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RECOM 电子元器件和模块的储存温度注意事项

RECOM 电子元器件和模块的储存温度注意事项

2022/7/18 13:56:31

涉及电子元器件和配件工作温度范围的相关文章有很多,而关于储存温度的文章相对较少。大部份制造商的数据表要么显示与最大工作温度相同的储存温度范围(例如 0°C 至 +85°C),要么标示 -40°C 至 +100°C的「标准工业」范围区间,而无进一步解释。

但是要正确储存电子元器件或最终产品,在投产之前需要仔细了解可能影响零部件可靠性的风险和因素:储存温度如何影响元器件?有哪些老化机制?如果储存温度超过规格书的范围,它们会损坏吗?还有哪些其他环境因素可能使零部件在储存后无法使用?

最重要的是,储存温度和湿度的组合是决定性因素。即使储存的时间很短,高湿度和高储存温度的组合也会导致元器件吸收水分或气体。

对 SMD(表面贴器件)来说,湿度敏感性是由 JEDEC 标准 J-STD-020 定义的湿度敏感等级 (MSL) 来衡量的:

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「暴露时间」是指密封的防潮袋打开后的可用时间,也就是元器件可以通过回流焊而不会有「爆米花现象」的风险,如果器件在暴露时间吸收水分会在热炉中变成蒸汽导致器件破裂、分层甚至爆炸。如果元器件的暴露时间超过规定就需要「预先烘烤」。换句话说,在使用之前将器件放入干燥箱中以蒸发掉已吸收的水分。TOL 是指参考制造商在「标签上的指示时间」。

请注意MSL 等级是针对特定环境条件而指定的。指定的环境温度和相对湿度 (RH) 比正常冬季的室内温湿度 (25°C/50%) 要高得多,但比起某些亚洲或南美国家在夏季的几个月 RH 值就偏低,因为在这些地区湿度很少低于 80%,且室温可能超过 35°C。这表示要以 SMD 生产线的地理位置和季节来决定是否需要缩短或延长MSL 的暴露时间。

此外,通孔器件在长期储存期间可能会吸收水分。由于通孔器件在焊接波峰过程中有PCB 防护,所以在焊接过程中不会受到极端的高温,因此「爆米花现象」的风险较小,但它仍然可能遭受其他化学老化的影响,而且会因潮湿和温暖的环境加快老化。最常见的问题例如通过封装材料或者焊点的毛细现象,从而导致暴露的金属器件会氧化和吸收水分或气体。

通孔器件外露的焊脚经氧化会导致「虚焊」(图 1),PCB 焊料无法正常润湿焊点因为引脚表面的氧化杂质会排斥液体弯月面的形成,因此无法保证电气和机械连接。虚焊很难被发现,而且更糟的是可能导致间歇性故障,因而使 PCB 器件虽然通过初期的检查和测试,后来却在现场失效。某些大气气体会侵蚀铜化合物,尤其是硫磺,这可能导致早发性腐蚀。因此储存设施应有良好的通风,并远离任何排水沟或下水道通风口(下水道特有的「臭鸡蛋」气味是由硫化氢气体引起的,这是一种有机物腐烂的自然产物)。

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图 1:虚焊的横截面。从底部看,焊料弯月面似乎是完整的,但其实铜针与焊料并未完全接触(来源:RECOM)

如果焊点不良是元器件存放后反复出现的问题,就可能需要将元器件储存在有干燥剂的防潮袋中,或在使用之前清洁。另外引脚可以镀上或涂上一层薄薄的纯锡或金,因为这些金属可有效避免与大气水分产生化学反应。

封装材料本身会吸收水分或大气中的气体,尤其是在高温储存之下。环氧树脂灌封材料通常非常坚硬且具有高化学惰性,但有机硅或聚氨酯材料往往更柔软且多细孔。因此,后者的多孔性会让水分或大气中的氧气进入内部的器件,产生腐蚀效应引起机械性膨胀,从而破坏引脚或外壳之间的密封层,让水气进一步渗入。密封的完整性可以经由紫外荧光染料的渗透测试来确认(图 2)。在该测试中,器件在高压下浸入水基染料中一段时间,以查看是否有任何液体会穿透任何细微裂痕、孔隙或密封不良的地方。然后将器件拆下并放置在紫外线灯下。任何液体渗透都会在染料发出的荧光下无所遁形。

