物。如果你使用無清洗工藝，原本應該在表面無害的助焊劑殘留物會被吸入這些新的縫隙中。一旦進入，它們會與水分混合形成導電的電解質。

腐蝕會慢慢侵蝕焊盤或精密的MEMS結構本身。或者，分層的晶片所造成的機械應力使MEMS薄膜放鬆，改變其零點。這就是為什麼你會在幾週後看到“感測器漂移”。零件並沒有壞掉；它只是失去了固定。

犯罪現場：問題不在烤箱

當這些故障發生時，第一反應是責怪回流曲線。工程師會花幾天時間調整預熱區或將峰值溫度降低兩度。這是浪費時間。你無法靠回流來解決濕件問題。

問題不是發生在烤箱裡；而是三天前發生在儲存架上。

如果你走訪生產現場——不是導覽路線，而是貼片機後方的後巷——你會找到根本原因。你可能會看到一個“乾燥櫃”，數位顯示器顯示5% RH，但櫃門鉸鏈壞了，用Kapton膠帶固定著。密封不嚴，裡面的實際濕度是55%，等同於室內濕度。

你可能會發現一捲捲的濕敏元件放在冷氣出風口下的推車上，因為操作員以為“冷空氣”能保護它們。你會看到記錄簿上寫著某捲元件14:00已放回乾燥箱，但監視器顯示它一直放在送料推車上直到18:00換班。

這些違規行為對數據系統是看不見的。MES（製造執行系統）說該零件還有48小時的現場壽命。物理學告訴你它12小時前就已飽和。當飽和的零件進入260°C的回流烤箱峰值時，蒸氣壓力會發揮作用，不管你的降溫速率多完美。

別再用烘烤來解決問題

對濕氣恐慌最危險的反應是“直接烘烤”心態。生產經理害怕報廢價值$50,000的感測器，會下令烘烤循環來“重置”現場壽命。

烘烤不是免費的重置按鈕——它是一種熱應力事件。

標準IC可能能忍受125°C烘烤24小時而無異狀，但MEMS更脆弱。我曾見過加速度計托盤在高溫烘烤時，廉價運輸托盤（未標示可烘烤）釋放的氣體凝結在感測器端口，將其封閉。

即使你使用正確的高溫JEDEC矩陣托盤，反覆烘烤也會促進引線介面處的金屬間化合物生長並氧化焊盤。你可能烘乾了零件，但現在你在焊接時產生“頭枕”缺陷風險，因為焊盤無法正常濕潤。

此外，如果你嘗試烘烤仍在帶盤中的零件，你正走在鋒利的刀刃上。大多數載帶無法承受標準烘烤溫度。結果是塑膠熔化並黏附在元件上，或載帶變形稍微卡住高速送料器，導致大量停機。

如果必須烘烤，你必須嚴格遵守J-STD-033，通常使用低溫烘烤（40°C）且需數週而非數小時。大多數工廠沒有這種耐心，所以他們提高溫度並烹煮零件。

MSL 時鐘是絕對的

紀律問題的根源通常是對濕度敏感度等級（MSL）評級的誤解。許多團隊將MSL視為粗略指導，事實並非如此。它是一個計算出的熱極限。

MSL 3和MSL 5a之間存在巨大的鴻溝。

• MSL 3 給你168小時（一週）的暴露時間。
• MSL 5a 給你24小時。

那是一整天。如果一卷MSL 5a麥克風被打開進行設置，放在機器上工作10小時班次，然後放回一個未完全抽真空的袋子中，計時器不會停止。頂多是暫停。如果乾燥劑已經飽和，袋子內的計時器會繼續運行。

常見韌體工程師試圖通過編碼來解決這些故障。他們看到感測器漂移，試圖建立複雜的校準表或“燒錄”程序來穩定讀數。這是徒勞的。你無法用軟體修復分層的晶片黏著。你是在校準一個隨濕度變化而持續移動的破損物理結構。

程序優先於英雄主義

“行走的傷兵”唯一的解決方法是在烤箱前採取積極且偏執的紀律管理。

你必須相信化學反應，而非日誌。每個濕度屏障袋（MBB）內都有一張濕度指示卡（HIC）。打開袋子時，立即查看該卡。如果10%點是粉紅色（或根據類型呈薰衣草色），無論標籤怎麼說，零件都值得懷疑。

在打開每個袋子前檢查真空封條。如果袋子鬆動——你可以捏塑膠並將其從托盤拉開——表示已被破壞。乾燥劑很可能已飽和。

最後，你必須願意報廢零件。這是向管理層推銷時最難的一點。但一卷被放置不明時間的MEMS感測器就是一顆定時炸彈。如果你將它裝上電路板，它會通過工廠測試，會出貨，然後當你的客戶在潮濕的早晨慢跑時，它會失效。

報廢一卷$2,000的成本與現場召回的成本相比只是小數點誤差。不要烘烤它。不要猜測。如果監管鏈斷裂，該零件就是垃圾。