漲知識 :殘留物與電子PCBA 的可靠性 SMT人速速?lài)^(guān)

電子信息業(yè)的發(fā)展趨勢對PCBA的組裝工藝的要求越來(lái)越高，而電子整機產(chǎn)品的可靠 性和質(zhì)量主要決定于PCBA的可靠性和質(zhì)量水平，在工藝實(shí)踐以及PCBA的失效分析中， 作者發(fā)現PCBA上的殘留物對PCBA的可靠性水平影響極大，但不為人們特別是工藝工程 師或相關(guān)的品質(zhì)控制人員的重視，盡管這種狀況目前正在發(fā)生變化。但由于PCBA的可靠 性問(wèn)題常常是用戶(hù)使用一段時(shí)間后才發(fā)生，同時(shí)各廠(chǎng)家的技術(shù)手段所限，沒(méi)有能夠將這些失 效現象與殘留物的存在聯(lián)系起來(lái)，也就無(wú)法了解和評估殘留物對PCBA的可靠性的影響。而在殘留物中，無(wú)機殘留物會(huì )減小絕緣電阻，增加焊點(diǎn)或導線(xiàn)間的漏電流，在潮濕空氣條件 下，會(huì )使金屬表面腐蝕，有機殘留物（如松香、油脂等）會(huì )形成絕緣膜，這會(huì )防礙連接器、 開(kāi)關(guān)、繼電器等的接觸表面之間的電接觸，這些影響會(huì )隨環(huán)境條件的變化及時(shí)間延長(cháng)會(huì )加劇， 引起接觸不良甚至開(kāi)路失效。

因此，為了 PCBA 的可靠性和質(zhì)量，必須嚴格控制殘留物的存在，必要時(shí)必須徹底清 除這些污染物。本文首先介紹殘留物的來(lái)源、分析方法、然后詳細分析殘留物對PCBA 可 靠性的影響并提出對殘留物的控制措施與方法。

1.    殘留物的類(lèi)型及來(lái)源

PCBA 上殘留物主要來(lái)源于組裝工藝過(guò)程，特別是焊接工藝過(guò)程。如使用的助焊劑殘 留物，焊劑與焊料的反應副產(chǎn)物，膠粘劑，潤滑油等殘留。其他一些來(lái)源的潛在危害性相對 較小，比如元器件及 PCB 本身生產(chǎn)運輸等帶來(lái)的污染物、汗漬等。這些殘留物一般可以分 為三大類(lèi)。一類(lèi)是非極性殘留物，主要包括松香，樹(shù)脂，膠，潤滑油等。這些殘留物只能用 非極性溶劑進(jìn)行清洗方可較好地除去。第二類(lèi)是極性殘留物，也叫離子性殘留物，主要包括 焊劑中地活性物質(zhì)，如鹵素離子，各種反應產(chǎn)生的鹽類(lèi)，這些殘留物需要較好地除盡，必須 使用極性溶劑，如水，甲醇等。還有一類(lèi)殘留物為弱極性地殘留物，主要包括來(lái)自焊劑中的 有機酸堿，這些物質(zhì)的去除要獲得良好地效果，則必須使用復合溶劑。下面具體地介紹殘留 物基本類(lèi)別。

1.1   松香焊劑的殘留物 

含有松香或改性樹(shù)脂的焊劑，主要是由非極性的松香樹(shù)脂及少量的鹵化物與有機酸，有

機溶劑載體組成，有機溶劑在工藝過(guò)程中會(huì )因高溫而揮發(fā)除去。鹵化物有機酸（如己二酸）等活性物質(zhì)主要是去除被焊表面的氧化層，改進(jìn)焊接效果，但是在焊接中，復雜的化學(xué)反應過(guò)程改變了殘留物的結構。產(chǎn)物可以是未反應的松香、聚合松香、分解的活性劑以及鹵化物等活性劑，同錫鉛的反應產(chǎn)生的金屬鹽，未發(fā)生變化的松香及活性劑比較易于除去，但具有 潛在危害的反應物清除比較困難。

