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2020-01-13

助焊剂残留物清洗剂合明科技分享:BTC器件底部助焊剂残留物形成机理与影响研究

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:318

助焊剂残留物清洗剂合明科技分享:BTC器件底部助焊剂残留物形成机理与影响研究


摘 要:在组装底部焊端类器件时,由于PCB和器件之间的离板高度很小,大部分小于0.2 mm,在再流焊过程中锡膏中的挥发物逃逸困难,容易引发引脚间阻抗降低的问题,导致芯片烧毁或功能丧失。着重对产生这些问题的机理进行研究分析,并探讨了两种解决方案。

关键词:电子组装;SMT;BTC;助焊剂残留;阻抗降低



1 助焊剂残留物形成机理及危害

1.1 助焊剂残留物形成机理

QFN(Quad Flat No-lead Package)和LGA(Land Grid Array)等BTC(Bottom TerminalComponent)器件都是表面贴装焊接的器件,由于PCB(Printed Circuit Board)和器件之间的离板高度很小,排气通道狭窄,在再流焊过程中焊膏中的助焊剂挥发物逃逸困难,就会截留在封装底部,形成助焊剂残留物[1]。敞开环境下焊剂残留物主要为松香、金属盐和未完全反应的活性剂[2]。而相对密闭的环境下,增加了溶剂、未完全反应的活性剂,残留物很容易再次释放H+离子。表1为每类残留物对单板的影响及应对举措,助焊剂残留物的位置如图1所示。

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1.2 助焊剂残留物的危害

助焊剂是焊膏不可缺少的组成部分,在再流焊过程中将分解或挥发。BTC器件与PCB之间的高度很低,在再流焊过程中,器件封装和PCB不传导热量,只靠热风从器件封装底部和PCB之间的缝隙中传热。由于气流的附壁效应,贴近PCB表面的气流速度接近于0,封装底部温度较低,有可能导致BTC器件底部的助焊剂没有充分暴露于焊接峰值温度下,从而造成助焊剂中残余的活性物质未被充分分解。未分解完的活性物质(如卤化物、有机酸、胺和氨化物等)残留在PCBA上,在一定温度和湿度下会导致绝缘电阻下降、枝晶生长、离子迁移、电路短路和腐蚀等问题,从而影响产品长期可靠性[3]。

以下是BTC器件底部残留助焊剂导致产品失效的案例:

【案例1】某单板在高温老化过程中,QFN器件的某几个引脚发生烧毁。经分析,烧毁原因是QFN底部有助焊剂残留,残留物中有活性离子,在高温条件下,助焊剂残留物呈半液化的糊状并开始释放活性,成为一种可离子导电的电解质。当器件信号脚加高电压后,信号端和接地端之间因离子移动而产生泄漏电流,导致电路短路,短路电流进一步造成单板烧毁和碳化,如图2所示。

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【案例2】某单板一款LGA芯片在整机高温老化过程中出现无输出或者输出异常问题,表现为芯片某引脚对地阻抗降低。经分析为LGA底部残留的未挥发完全的助焊剂,在特定的湿热条件下引起离子迁移,造成某些引脚对地微短路,出现阻抗降低,如图3所示。

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2 助焊剂残留物影响引脚间阻抗的研究

2.1 因素分析

助焊剂残留导致引脚间阻抗降低的原因比较复杂,本文主要从枝晶生长的机理来进行分析,试图找到其相关性。由枝晶生长原理可知,枝晶的生长有三个要素:1)存在偏压;2)存在可以游离的离子(包括电离的离子、灰尘、PCB加工残留的各种溶液和水等);3)在偏压之间存在扩散或生长的路径。BTC器件底部环境满足以上哪些条件呢?分析如下:

1)偏压。对于大部分数字芯片来说,引脚间偏压多为5.5 V和12 V,一般不会超过30 V,这种情况下产品一般很难观察到枝晶生长。但是对于很多电源管理芯片来说,引脚间偏压50 V是很常见的,某些极端情况能达到100 V。

2)游离离子。BTC器件,特别是QFN和LGA封装器件,器件本体与PCB之间的距离很近,大部分只有不到30 μm,这就给焊膏中助焊剂挥发物的逃逸带来困难,无法挥发的活性成分提供了大量的离子。当然,在助焊剂是固态的情况下,这些离子是无法自由活动的。然而,器件工作时,自身及系统发热会使焊点附近温度超过80℃,助焊剂将重新软化/液化,不仅各种离子重新游离,还满足了第三个要素,即扩散和生长的路径。

