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2020-04-16

电路板松香焊剂清洗剂合明科技分享:PCBA焊接残留物对器件可靠性影响有多大?

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:302

电路板松香焊剂清洗剂合明科技分享:PCBA焊接残留物对器件可靠性影响有多大?


电子信息业的发展趋势对PCBA的组装工艺的要求越来越高,而电子整机产品的可靠 性和质量主要决定于PCBA的可靠性和质量水平,在工艺实践以及PCBA的失效分析中, 作者发现PCBA上的残留物对PCBA的可靠性水平影响极大,但不为人们特别是工艺工程 师或相关的品质控制人员的重视,尽管这种状况目前正在发生变化。但由于PCBA的可靠 性问题常常是用户使用一段时间后才发生,同时各厂家的技术手段所限,没有能够将这些失 效现象与残留物的存在联系起来,也就无法了解和评估残留物对PCBA的可靠性的影响。而在残留物中,无机残留物会减小绝缘电阻,增加焊点或导线间的漏电流,在潮湿空气条件 下,会使金属表面腐蚀,有机残留物(如松香、油脂等)会形成绝缘膜,这会防碍连接器、 开关、继电器等的接触表面之间的电接触,这些影响会随环境条件的变化及时间延长会加剧, 引起接触不良甚至开路失效。

因此,为了 PCBA 的可靠性和质量,必须严格控制残留物的存在,必要时必须彻底清 除这些污染物。本文首先介绍残留物的来源、分析方法、然后详细分析残留物对PCBA 可 靠性的影响并提出对残留物的控制措施与方法。

 

1.    残留物的类型及来源

PCBA 上残留物主要来源于组装工艺过程,特别是焊接工艺过程。如使用的助焊剂残 留物,焊剂与焊料的反应副产物,胶粘剂,润滑油等残留。其他一些来源的潜在危害性相对 较小,比如元器件及 PCB 本身生产运输等带来的污染物、汗渍等。这些残留物一般可以分 为三大类。一类是非极性残留物,主要包括松香,树脂,胶,润滑油等。这些残留物只能用 非极性溶剂进行清洗方可较好地除去。第二类是极性残留物,也叫离子性残留物,主要包括 焊剂中地活性物质,如卤素离子,各种反应产生的盐类,这些残留物需要较好地除尽,必须 使用极性溶剂,如水,甲醇等。还有一类残留物为弱极性地残留物,主要包括来自焊剂中的 有机酸碱,这些物质的去除要获得良好地效果,则必须使用复合溶剂。下面具体地介绍残留 物基本类别。

1.1   松香焊剂的残留物 

含有松香或改性树脂的焊剂,主要是由非极性的松香树脂及少量的卤化物与有机酸,有机溶剂载体组成,有机溶剂在工艺过程中会因高温而挥发除去。卤化物有机酸(如己二酸)等活性物质主要是去除被焊表面的氧化层,改进焊接效果,但是在焊接中,复杂的化学反应过程改变了残留物的结构。产物可以是未反应的松香、聚合松香、分解的活性剂以及卤化物等活性剂,同锡铅的反应产生的金属盐,未发生变化的松香及活性剂比较易于除去,但具有 潜在危害的反应物清除比较困难。

1.2   有机酸焊剂残留物  

有机酸焊剂(OR)一般是指焊剂中的固体部分是以有机酸为主的焊剂,这类焊剂的残留物,主要是未反应的有机酸,如乙二酸、丁二酸等以及其金属盐类。现在市面上绝大多数所谓无色免清洗助焊剂就是这一类,它主要由多元有机酸组成,也包括常温下无卤素离子, 而焊接高温时可以产生卤离子的化合物,有时也包括极少量的极性树脂,这类残留物中,最 难除去的就是有机酸与焊料形成的盐类,它们的有较强的吸附性能,而溶解性极差。当PCBA 的组装工艺使用水溶性焊剂时,更大量这类残留物及卤化物盐类会产生,但由于及时的水性 清洗,这类残留物可以得到很大程度的降低。

1.3白色残留物

白色残留物在 PCBA 上是常见的污染物,一般是在 PCBA 清洗后或组装一段时间后才 发现。PCB见PCBA 的制装过程的许多方面均可以引起白色残留物(见图 1)。


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图1  在PCBA表面典型的白色残留物

而PCBA 的白色污染物,一般多为焊剂的副产物,但PCB的质量不良,如阻焊漆的吸 附性太强,会增加白色残留物产生的机会。常见的白色残留物是聚合松香,未反应的活化剂以及焊剂与焊料的反应生成物氯化铅或溴化物等,这些物质在吸潮后,体积膨胀,部分物质还与水发生水合反应,白色残留日趋明显。,这些残留物吸附在PCB上除去异常困难。天然 松香在焊接工艺中易产生大量的聚合反应。若过热或高温时间长,出问题更严重,从焊接工艺前后的 PCB表面的松香及残留物的红外光谱分析结果证实这一过程(见图2~3)。