1.2   有機酸焊劑殘留物 

有機酸焊劑（OR）一般是指焊劑中的固體部分是以有機酸為主的焊劑，這類(lèi)焊劑的殘

留物，主要是未反應的有機酸，如乙二酸、丁二酸等以及其金屬鹽類(lèi)。現在市面上絕大多數所謂無(wú)色免清洗助焊劑就是這一類(lèi)，它主要由多元有機酸組成，也包括常溫下無(wú)鹵素離子， 而焊接高溫時(shí)可以產(chǎn)生鹵離子的化合物，有時(shí)也包括極少量的極性樹(shù)脂，這類(lèi)殘留物中，最 難除去的就是有機酸與焊料形成的鹽類(lèi)，它們的有較強的吸附性能，而溶解性極差。當PCBA 的組裝工藝使用水溶性焊劑時(shí)，更大量這類(lèi)殘留物及鹵化物鹽類(lèi)會(huì )產(chǎn)生，但由于及時(shí)的水性 清洗，這類(lèi)殘留物可以得到很大程度的降低。

1.3白色殘留物

白色殘留物在 PCBA 上是常見(jiàn)的污染物，一般是在 PCBA 清洗后或組裝一段時(shí)間后才 發(fā)現。PCB見(jiàn) PCBA 的制裝過(guò)程的許多方面均可以引起白色殘留物（見(jiàn)圖1）。

而PCBA 的白色污染物，一般多為焊劑的副產(chǎn)物，但PCB的質(zhì)量不良，如阻焊漆的吸 附性太強，會(huì )增加白色殘留物產(chǎn)生的機會(huì )。常見(jiàn)的白色殘留物是聚合松香，未反應的活化劑以及焊劑與焊料的反應生成物氯化鉛或溴化物等，這些物質(zhì)在吸潮后，體積膨脹，部分物質(zhì)還與水發(fā)生水合反應，白色殘留日趨明顯。，這些殘留物吸附在PCB上除去異常困難。天然 松香在焊接工藝中易產(chǎn)生大量的聚合反應。若過(guò)熱或高溫時(shí)間長(cháng)，出問(wèn)題更嚴重，從焊接工藝前后的 PCB表面的松香及殘留物的紅外光譜分析結果證實(shí)這一過(guò)程（見(jiàn)圖2～3）。

1.4膠粘劑及油污染

PCBA 的組裝工藝中，常會(huì )使用到一些黃膠，以及紅膠，這些膠用于固定元器件。但由 于工藝檢測的原因，常常粘污了電連接部位，此外焊盤(pán)保護膠帶后撕離的殘留物會(huì )嚴重影響 電接性能。另外，部分元件，如小型電位器常涂有過(guò)多的潤滑油，也會(huì )污染PCBA 板面， 這類(lèi)污染的殘留，經(jīng)常是絕緣的，主要影響電連接性能，一般不會(huì )造成腐蝕，漏電等失效問(wèn) 題。

2    殘留物的分析方法

按最近的 EIA/IPC J－STD－001C（電子電氣焊接技術(shù)要求，2000年2 版）的標準，對 PCBA 組裝前各配件表面的殘留量以及焊后的 PCBA 的殘留量的要求，則首先必須保證各配 件的可焊性的要求，PCB 裸板必須外觀(guān)清潔，且等價(jià)離子殘留量小于1.56mgNaCl/cm2（溶 劑萃取法）。而對 PCBA 除了離子殘留量不大于1.56mgNaCl/cm2 以外，還規定了松香樹(shù)脂焊 劑殘留量的要求，以及外觀(guān)的要求，具體情況見(jiàn)表 1。

表 1   電子組裝工藝殘留物與清潔度要求與分析方法

PCBA 上殘留物或清潔度的分析檢測方法主要包括外觀(guān)狀況檢查，離子性殘留物，松香或樹(shù)

