漲知識(shí) :殘留物與電子PCBA 的可靠性 SMT人速速圍觀

電子信息業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)PCBA的組裝工藝的要求越來越高，而電子整機(jī)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(xiàn)PCBA上的殘留物對(duì)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 性問題常常是用戶使用一段時(shí)間后才發(fā)生，同時(shí)各廠家的技術(shù)手段所限，沒有能夠?qū)⑦@些失 效現(xiàn)象與殘留物的存在聯(lián)系起來，也就無法了解和評(píng)估殘留物對(duì)PCBA的可靠性的影響。而在殘留物中，無機(jī)殘留物會(huì)減小絕緣電阻，增加焊點(diǎn)或?qū)Ь€間的漏電流，在潮濕空氣條件 下，會(huì)使金屬表面腐蝕，有機(jī)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(zhǎng)會(huì)加劇， 引起接觸不良甚至開路失效。

因此，為了 PCBA 的可靠性和質(zhì)量，必須嚴(yán)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源、分析方法、然后詳細(xì)分析殘留物對(duì)PCBA 可 靠性的影響并提出對(duì)殘留物的控制措施與方法。

1.    殘留物的類型及來源

PCBA 上殘留物主要來源于組裝工藝過程，特別是焊接工藝過程。如使用的助焊劑殘 留物，焊劑與焊料的反應(yīng)副產(chǎn)物，膠粘劑，潤(rùn)滑油等殘留。其他一些來源的潛在危害性相對(duì) 較小，比如元器件及 PCB 本身生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)葞淼奈廴疚?、汗?jié)n等。這些殘留物一般可以分 為三大類。一類是非極性殘留物，主要包括松香，樹脂，膠，潤(rùn)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(yīng)產(chǎn)生的鹽類，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。還有一類殘留物為弱極性地殘留物，主要包括來自焊劑中的 有機(jī)酸堿，這些物質(zhì)的去除要獲得良好地效果，則必須使用復(fù)合溶劑。下面具體地介紹殘留 物基本類別。

1.1   松香焊劑的殘留物 

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

機(jī)溶劑載體組成，有機(jī)溶劑在工藝過程中會(huì)因高溫而揮發(fā)除去。鹵化物有機(jī)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(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程改變了殘留物的結(jié)構(gòu)。產(chǎn)物可以是未反應(yīng)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(yīng)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(yīng)物清除比較困難。

1.2   有機(jī)酸焊劑殘留物 

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

留物，主要是未反應(yīng)的有機(jī)酸，如乙二酸、丁二酸等以及其金屬鹽類。現(xiàn)在市面上絕大多數(shù)所謂無色免清洗助焊劑就是這一類，它主要由多元有機(jī)酸組成，也包括常溫下無鹵素離子， 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脂，這類殘留物中，最 難除去的就是有機(jī)酸與焊料形成的鹽類，它們的有較強(qiáng)的吸附性能，而溶解性極差。當(dāng)PCBA 的組裝工藝使用水溶性焊劑時(shí)，更大量這類殘留物及鹵化物鹽類會(huì)產(chǎn)生，但由于及時(shí)的水性 清洗，這類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(xiàn)。PCB見 PCBA 的制裝過程的許多方面均可以引起白色殘留物（見圖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(qiáng)，會(huì)增加白色殘留物產(chǎn)生的機(jī)會(huì)。常見的白色殘留物是聚合松香，未反應(yīng)的活化劑以及焊劑與焊料的反應(yīng)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(yīng)，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(yīng)。若過熱或高溫時(shí)間長(zhǎng)，出問題更嚴(yán)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(jié)果證實(shí)這一過程（見圖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(cè)的原因，常常粘污了電連接部位，此外焊盤保護(hù)膠帶后撕離的殘留物會(huì)嚴(yán)重影響 電接性能。另外，部分元件，如小型電位器常涂有過多的潤(rùn)滑油，也會(huì)污染PCBA 板面， 這類污染的殘留，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 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(biāo)準(zhǔn)，對(duì) 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 裸板必須外觀清潔，且等價(jià)離子殘留量小于1.56mgNaCl/cm2（溶 劑萃取法）。而對(duì) PCBA 除了離子殘留量不大于1.56mgNaCl/cm2 以外，還規(guī)定了松香樹脂焊 劑殘留量的要求，以及外觀的要求，具體情況見表 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(cè)方法主要包括外觀狀況檢查，離子性殘留物，松香或樹