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图2 焊接前松香焊剂中氢化松香的红外光谱(FT-IR)图

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图3  焊接后PCBA表面白色残留物的红外光谱(FT-IR)图


 1.4胶粘剂及油污染

PCBA 的组装工艺中,常会使用到一些黄胶,以及红胶,这些胶用于固定元器件。但由 于工艺检测的原因,常常粘污了电连接部位,此外焊盘保护胶带后撕离的残留物会严重影响 电接性能。另外,部分元件,如小型电位器常涂有过多的润滑油,也会污染PCBA 板面, 这类污染的残留,经常是绝缘的,主要影响电连接性能,一般不会造成腐蚀,漏电等失效问 题。

2    残留物的分析方法

按最近的 EIA/IPC J-STD-001C(电子电气焊接技术要求,2000年2 版)的标准,对 PCBA 组装前各配件表面的残留量以及焊后的 PCBA 的残留量的要求,则首先必须保证各配 件的可焊性的要求,PCB 裸板必须外观清洁,且等价离子残留量小于 1.56mgNaCl/cm2(溶 剂萃取法)。而对 PCBA 除了离子残留量不大于 1.56mgNaCl/cm2 以外,还规定了松香树脂焊 剂残留量的要求,以及外观的要求,具体情况见表 1。

表 1   电子组装工艺残留物与清洁度要求与分析方法


元器件与 PCB

PCBA

分析方法

外观

清洁,不影响

可焊性

清洁,无脏物,锡渣

锡珠及不固定的金属

颗粒均不允许

显微镜或放大镜目测

离子残留物

<1.56mgNaCl  eq./cm2

<1.56mgNaCl   eq./cm2

或由双方商定

IPC-TM-650

2.3.25

2.3.28

松香树脂残留

清洁,无残留

Class1<200mg/cm2

Class2<100mg/cm2

Class3<40mg/cm2

IPC-TM-650

2.3.37

SIR


参考有关标准自定义

EIA/IPC J-STD-001C

有机残留物鉴

清洁,无残留

生产方与用户方商定

限定的物质。

IPC-TM-6502.3.39

 

PCBA 上残留物或清洁度的分析检测方法主要包括外观状况检查,离子性残留物,松香或树脂性残留物,以及其他有机污染物的鉴别等。其主要的检测标准见表1,下面逐个简要介绍。

2.1外观检查 一般可通过目测方式检查,必要时使用放大镜或显微镜,主要观察固体残留物,通常要求PCBA表面必须尽可能清洁,无明显的残留物,但这是一个定性的指标,通常以用户的要求为目标,自己制定检验判断标准,以及检查时使用放大镜的倍数。

2.2   离子性残留物分析方法离子性残留物通常来源于焊剂的活性物质,如卤素离子,酸根离子,以及腐蚀产生的金属离子,结果以单位面积上的氯化钠(NaCl)当量数来表示。即这些离子性残留物(只包 括那些可以溶入在溶剂)的总量,相当于多少的NaCl的量,并非在 PCBA 的表面一定存在 或仅存在 NaCl。测试一般都是采用 IPC方法(IPC-TM-610.2.3.25),其中包括手工萃取法, 动态(仪器)萃取法以及静态(仪器)萃取法。冲洗(或萃取)溶剂(一般是75±2%V/V 异丙醇与 DI 水,或者 50±2%V/V异丙醇与DI 水,后者少用)冲洗 PCBA 表面,将离子残 留物溶解于溶剂中,小心收集溶剂,后测量其电导率(电阻率),如果使用仪器则自动进行。利用离子浓度的高低与电阻率变化的关系求得离子总量,然后除以PCBA的表面积,由此 获得单位面积PCBA上的离子污染值。(mgNaCl/cm2)这种测试一般事先用基准的NaCl配 成溶液,进行校准得到标准曲线。

使用的混合剂电阻率必须大于 6MΩ.cm.。冲洗萃取PCBA 的残留物时,使用的混合剂的 量一般为1.5ml/cm2,最多不超过 10ml/cm2,在操作时,收集的溶剂的体积是不严格的,但总 的用于清洗的体积必须严格记录,同时,由于温度对清洗效果及电阻率的测量影响极大,需 说明测量时的温度条件。此外对PCBA 及 PCBA 面积的测量及计算统一为:未插装元器件 的裸板PCB:长×宽×2,而PCBA由于元件的缘故,表面积的另外最大增加到50%,但一 般情况增加的量为原表面的 10%。