脂性殘留物，以及其他有機污染物的鑒別等。其主要的檢測標準見(jiàn)表1，下面逐個(gè)簡(jiǎn)要介紹。

2.1外觀(guān)檢查 一般可通過(guò)目測方式檢查，必要時(shí)使用放大鏡或顯微鏡，主要觀(guān)察固體殘留物，通常要求PCBA表面必須盡可能清潔，無(wú)明顯的殘留物，但這是一個(gè)定性的指標，通常以用戶(hù)的要求為目標，自己制定檢驗判斷標準，以及檢查時(shí)使用放大鏡的倍數。

2.2   離子性殘留物分析方法

離子性殘留物通常來(lái)源于焊劑的活性物質(zhì)，如鹵素離子，酸根離子，以及腐蝕產(chǎn)生的金

屬離子，結果以單位面積上的氯化鈉（NaCl）當量數來(lái)表示。即這些離子性殘留物（只包 括那些可以溶入在溶劑）的總量，相當于多少的NaCl的量，并非在 PCBA 的表面一定存在 或僅存在 NaCl。測試一般都是采用 IPC方法（IPC-TM-610.2.3.25），其中包括手工萃取法， 動(dòng)態(tài)（儀器）萃取法以及靜態(tài)（儀器）萃取法。沖洗（或萃?。┤軇ㄒ话闶?/span>75±2％V/V 異丙醇與 DI 水，或者 50±2％V/V異丙醇與DI 水，后者少用）沖洗 PCBA 表面，將離子殘 留物溶解于溶劑中，小心收集溶劑，后測量其電導率（電阻率），如果使用儀器則自動(dòng)進(jìn)行。利用離子濃度的高低與電阻率變化的關(guān)系求得離子總量，然后除以PCBA的表面積，由此 獲得單位面積PCBA上的離子污染值。（mgNaCl/cm2）這種測試一般事先用基準的NaCl配 成溶液，進(jìn)行校準得到標準曲線(xiàn)。

使用的混合劑電阻率必須大于 6MΩ.cm.。沖洗萃取PCBA 的殘留物時(shí)，使用的混合劑的 量一般為 1.5ml/cm2,最多不超過(guò) 10ml/cm2，在操作時(shí)，收集的溶劑的體積是不嚴格的，但總 的用于清洗的體積必須嚴格記錄，同時(shí)，由于溫度對清洗效果及電阻率的測量影響極大，需 說(shuō)明測量時(shí)的溫度條件。此外對 PCBA 及 PCBA 面積的測量及計算統一為：未插裝元器件 的裸板PCB：長(cháng)×寬×2，而PCBA由于元件的緣故，表面積的另外最大增加到50％，但一 般情況增加的量為原表面的 10％。

因此PCBA的結果中表示時(shí)同時(shí)應注明a.溶劑組成b.靜態(tài)溶劑所用的溶劑體積或動(dòng)態(tài)溶 劑所用的流速，C.測試溫度。D.校準情況，E.面積（計算方法）F.測試時(shí)間，G   所用儀器。另外靜態(tài)法與動(dòng)態(tài)法使用的儀器，主要儀器有 IonChaser,Ionognagh以及 OmegaMeter等。它們與用手工萃取法獲得的結果的數分別為  3.2/2.0/1.4,因此測量結果必須指明到儀器設 備,此外動(dòng)態(tài)法是可以計錄儀器儀器萃取殘留物過(guò)程電阻率的變化情況，對了解殘留物的溶解過(guò)程有清晰的了解,并對選擇清洗工藝有幫助.

許多情況下,由于各種離子的殘留,對 PCBA的可靠性影響是不一樣的.不僅需要知道殘 留物離子的總量或當量是不夠的。我們還需要知道影響較大的鹵素離子或其他離子時(shí),就采 用另外一種方法來(lái)分析,即按IPC-TM-610.2.3.28規定,使用離子色譜儀對混合溶劑清洗（80

℃，1h）下來(lái)的離子,逐個(gè)進(jìn)行測量分析.然后在換算成單位表面的離子殘留量,表2為美國 某著(zhù)名電器公司對空調主板表面的離子清潔度的要求.

