污染物殘留對PCB焊點(diǎn)可靠性的影響與清洗工藝

摘 要：元器件細(xì)間距增加了電路的敏感度，再加上助焊劑化學(xué)成分的變化，PCB生產(chǎn)的復(fù)雜和多次組裝，與殘留有關(guān)的PCB焊點(diǎn)的可靠性越來越被關(guān)注，其潛在失效主要有ECM、蠕變腐蝕和錫須。越來越多生產(chǎn)商選擇采用印制板焊接后進(jìn)行清洗的工藝來應(yīng)對這些潛在的失效。

關(guān)鍵詞：ECM；腐蝕；錫須；清洗

隨著電子工業(yè)的發(fā)展和對電子性能的要求的增加，元器件向著微型化、更細(xì)間距和高集成度的趨勢發(fā)展，相鄰導(dǎo)體間的間距減小，使得線路板上殘留和其它污染對其可靠性的影響變得更加問題化，雖然傳統(tǒng)的表面貼裝技術(shù)成功的采用了低殘留免清洗焊接工藝，但是在一些高可靠性產(chǎn)品中，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)高密度化、元器件的微型化組裝使得達(dá)到適當(dāng)?shù)那鍧嵉燃壱呀?jīng)變得越來越難，由清潔導(dǎo)致的產(chǎn)品失效也在日益增長。本文簡要的闡述污染物殘留對PCB焊點(diǎn)可靠性的影響與清洗需要關(guān)注的幾個(gè)問題。

1 殘留對PCB焊點(diǎn)可靠性的影響

1.1 電化學(xué)遷移

電化學(xué)遷移，縮寫為ECM，其定義是指在離子在電磁場的影響下通過合適的媒介（如助焊劑殘留）遷移的現(xiàn)象。對于產(chǎn)品來說，焊點(diǎn)隨著環(huán)境濕度的變化，一些助焊劑殘留中的活性劑、鹽類等離子污染物逐漸變化成了電解質(zhì)，當(dāng)產(chǎn)品在工作時(shí)，受到一些應(yīng)力電壓后，焊點(diǎn)之間短路，造成產(chǎn)品間歇性故障影響產(chǎn)品的可靠性。其過程有三個(gè)階段：路徑的形成，初始化和樹枝狀結(jié)晶生長。如圖1所示。路徑的形成從金屬離子在電解液中的溶解開始，電解液主要是由助焊劑中的氯、溴殘留和空氣中的水分結(jié)合形成弱酸，當(dāng)金屬溶解到弱酸中就導(dǎo)致了金屬細(xì)絲的產(chǎn)生。因此電化學(xué)實(shí)效的機(jī)理需要離子殘留、電壓偏離和濕度同時(shí)存在，并且受到溫度、濕度、電壓偏置、導(dǎo)體材料、導(dǎo)體間距、污染類型和污染數(shù)量等影響。

圖1

1.2 蠕變腐蝕

蠕變腐蝕指的是PCB外表面生長出銅或銀的硫化物晶體，蠕變腐蝕不同于電化學(xué)遷移，它不需要電壓差，它只需要環(huán)境中有污染源和潮氣就可以。空氣中的硫和PCB上的銅或銀發(fā)生反應(yīng)生成硫化銅或硫化銀，這些化合物會向各個(gè)方向生長，它可以使細(xì)的導(dǎo)線開路，也可以使導(dǎo)線之間短路，引起產(chǎn)品質(zhì)量問題。隨著電路板外形尺寸的減小和元器件的微型化發(fā)展，這種腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。它大都發(fā)生在工業(yè)控制電子和航天領(lǐng)域，因?yàn)檫@些領(lǐng)域的產(chǎn)品工作周圍空氣中含有污染物氣體更加多，還有一個(gè)原因是以前的PCB表面處理大都是熱風(fēng)整平，PCB上外露的銅箔都使用錫鉛進(jìn)行了保護(hù)。而隨著無鉛工藝的推進(jìn)，含有銅或銀的材料用到了PCB制造、焊接材料和器件的鍍層上，若是焊接時(shí)候浸潤不好，一些銅或銀的成分被外露，當(dāng)環(huán)境惡劣時(shí)，再加上潮氣的作用，蠕變腐蝕發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)就比較大。

1.3 錫須

錫須人們關(guān)注的熱點(diǎn)，許多專家通過對錫須的產(chǎn)生的化學(xué)和物理的參數(shù)特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為含有錫的合金在高溫高濕作用下，錫與其它金屬之間相互擴(kuò)散，形成金屬間化合物，致使錫層內(nèi)壓應(yīng)力的迅速增長，導(dǎo)致錫原子沿著晶體邊界進(jìn)行擴(kuò)散，形成錫須，這些錫須會造成產(chǎn)品有短路的風(fēng)險(xiǎn)。因此在回流焊接過程中，錫合金凝固時(shí)，錫膏中的助焊劑流出來，其中的一些鹵化物和溴化物充當(dāng)了離子污染環(huán)境的角色，就會產(chǎn)生大量的錫須。且錫須受到離子污染水平的影響，離子污染水平越高，錫須密度越大。