2.2 实验验证

在PCB光板上印刷焊膏,采用玻璃盖住后再流焊,助焊剂放置空气中24 h不会固化,如图4所示。把模拟试验板上的助焊剂刮下覆盖在梳形电路板上,在110 ℃下加50 V偏压的条件下,8 h后,阻抗降低1个数量级,见表2。

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在85 ℃和85% RH湿度环境下加50 V偏压,8 h以后阻抗小于1 Ω,见表3。

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这两个实验表明,在排气通道不畅的情况下,助焊剂残留物确实会引起梳形电路间绝缘阻抗的降低,佐证了在发生BTC器件引脚间阻抗降低的问题时,底部也存在类似的过程。

2.3 解决方案探讨

减少助焊剂残留,提供有效的排气通道是一条可行的思路,以下实验分别验证了打孔和去除绿油方案,不同程度地缓解了助焊剂残留问题。

2.3.1 打孔方案

图5所示是打孔方案,大孔直径为0.5 mm,在PCB侧,焊盘之间所打的通孔周围有清晰可见的助焊剂残留(红圈标注),其余通孔附近助焊剂残留较少。在器件侧,每个通孔位置都留下了助焊剂形成的通孔“印迹”,手触碰有粘手的感觉。可以认为通孔提供的排气通道不如去掉绿油方案好,但是与没有打孔的情况对比,已经有所改善(对比图5与图6)。图6为某厂家器件无通孔设计时助焊剂残留情况。

2.3.2 去除绿油方案

图7所示是去除绿油方案,可见在PCB侧去掉绿油的区域助焊剂残留极少,且可以提供多余助焊剂残留存储的空间(红框标注)。而没有去除绿油,仅打孔的区域与纯打孔方案类似,有不少助焊剂残留。器件侧情况与PCB侧类似,去掉绿油的区域助焊剂残留极少,仅打孔区域有助焊剂残留。可以认为去除绿油设计为助焊剂残留提供了较好的排气通道,可以大幅度减少助焊剂残留量,并提供多余助焊剂存留的空间。结合前文案例2的解决经验,当引脚间的助焊剂残留量达到图7左图的程度时,发生引脚间阻抗降低的几率可以大大降低,甚至杜绝。因此,去除绿油方案是一个效果较好且具备推广性的方案。

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3 结论

1)BTC器件因为离板高度很小,排气通道不畅,锡膏中助焊剂的活性物质因挥发不完而残留,有案例证实会导致器件烧毁或功能失效;

2)BTC器件(特别是压降较大的电源类芯片)底部环境满足枝晶生长要素,且盖玻璃片实验证实,较密闭条件下,助焊剂残留物会导致引脚间阻抗降低;

3)减少助焊剂残留,提供有效的排气通道是一条可行的降低风险的思路。

4)经验证局部去绿油可以大幅度减少助焊剂残留量。


参考文献

[1]贾忠中.QFN热沉焊盘空洞形成机理与解决措施[J].电子工艺技术,2017,38(1):60-62.

[2]史建卫,孙磊.电子组装中PCBA清洗技术(续完)[J].电子工艺技术,2016,37(2):121-124.

[3]邹嘉佳,孙晓伟,程明生.QFP引脚锡须在高温条件中的生长研究[J].电子工艺技术,2016,37(3):138-140.


 梁剑,郑正德 高可靠电子装联技术




合明科技:一文解答你免洗锡膏免洗助焊剂为什么还要清洗?

 


关键词导读:免洗锡膏、免洗助焊剂、PCBA电路板焊后清洗、PCBA焊后残留物清洗、电子清洗剂、水基清洗剂、环保清洗剂、波峰焊工艺

 

免洗锡膏和免洗助焊剂,并不是常人所能看到的残留物多少来定义免洗还是清洗。

PCBA电路板(线路板)电子组件制程中无论是用DIP波峰焊工艺进行焊接,所配合使用的助焊剂大部分是免洗助焊剂,或是SMT贴片制程中,各类品牌和型号的锡膏大部分是免洗锡膏。虽然各制造厂家工艺、设备条件不一,许多电子组件产品能实现免洗的制程而获得。合格的产品既然使用了免洗助焊剂,免洗锡膏作为组件焊接制成的主要材料,为什么现在又有许多组件在经过焊接后要求进行清洗工艺?听起来似乎有点矛盾,也让部分业内人士感觉迷惑,免洗助焊剂免洗锡膏还要进行清洗工艺进行清洗,是不是多此一举?

