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涨知识 :残留物与电子PCBA 的可靠性 SMT人速速围观

作者:篮球比分直播科技 时间:2020-07-27 11:44




 

电子信息业的发展趋势对PCBA组装工艺的要求越来越高,而电子整机篮球比分直播的可靠 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.    物的类型来源

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须 使用极性溶剂如水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

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   有机酸焊剂残物 

有机酸焊OR)一是指焊剂的固体部是以有机为主的焊,这类焊的残

 

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 PCBA 的制装过程的许多方面均可以引起白色残留物(见图1

 

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表面的香及残留物的红外光谱分析结果证实这一过程(见图23

 

 

 

 

1.4粘剂及油

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问 题。

2    物的分析

按最近的 EIA/IPC JSTD001C电子电气焊接技术要求20002 的标准 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

 

 1   电子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PCBA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并非在 PCBA 的表面一定存在 或仅存在 NaCl。测试般都是采用 IPCIPC-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±2V/V 异丙醇与 DI 或者 50±2%V/V丙醇与DI 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(电阻率如果使用仪器则自动进。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。

 

使用的合剂电阻率必须大于 6MΩ.cm.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  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.溶组成b.静溶剂所用的溶剂体积或动态溶 剂所用的流速,C.测温度。D.准情况,E.面积(计算方法)F.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 OmegaMeter。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,此外动法是可以录仪器仪萃取残留过程电阻的变化情,对了解留物的溶解过程有清晰的了解,对选择清洗工艺有帮助.

许多情况下,由于各种子的残留, PCBA的可靠性影是不一样的.不仅需要道残 留物离子总量或当是不够的篮球比分直播还需知道影响大的卤素子或其他子时,采 用另外一种方法来分析,即按IPC-TM-610.2.3.28规定,使用子色谱仪对混合溶剂清(80

,1h)来的离子,个进行测量分析.然后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.

 

 2   GE公司对PCB &PCBA 表面残离子的测要求

 

Ion Name

IncomingPCB

MaximumLevels(ug/in2)

Processed PCB

MaximumLevels(ug/in2)

Chlorides(Cl-)

2.5

3.5

Bromides(Br-)

6

10

2-

Sulfates(SO  )

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工对 PCBA松残留量有明确的 要(见表 1纯松香的残留对Class2以下的产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。

该项目的析采用 IPCTM6102.3.27规定的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IPCTM

-6502.3.39  规定的标准方法,即用高纯乙腈将残留物转移到MIR试盘的表面,等乙腈 挥发后,用 FT-IR方法量,根据红外光谱的特征吸收,鉴别各有机物的组成。

 

 物对 PCBA 可靠性影响

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 腐蚀,引起开路或短路,使整个 PCBA 失效。

3.1留物造成对PCBA

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。

 

 

 

引起PCBA 电迁移

PCBA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(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接触不良

 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(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

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 一般 PCB 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 转移程污

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料焊剂的择 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检测的篮球比分直播中选择进行必要的工艺试验,后再确定。

4.4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,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 由于环保声的膨胀许多性能的溶剂可不被使用如氟氯烃列溶剂须选用清洁工艺时,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。

5    

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 成的在篮球比分直播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篮球比分直播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。

 



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