因此PCBA的结果中表示时同时应注明a.溶剂组成b.静态溶剂所用的溶剂体积或动态溶 剂所用的流速,C.测试温度。D.校准情况,E.面积(计算方法)F.测试时间,G   所用仪器。另外静态法与动态法使用的仪器,主要仪器有 IonChaser,Ionognagh以及 OmegaMeter等。它们与用手工萃取法获得的结果的数分别为  3.2/2.0/1.4,因此测量结果必须指明到仪器设 备,此外动态法是可以计录仪器仪器萃取残留物过程电阻率的变化情况,对了解残留物的溶解过程有清晰的了解,并对选择清洗工艺有帮助.

许多情况下,由于各种离子的残留,对 PCBA的可靠性影响是不一样的.不仅需要知道残 留物离子的总量或当量是不够的。我们还需要知道影响较大的卤素离子或其他离子时,就采 用另外一种方法来分析,即按IPC-TM-610.2.3.28规定,使用离子色谱仪对混合溶剂清洗(80

℃,1h)下来的离子,逐个进行测量分析.然后在换算成单位表面的离子残留量,表2为美国 某著名电器公司对空调主板表面的离子清洁度的要求。

表 2   GE公司对PCB &PCBA 表面残留离子的测试要求

Ion Name

IncomingPCBMaximumLevels(ug/in2)

Processed PCBMaximumLevels(ug/in2)

Chlorides(Cl-)

2.5

3.5

Bromides(Br-)

6

10

2-Sulfates(SO4   )

3

3

Fluorides(F-)

<.5


Nitrite()

<.5


Nitrate(NO3-)

<.5


Sodium(Na+)

<3


Potassium(K+)

<3


Calcium(Ca2+)

<.5


Ammonium(NH4+)

<.5


Magnesium(Mg2+)

<.5


Phosphate(PO43-)

<.5


Acetate(CH3COO-)

<8


Formate(HCOO-)

<8


Total

5

18

2.3   松香残留量的分析

电子与电气生产线焊接工艺技术要求中,特别是SMT工艺对 PCBA松香残留量有明确的 要求(见表 1),纯松香的残留对Class2以下的产品一般不会带来显著的可靠性问题,因为 他本身的电绝缘性较好,但是另一方面它可导致接触件的接触电阻增加,增加损耗甚至引起 开路。何况它包裹的离子性物质在松香表面老化后有溢出的可能性,因此从保证PCBA及至 整机可靠性的角度,松香残留物越少越好。

该项目的分析采用 IPC-TM-610。2.3.27规定的标准方法。首先将使用的焊膏或松香焊剂的松香提取出来。配制成不同浓度的溶液,用紫外分光光度计测量吸光度,然后做成标 准曲线。用同样的溶剂浸泡清洗PCBA样品,然后用紫外分光光度计测其吸光度,查标准曲线获得残留松香的浓度,最后获得单位面积上的残留量。

2.4   其它有机才能残留物的测试

    PCBA上除松香外的其它有机物,通常为有机酸以及一些油脂类物质一般采用IPC-TM-6502.3.39  规定的标准方法,即用高纯乙腈将残留物转移到MIR测试盘的表面,等乙腈 挥发后,用 FT-IR方法测量,根据红外光谱的特征吸收,鉴别各有机物的组成。

 

3  残留物对 PCBA 可靠性的影响

过多的残留物除了影响PCBA 的外观外,更重要的是造成功能失效,因此残留物对 PCBA 的可靠性可能造成的影响是可以足够严重的。另外,残留物的类型不同对PCBA 的影 响程度与方式都不一样,树脂性残留物主要会引起接触电阻增大,甚至引起开路;而离子性 的残留物除了会引起绝缘性能下降外,还会引起PCBA 的腐蚀,引起开路或短路,使整个 PCBA 失效。

3.1残留物造成对PCBA的腐蚀

图4是某著名公司的PCBA上失效焊点的外观,该PCBA使用不到半年,失效部位的 焊点已经发白变色且多孔。

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 图4  某公司一PCBA焊点腐蚀外观 

经电子探针分析,发现焊点表面除了碳氧及铅锡成份外,还有检测到超出正常情况含量的卤素(Cl)。这种卤素离子的作用,在空气与水分的帮助下,对焊点形成循环腐蚀,最 终在焊点表面及周边形成白色多孔的碳酸铅,其过程可表示如下: 

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图5  卤素离子对焊料腐蚀的循环过程简图(二氧化碳与水分来自空气)