从技术角度的观点来看,我们所定义的免洗助焊剂和免洗锡膏,都是依据相关的技术标准来定义的(比如IPC,JIS标准),能满足标准要求,特别是满足腐蚀性和表面绝缘电阻等技术指标,既可称为免洗锡膏和免洗助焊剂。并不是常人所能看到的残留物多少来定义,作为免洗还是清洗,比方说:满足铜镜实验、绝缘电阻的指标特别是高温高湿后的绝缘电阻数据指标,达到标准要求就可称为免洗锡膏和免洗助焊剂,不能满足的不可称为免洗锡膏或助焊剂。

市面上称为免洗锡膏和助焊剂的产品,从规范的角度来说,视同是能够满足标准条件下定义的。随着技术发展的更新迭代和市场需求不断提高,PCBA电路板(线路板)电子组件产品体积越来越小,重量越来越轻,功能越来越强大,密度越来越高,脚间距越来越小。原来所使用的焊接材料助焊剂和锡膏,在更高可靠性要求的条件,不能用原有的标准来衡量产品的可靠性要求,为了保证电子产品有更好的可靠性保障。就需要将这些免洗锡膏和免洗助焊剂的残留物进行清除,从而得到更高可靠性的保障。这就是现在我们常常碰到的用免洗锡膏和助焊剂还需要进行清洗工艺的原由

往往此类高可靠性要求的PCBA电路板(线路板)电子组件会应用在通讯、航天航空、军品、医疗和轨道交通等等关键部位的设施和设备上。高可靠性是因为这些设施和设备不能失去功能,也不能因此而产生故障,因为产生故障的损失和影响非常大,所以这些PCBA电路板(线路板)组件制程只能选择以最高限度,最高标准来保障这些组件在功能和电气性能的可靠性,而把出现故障和破坏性损失的可能性降至最低。

举例来说,我们常见的手提电脑和手机的主板都不必做清洗工艺,因为在满足消费类电子产品场景下,现行的免洗锡膏和助焊剂就能满足这类组件产品在五年甚至更长时间的常规需要,而且它出现故障以后不会造成大面积的破坏。而作为通讯基站上的主板微波板电源板以及天线就需要高可靠性的保障,从而要求进行组件制造和工艺的技术要求更高,因为这一类板子出现的故障,将会影响这个地区基站所覆盖人群的通讯障碍,损失和影响会很大,破坏性也很强,所以只能对此类板子进行最高标准和可靠性要求的工艺制程来进行,彻底清除锡膏助焊剂残留等污染物。

免洗材料进行工艺制成后,是否选择清洗工艺主要出于两个因素方面考虑。免洗材料,免洗助焊剂、免洗锡膏在原有的技术规范和要求下实现的指标能达到高可靠性组件产品的要求。如未能达要求,就必须把残留物去除掉,满足相应的技术指标来达到可靠性。免洗材料的残留物在制程后可能产生电化学腐蚀、迁移,因温度、湿度和时间等影响因素的变化可能造成风险,对于满足免洗技术条件的产品,就不必清洗,但是对更高的技术条件不能满足时,清洗是最好的保障措施,彻底消除可能产生此类腐蚀和迁移破坏性风险。

电子电路板水基清洗工艺方式是目前最为可靠,安全,环保的工艺制程方式。按照IPC-CH-65B指导方向,水基清洗是必然方向,必经之路和终点。

最终电子产品被定义为满足什么样条件及状况下的技术要求,成为我们需不需要进行清洗工艺最重要的考虑要素。通俗的话来说:你给电子组件产品定义了什么样的可靠性技术就决定了用不用清洗来作为最高的保障。

需要高可靠性的保障,那么免洗锡膏和免洗助焊剂必然是需要水基清洗!





以上一文,仅供参考!

 

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以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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