2 清洗需要關(guān)注的幾個(gè)問題

2.1 污染物

焊接后清洗的主要就是清除板面的殘留物。而殘留物中一般根據(jù)物理化學(xué)性質(zhì)分為三類，能溶于水的極性殘留物、不溶于水的無極性殘留物和能溶于水但不能形成離子的有機(jī)化合物的無極性殘留物。這些污染物是導(dǎo)致印制板性能改變甚至失效的重要原因，因此對這些殘留物必須徹底清除，特別是PCB正向著高密度、細(xì)間距的方向發(fā)展，PCB的清潔就顯得更加重要。

2.2 助焊劑

PCB生產(chǎn)中最多的殘留就是助焊劑的殘留，因此采用一種清洗工藝時(shí)，最先考慮的就是助焊劑的殘留物。J-STD-004中將助焊劑基于化學(xué)特性，分為四大類：樹脂型、松香型、有機(jī)型和無機(jī)型，每類又根據(jù)活性程度和鹵素含量進(jìn)一步細(xì)分，這也從側(cè)面說明了世界上所有的助焊劑均可以去除氧化物，提高焊接的浸潤能力，但在生產(chǎn)中波峰焊、回流焊、手工焊中都會用到助焊劑，有在如此多的助焊劑中，我們在生產(chǎn)中最好選用一種類型的助焊劑，這樣對一個(gè)整板來說其實(shí)就是清洗一種助焊劑殘留，倘若選了多種類型的助焊劑，這些助焊劑的兼容性和混合的殘留物就更加無法掌握了，就會增加清洗的難度，因?yàn)楦鞣N助焊劑本身的特性就比較復(fù)雜，再加上它們之間相互作用后的殘留就更加復(fù)雜了。

2.3 清洗工藝

一般的印制板清洗均采用溶劑清洗、半水清洗和水清洗三種清洗工藝。溶劑清洗時(shí)指使用溶劑型的媒介來清洗印制板的過程，在清洗過程中，干燥是獨(dú)立裝備進(jìn)行的；半水基清洗時(shí)指先使用溶劑清洗印制板，然后使用清水沖洗板面上的有機(jī)溶劑，從而清除掉印制板上的助焊劑殘留及其它污染物的過程；水清洗只的是使用水最為媒介的清洗過程。安裝自己的設(shè)備特點(diǎn)和產(chǎn)品特點(diǎn)，合理的選取清洗工藝，將對產(chǎn)品的可靠性提高有很大的幫助。

2.4 清洗溶劑

通過不同類型的助焊劑，需要選用與助焊劑殘留相匹配的清洗溶劑。清洗溶劑的品種和組成是多種多樣的，按照日本產(chǎn)業(yè)清洗協(xié)會的規(guī)定，清洗劑的分類主要是以漂洗工序作為衡量標(biāo)準(zhǔn)的。因此一般分為水系清洗劑和非水系兩大類。在漂洗工序上使用水的清洗劑統(tǒng)稱為“水系”，在漂洗工序不使用水的統(tǒng)稱為“非水系”。

2.5 清洗設(shè)備及清洗方式

目前清洗設(shè)備主要分為有批次式和在線式兩種，而清洗方式有各種方式，有超聲波、噴淋、浸泡、噴流、鼓泡清洗等不同的清洗方式。清洗設(shè)備一般通過噴淋或氣相進(jìn)行化學(xué)清洗，然后輔助如刷洗、攪動、滾筒、搖動等機(jī)械方式進(jìn)行清洗。

2.6 清洗標(biāo)準(zhǔn)

不同零部件的清洗對象千差萬別，清洗后的質(zhì)量要求也不一樣，“多干凈才算干凈”這個(gè)問題給目前越來越窄的導(dǎo)線間距帶了挑戰(zhàn)，但是存在的這些挑戰(zhàn)主要來自與清洗殘留相關(guān)的某些長期影響可靠性方面的問題的評估和殘留對硬件功能性影響的評估，因此行業(yè)不同，清洗的標(biāo)準(zhǔn)不同。因此我們要綜合考慮比如產(chǎn)品的使用環(huán)境、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的服務(wù)年限、涉及相關(guān)技術(shù)（高頻、高阻、高壓）等因素，選擇合適自已行業(yè)和產(chǎn)品特點(diǎn)的清洗潔凈等級。根據(jù)參考IPC標(biāo)準(zhǔn)和美國軍標(biāo)，目前通用的潔凈度最高等級為：離子污染物含量<1.56μgNaCl/cm2或助焊劑殘留物小于40μg/cm2或是絕緣電阻大于2×106？贅cm。

3 結(jié)束語

我們清楚的認(rèn)識到了污染物殘留對PCB焊點(diǎn)可靠性的潛在失效機(jī)理，通過基于清洗工藝的設(shè)計(jì)，選取適合自己產(chǎn)品的設(shè)備、工藝、清洗劑和清洗方式，就很大程度上降低了PCB在物理上或化學(xué)上的失效風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]IPC-CH-65B.印制板及組件清洗指南[Z].2011.

[2]曹繼漢.表面組裝技術(shù)[Z].陜西省電子學(xué)會生產(chǎn)技術(shù)與SMT專委會，2004.

作者簡介：彭正榮（1983-），男，甘肅省蘭州市，沈陽鐵路信號有限責(zé)任公司，學(xué)士，研究方向：電子產(chǎn)品工藝技術(shù)工作。