图6  是卤素离子腐蚀PCBA的又一例子,该PCBA组装时由于使用了铁底材底引线脚 底元器件,铁底材由于缺乏焊料底覆盖,在卤素离子以及水分的腐蚀下很快产生Fe3+,使 版面发红,这些离子的迁移造成该 PCBA 在使用不足半年就发生功能失效。类似例子在我 们的工作中经常遇到。


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 图6  某公司-PCBA腐蚀失效外观

残留离子还可以在 PCB的阻焊漆产生微裂纹时腐蚀 PCB上的导线,图 7 是我们遇到一 例典型失效案例。发黑部位发现较多的卤素,同时在显微镜下检查发现阻焊漆破裂,该板是 在交换机房使用一年左右发现这类失效,导线由于腐蚀形成开路。


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图7  某公司-PCBA导线腐蚀失效外观

3.2引起PCBA 电迁移

在PCBA组装成整机,使用一定时间后,特别是在南方的湿热环境下,如果在PCBA

表面有离子存在,极易发生电迁移现象,即在 PCBA 工作时焊点(盘)间有电场,有水份,离子就会形成定向迁移,最后形成电流通道,造成绝缘性下降,最常见的例子就是不少显示器或电视机在开机时图象模糊或延迟。如果 PCBA 上使用了含银的焊料,在银腐蚀成银离子后,电迁移更易发生,电迁移失效的 PCBA 在进行必要的清洁后功能常常恢复正常。

3.3电接触不良

在 PCBA 的组装工艺中,一些树脂比如松香类残留物常常会污染金手指或其它接插件,在PCBA工作发热时或炎热气候下,残留物会产生粘性,易于吸附灰尘或杂质,引起接触电阻增大甚至开路失效,这就是不少通讯设备(如交换机)和高压电房设备需要定期清洁保养的缘故。

4    PCBA上残留物的控制

通过对PCBA的残留物来源以及残留物可能对PCBA产生的可靠性问题的分析,总结 出控制 PCB残留物的提高其清洁度的基本方法。

4.1控制PCB及元器件清洁度

来料 PCB 与元器件应保证表面无明显污染物,元器件表面的污染物也会因工艺原因带到 PCB 上。一般 PCB 的离子污染应控制在 1.56mgNaCl/cm2以下,元器件在保持可焊性的 同时,要保证同样的清洁度要求。

4.2防止PCBA 转移过程污染

在不少企业,组装好的PCBA 随意堆放,车间环境差,无抽风设备,人员赤手空拳行 事,极易引起PCBA 版面的污染,汗渍污染却不可避免,因此必须采取必要的措施,保证作业条件必要的清洁度要求。

4.3焊料焊剂的选择 

主要包括选用低固态或免清型焊剂,理想的焊剂在工艺中由于预热及焊接热,还有锡波的清洗,会使焊剂中的活性物质得到充分地利用,将清洁度保持到最佳。此外,SMT 使用 的锡膏也一样。部分焊膏的残留物极多,而且去除极难,因此选用非常重要,最好从通过检测的产品中选择进行必要的工艺试验,后再确定。

4.4加强工艺控制

PCBA 的主要残留物来自焊剂。因此在保证焊接质量的条件下,尽可能提高焊接时的预热及焊接温度,以及必要的焊接时间,使尽可能多的离子残留会随高温分解或挥发,从而得 到清洁的 PCBA。此外,其他控制措施,比如采用防潮树脂保护PCBA 的表面,间接地防止 或降低离子残留物的影响,这也不失一个好办法。

4.5使用清洁工艺

目前,绝大部分的 PCBA 的离子污染在清洗前难达到小于 1.56mgNaCl eq./cm2。要么与 用户协商降低要求,否则许多要求高的 PCBA,必须经过严格的清洗工序。清洗时既要针对 松香或树脂,又要针对离子性的残留,根据化学上的相似相溶原理清洗。清洗就是残留物的 溶解过程,因此必须使用极性与非极性的混合溶剂,才能有效的去除 PCBA 的残留。目前 由于环保呼声的膨胀,许多性能好的溶剂可能不被使用(如氟氯烃系列溶剂)。必须选用清洁工艺时,又不能对环境造成新的污染。这对许多厂家而言,确实不是一件容易的事。(水基清洗剂清洗PCBA是一种趋势和应用方向。)

5    结束语

残留物对PCBA可焊性的影响是严重的,所以许多的PCBA失效,都是由于残留物造 成的。在我们要给客户解决的许多个案中有深刻的体会;除了建议生产厂家加强工艺与物料 控制以外,要加强新工艺新技术的研究。我们目前也尽力完善检测的技术手段,为广大厂家或用户分析问题根源,提供改进的措施办法,共同努力减少 PCBA 由于残留物导致的失效, 从而提高 PCBA 的可靠性水平。


来源:SMT技术网



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