表 2   GE公司對PCB &PCBA 表面殘留離子的測試要求

2.3   松香殘留量的分析

電子與電氣生產(chǎn)線(xiàn)焊接工藝技術(shù)要求中，特別是SMT工藝對 PCBA松香殘留量有明確的 要求（見(jiàn)表 1），純松香的殘留對Class2以下的產(chǎn)品一般不會(huì )帶來(lái)顯著(zhù)的可靠性問(wèn)題，因為 他本身的電絕緣性較好，但是另一方面它可導致接觸件的接觸電阻增加，增加損耗甚至引起 開(kāi)路。何況它包裹的離子性物質(zhì)在松香表面老化后有溢出的可能性，因此從保證PCBA及至 整機可靠性的角度，松香殘留物越少越好。

該項目的分析采用 IPC－TM－610。2.3.27規定的標準方法。首先將使用的焊膏或松香焊劑的松香提取出來(lái)。配制成不同濃度的溶液，用紫外分光光度計測量吸光度，然后做成標 準曲線(xiàn)。用同樣的溶劑浸泡清洗PCBA樣品，然后用紫外分光光度計測其吸光度，查標準曲

線(xiàn)獲得殘留松香的濃度，最后獲得單位面積上的殘留量。

2.4   其它有機才能殘留物的測試

PCBA上除松香外的其它有機物，通常為有機酸以及一些油脂類(lèi)物質(zhì)一般采用IPC－TM

－6502.3.39  規定的標準方法，即用高純乙腈將殘留物轉移到MIR測試盤(pán)的表面，等乙腈 揮發(fā)后，用 FT－IR方法測量，根據紅外光譜的特征吸收，鑒別各有機物的組成。

3  殘留物對 PCBA 可靠性的影響

過(guò)多的殘留物除了影響PCBA 的外觀(guān)外，更重要的是造成功能失效，因此殘留物對 PCBA 的可靠性可能造成的影響是可以足夠嚴重的。另外，殘留物的類(lèi)型不同對PCBA 的影 響程度與方式都不一樣，樹(shù)脂性殘留物主要會(huì )引起接觸電阻增大，甚至引起開(kāi)路；而離子性 的殘留物除了會(huì )引起絕緣性能下降外，還會(huì )引起PCBA 的腐蝕，引起開(kāi)路或短路，使整個(gè) PCBA 失效。

3.1殘留物造成對PCBA的腐蝕

圖4是某著(zhù)名公司的PCBA上失效焊點(diǎn)的外觀(guān)，該PCBA使用不到半年，失效部位的 焊點(diǎn)已經(jīng)發(fā)白變色且多孔。

引起PCBA 電遷移

在PCBA組裝成整機，使用一定時(shí)間后，特別是在南方的濕熱環(huán)境下，如果在PCBA

表面有離子存在，極易發(fā)生電遷移現象，即在 PCBA 工作時(shí)焊點(diǎn)（盤(pán)）間有電場(chǎng)，有水份，

離子就會(huì )形成定向遷移，最后形成電流通道，造成絕緣性下降，最常見(jiàn)的例子就是不少顯示器或電視機在開(kāi)機時(shí)圖象模糊或延遲。如果 PCBA 上使用了含銀的焊料，在銀腐蝕成銀離子后，電遷移更易發(fā)生，電遷移失效的 PCBA 在進(jìn)行必要的清潔后功能常?；謴驼?。

