Was ist der Feuchtigkeitsempfindlichkeitstest (MSL-Test)?

Die Luftfeuchtigkeit ist einer der wichtigsten Klimafaktoren, die bei der Prüfung von Produkten und Materialien berücksichtigt werden müssen. Die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit ist in den meisten Tests entscheidend, einige konzentrieren sich jedoch auf spezifische feuchtigkeitsbedingte Schäden unter bestimmten Bedingungen.

Dies ist der Fall beim Feuchtigkeitsempfindlichkeitstest oder MSL-Test.

Was versteht man unter Feuchtigkeitsempfindlichkeitsgrad?

Der Feuchtigkeitsempfindlichkeitsgrad wird anhand einer Skala von 1 bis 6 berechnet, die den Grad der Empfindlichkeit gegenüber Schäden durch Feuchtigkeitsaufnahme angibt.

Es handelt sich jedoch nicht um eine Skala, die für alle Feuchtigkeitsschäden an allen Arten von Produkten und Materialien gilt.

Stattdessen ist es für einen bestimmten Produkttyp, nämlich Leiter und Halbleiter, und berechnet den Schaden eines bestimmten feuchtigkeitsbedingten Schädigungsprozesses.

Schauen wir uns das genauer an.

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Wozu dient der Feuchtigkeitsempfindlichkeitstest?

Halbleiter und elektronische Bauteile können je nach ihrer Bauart und ihrer Positionierung im Gerät Feuchtigkeit in unterschiedlichem Maße aufnehmen

Wenn im Halbleiter eingeschlossene Feuchtigkeit freigesetzt wird, kann dies zu einer Vielzahl von Schäden führen, von kleinen Rissen bis hin zu regelrechten Halbleiterexplosionen, dem sogenannten „Popcorn-Effekt“.

Der MSL-Test dient dazu, den Grad der Feuchtigkeitsaufnahme eines zu untersuchenden Bauteils zu ermitteln und ihm anschließend einen Wert von 1 bis 6 auf der Empfindlichkeitsskala zuzuweisen.

Je nach Wert benötigt das Bauteil regelmäßige „Back“-Phasen, d. h. Erhitzen und Entfeuchten, um eine längere Lebensdauer zu gewährleisten.

Aber was ist Backen? 

Da es Teil des Tests selbst ist, werden wir es im nächsten Absatz erfahren.

Wie der Feuchtigkeitsempfindlichkeitstest gemäß J-STD-020 funktioniert

Das Verfahren für den Feuchtigkeitsempfindlichkeitstest ist in einer international relevanten Norm, dem J-STD-020.

Der MSL-Test besteht aus mehreren Phasen.

Die Probe wird zunächst unter normalen Bedingungen einer visuellen und mikroakustischen Prüfung . Anschließend wird sie 24 Stunden lang bei 125 °C getrocknet, um sie vollständig zu entfeuchten. 

Anschließend wird es dem umgekehrten Befeuchtungsprozess , und es werden mehrere aufeinanderfolgende Freisetzungen der eingeschlossenen Feuchtigkeit beobachtet, um schließlich festzustellen, wie groß der entstandene Schaden ist.

Je nach Ergebnis wird die Probe auf einer Skala von 1 bis 6 eingeordnet, die ihren Grad der Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeitsschäden angibt.

Der FDM-Ofen für den Feuchtigkeitsempfindlichkeitstest

Wie wir gesehen haben, ist die Backphase sowohl beim MSL-Test als auch bei der anschließenden periodischen Aufbereitung, der die Komponenten unterzogen werden, von zentraler Bedeutung.

Für das professionelle Trocknen von Halbleitern gemäß internationalen Standards gibt es kein besseres Werkzeug als einen Labortrockenofen.

FDM-Labortrockenöfen sind in der Lage, die Backphase, den MSL-Test und viele andere Klimatests durchzuführen, die das Erreichen und Aufrechterhalten extremer Temperaturen erfordern.