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图 2:染料渗透测试的好结果与坏结果(来源:RECOM)

环境温度的循环也造成微裂痕和密封失效。如果器件是在温暖且潮湿的气候中制造的,然后在 -40°C 的飞机货舱运输,任何内部水分都会在冰膨胀时破坏密封性。器件要经过不同的飞行或道路交通配送中心,因此在到达最终目的地之前可能要经过几个解冻/冻结周期,从而导致不良现象继续扩大。如果器件随后在非温控的仓库经历几次冬、夏季轮替,可能会出现不太剧烈但更长期的热循环应力。

假设制造商声明器件的储存温湿度范围为 -40°C 至 +85°C和50%RH,但这并不表示该器件可以在储存温度限制内经过几次温度循环还安全无虞。事实是如果为了减少离子或原子的老化过程而低温储存(图 3),那么在使用前必须非常缓慢地回温。持续的低温或高温储存会比经历几个冷热循环更为适合元件的储存。

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图 3:阿伦尼乌斯公式。化学反应速率 k 与温度 T 的指数函数成正比:温度越高,反应越剧烈。A为反应常数,Ea为反应活化能,R为气体常数。这种关系适用于许多化学反应,包括大多数腐蚀、氧化和老化过程。

如果储存温度超标时会怎么样呢?安装在 PCB 上的 SMD 器件与基板本身的热膨胀或收缩率不同,因此在极端的温度下机械应力会导致焊料断裂或器件破裂。封装组件(二极管、晶体管等)通常可以承受较低的温度,因为外壳为引脚提供了机械支撑,但它们一般都有金属引线框,而铜具有高热收缩系数,因此在低于 -40°C 的时候可能会产生失效。

在极低的温度下,最难解的问题出现在依赖离子运动或液体化学过程的器件,包括电解电容器和某些类型的陶瓷电容器,因为在低温下这些活动会被「冻结」。电解电容器在冷却过程中会迅速失去电容量;-40°C 时,与室温下时相比它们的电容量可能只剩 10%。在极低温下(大约低于 -65°C),电解液会被冻结从而造成永久性的物理损坏。此外,电容的等效串联电阻(ESR )和损耗因数( Tanδ )随着温度迅速恶化,ESR 和 Tanδ 在冰点以下迅速增加,并在达到 -55°C 时分别上升到 x100 或 x10。这些影响会让电容器的性能特性在低温或室温时完全不同。如果将含有这些器件的产品从冷藏空间移至温暖的房间后突然通电,就有很高的概率无法启动。

其他对极低温度敏感的器件是绕线电感和变压器。这些器件中的铜绕组将在低温下收缩并对铁氧体磁芯施加机械应变,而磁芯会在低温下变得更加脆弱因为铁氧体晶粒的粘合剂会失去弹性。如果含有铁氧体器件的产品在低温下意外掉落,即使它「安全」地封装在封胶内还是很容易在机械冲击下破裂(图 4),因此应小心处理从冷藏库取出的产品和配件。

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图 4:灌封 DC/DC 转换器的 X 射线检测显示,

在低环境温度下的过度机械冲击会导致封装内的铁氧体破裂(来源:RECOM)

综上所述,如果一个器件或配件存放在一个相对稳定或变化缓慢的良好环境中,保质期确实很长。在理想的条件下,RECOM 的封装 DC/DC 或 AC/DC 电源模块的保质期为十年。然而,如果此类产品在经过长期储存后投入使用,应该先让它慢慢适应室温并进行目视检查,以确保引脚和连接器没有腐蚀的现象。如果产品包含电解电容器,则应施加有限的电流来缓慢上电(此过程称为「重组」),让氧化铝的电介质绝缘层恢复之后再承受全输入电压。

现在的全球供应链问题导致许多的分销商和供应商需要出货旧库存来及时满足客户的需求。只要在通电前有正确的储存条件和缓慢的回温,这些元器件仍然有可能处在完美的状态供使用。

审核编辑(
王静
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