3.3電接觸不良

在 PCBA 的組裝工藝中，一些樹(shù)脂比如松香類(lèi)殘留物常常會(huì )污染金手指或其它接插件，在PCBA工作發(fā)熱時(shí)或炎熱氣候下，殘留物會(huì )產(chǎn)生粘性，易于吸附灰塵或雜質(zhì)，引起接觸電阻增大甚至開(kāi)路失效，這就是不少通訊設備（如交換機）和高壓電房設備需要定期清潔保養的緣故。

4    PCBA上殘留物的控制

通過(guò)對PCBA的殘留物來(lái)源以及殘留物可能對PCBA產(chǎn)生的可靠性問(wèn)題的分析，總結 出控制 PCB殘留物的提高其清潔度的基本方法。

4.1控制PCB及元器件清潔度

來(lái)料 PCB 與元器件應保證表面無(wú)明顯污染物，元器件表面的污染物也會(huì )因工藝原因帶到 PCB 上。一般 PCB 的離子污染應控制在 1.56mgNaCl/cm2以下，元器件在保持可焊性的 同時(shí)，要保證同樣的清潔度要求。

4.2防止PCBA 轉移過(guò)程污染。

在不少企業(yè)，組裝好的PCBA 隨意堆放，車(chē)間環(huán)境差，無(wú)抽風(fēng)設備，人員赤手空拳行 事，極易引起PCBA 版面的污染，汗漬污染卻不可避免，因此必須采取必要的措施，保證作業(yè)條件必要的清潔度要求。

4.3焊料焊劑的選擇 主要包括選用低固態(tài)或免清型焊劑，理想的焊劑在工藝中由于預熱及焊接熱，還有錫波

的清洗，會(huì )使焊劑中的活性物質(zhì)得到充分地利用，將清潔度保持到最佳。此外，SMT使用 的錫膏也一樣。部分焊膏的殘留物極多，而且去除極難，因此選用非常重要，最好從通過(guò)檢測的產(chǎn)品中選擇進(jìn)行必要的工藝試驗，后再確定。

4.4加強工藝控制

PCBA 的主要殘留物來(lái)自焊劑。因此在保證焊接質(zhì)量的條件下，盡可能提高焊接時(shí)的預熱及焊接溫度，以及必要的焊接時(shí)間，使盡可能多的離子殘留會(huì )隨高溫分解或揮發(fā)，從而得 到清潔的 PCBA。此外，其他控制措施，比如采用防潮樹(shù)脂保護PCBA的表面，間接地防止 或降低離子殘留物的影響，這也不失一個(gè)好辦法。

4.5使用清潔工藝

目前，絕大部分的 PCBA 的離子污染在清洗前難達到小于1.56mgNaCl eq./cm2。要么與 用戶(hù)協(xié)商降低要求，否則許多要求高的 PCBA，必須經(jīng)過(guò)嚴格的清洗工序。清洗時(shí)既要針對 松香或樹(shù)脂，又要針對離子性的殘留，根據化學(xué)上的相似相溶原理清洗。清洗就是殘留物的 溶解過(guò)程，因此必須使用極性與非極性的混合溶劑，才能有效的去除 PCBA 的殘留。目前 由于環(huán)保呼聲的膨脹，許多性能好的溶劑可能不被使用（如氟氯烴系列溶劑）。必須選用清潔工藝時(shí)，又不能對環(huán)境造成新的污染。這對許多廠(chǎng)家而言，確實(shí)不是一件容易的事。

5    結束語(yǔ)

殘留物對PCBA可焊性的影響是嚴重的，所以許多的PCBA失效，都是由于殘留物造 成的。在我們要給客戶(hù)解決的許多個(gè)案中有深刻的體會(huì )；除了建議生產(chǎn)廠(chǎng)家加強工藝與物料 控制以外，要加強新工藝新技術(shù)的研究。我們目前也盡力完善檢測的技術(shù)手段，為廣大廠(chǎng)家或用戶(hù)分析問(wèn)題根源，提供改進(jìn)的措施辦法，共同努力減少PCBA 由于殘留物導致的失效， 從而提高 PCBA 的可靠性水平。