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Referenzstandards

• IPC/JEDEC J-STD-020E — Feuchtigkeits-/Reflow-Empfindlichkeitsklassifizierung für nichthermetische SMD-Bauteile
• IPC/JEDEC J-STD-033C — Handhabung, Verpackung, Versand und Verwendung von feuchtigkeitsempfindlichen Geräten
• JESD22-A113 — Vorbehandlung nichthermetischer SMD-Bauteile vor Zuverlässigkeitsprüfung
• JESD22-A118 — Beschleunigte Feuchtigkeitsbeständigkeit — Unvoreingenommener HAST
• IPC-M-108 — Umgang mit feuchtigkeitsempfindlichen Bauteilen

Autoritative Quellen

• JEDEC J-STD-020 — MSL-Klassifizierungsreferenzstandard.
• IPC – Verband der Elektronikindustrie.
• JEDEC – Gemeinsamer Rat für die Entwicklung elektronischer Bauelemente.

Häufig gestellte Fragen zum MSL-Test

Was sind MSL-Stufen und wie werden sie klassifiziert?

Die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) klassifiziert elektronische Bauteile anhand ihrer Toleranz gegenüber der Umgebungsfeuchtigkeit während der Lagerung vor dem Reflow-Löten. Es gibt acht Klassen, von MSL 1 (keine Begrenzung – nicht empfindlich) bis MSL 6 (vor jeder Verwendung unbedingt ausheizen). Die gängigsten Klassen sind: MSL 2 (1 Jahr Lagerfähigkeit), MSL 3 (168 Stunden), MSL 4 (72 Stunden) und MSL 5 (48 Stunden). Die Lagerfähigkeit ist die maximale Zeit in einer Standardumgebung von 30 °C und 60 % relativerRH zwischen dem Öffnen des MBB-Beutels und dem Reflow-Löten.

Wie absolviert man einen MSL-Klassifizierungstest?

Verfahren nach J-STD-020E: (1) Vortrocknen bei 125 °C; (2) Feuchtigkeitslagerung in einer Klimakammer entsprechend dem Zielwert (z. B. MSL 3 = 192 h bei 30 °C/60 %RHoder beschleunigt 40 h bei 60 °C/60 %RH); (3) Dreifacher Reflow-Lötvorgang mit bleifreiem Lötprofil (Spitzentemperatur 260 °C); (4) Prüfung mittels Rasterakustikmikroskopie (SAM) auf Delaminationen, Risse und „Popcorning“. Sind nach drei Reflow-Lötvorgängen keine Defekte vorhanden, ist die Klassifizierung bestätigt.

Was ist das „Popcorning“-Phänomen?

Beim Reflow-Löten bei 260 °C verdampft die vom Formmaterial (Kunststoffgehäuse) aufgenommene Feuchtigkeit. Der Innendruck übersteigt die mechanische Festigkeit und Bruch des Gehäuses (daher der „Popcorn-Effekt“). Zu den Schäden gehören: Ablösung des Chipmaterials, gebrochene Bonddrähte, Risse durch interne Feuchtigkeitspfade und Siliziumchip-Brüche. Sichtbares Popcorn-Phänomen ist selten, jedoch sind Schäden unter der Oberfläche, die nur mit SAM nachweisbar sind, häufiger und kritisch für die Zuverlässigkeit.

Wie lässt sich MSL in der SMT-Produktion verwalten?

Bewährte Verfahren J-STD-033: (1) Feuchtigkeitssperrbeutel (MBB) mit Silicagel und Feuchtigkeitsindikatorkarte (HIC); (2) Überwachung der Bodenlebensdauer mit Aufklebern und ERP-Protokollen; (3) Ausheizen zur Wiederherstellung, RH); (4) Dry cabinet <5 % RH); (4) Dry cabinet (5) Trockenschrank RH per storage componenti aperti; (5) Work order <5% RH per storage componenti aperti; (5) Work order Arbeitsaufträge mit einem Zeitlimit von 8–16 Stunden zwischen MBB-Öffnung und Reflow. IPC-QPS-zertifizierte Unternehmen implementieren die vollständige MSL-Rückverfolgbarkeit für Audits von Tier-1-Kunden aus der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Dry cabinet a Work order con limite di 8-16h tra apertura MBB e reflow. Le aziende con certificazione IPC-QPS implementano tracciabilità completa MSL per audit clienti tier-1 automotive/aerospace.