脂性殘留物，以及其他有機(jī)污染物的鑒別等。其主要的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)見表1，下面逐個(gè)簡(jiǎn)要介紹。

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

2.2   離子性殘留物分析方法

離子性殘留物通常來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(jié)果以單位面積上的氯化鈉（NaCl）當(dāng)量數(shù)來表示。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(dāng)于多少的NaCl的量，并非在 PCBA 的表面一定存在 或僅存在 NaCl。測(cè)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(cè)量其電導(dǎo)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(cè)試一般事先用基準(zhǔn)的NaCl配 成溶液，進(jìn)行校準(zhǔn)得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。

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 10ml/cm2，在操作時(shí)，收集的溶劑的體積是不嚴(yán)格的，但總 的用于清洗的體積必須嚴(yán)格記錄，同時(shí)，由于溫度對(duì)清洗效果及電阻率的測(cè)量影響極大，需 說明測(cè)量時(shí)的溫度條件。此外對(duì) PCBA 及 PCBA 面積的測(cè)量及計(jì)算統(tǒng)一為：未插裝元器件 的裸板PCB：長(zhǎng)×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(jié)果中表示時(shí)同時(shí)應(yīng)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(cè)試溫度。D.校準(zhǔn)情況，E.面積（計(jì)算方法）F.測(cè)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(jié)果的數(shù)分別為  3.2/2.0/1.4,因此測(cè)量結(jié)果必須指明到儀器設(shè) 備,此外動(dòng)態(tài)法是可以計(jì)錄儀器儀器萃取殘留物過程電阻率的變化情況，對(duì)了解殘留物的溶解過程有清晰的了解,并對(duì)選擇清洗工藝有幫助.

許多情況下,由于各種離子的殘留,對(duì) 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(dāng)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 用另外一種方法來分析,即按IPC-TM-610.2.3.28規(guī)定,使用離子色譜儀對(duì)混合溶劑清洗（80

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

表 2   GE公司對(duì)PCB &PCBA 表面殘留離子的測(cè)試要求

2.3   松香殘留量的分析

電子與電氣生產(chǎn)線焊接工藝技術(shù)要求中，特別是SMT工藝對(duì) PCBA松香殘留量有明確的 要求（見表 1），純松香的殘留對(duì)Class2以下的產(chǎn)品一般不會(huì)帶來顯著的可靠性問題，因?yàn)?他本身的電絕緣性較好，但是另一方面它可導(dǎo)致接觸件的接觸電阻增加，增加損耗甚至引起 開路。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(jī)可靠性的角度，松香殘留物越少越好。

該項(xiàng)目的分析采用 IPC－TM－610。2.3.27規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。首先將使用的焊膏或松香焊劑的松香提取出來。配制成不同濃度的溶液，用紫外分光光度計(jì)測(cè)量吸光度，然后做成標(biāo) 準(zhǔn)曲線。用同樣的溶劑浸泡清洗PCBA樣品，然后用紫外分光光度計(jì)測(cè)其吸光度，查標(biāo)準(zhǔn)曲

線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(jī)才能殘留物的測(cè)試

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

－6502.3.39  規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，即用高純乙腈將殘留物轉(zhuǎn)移到MIR測(cè)試盤的表面，等乙腈 揮發(fā)后，用 FT－IR方法測(cè)量，根據(jù)紅外光譜的特征吸收，鑒別各有機(jī)物的組成。

3  殘留物對(duì) PCBA 可靠性的影響

過多的殘留物除了影響PCBA 的外觀外，更重要的是造成功能失效，因此殘留物對(duì) PCBA 的可靠性可能造成的影響是可以足夠嚴(yán)重的。另外，殘留物的類型不同對(duì)PCBA 的影 響程度與方式都不一樣，樹脂性殘留物主要會(huì)引起接觸電阻增大，甚至引起開路；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，引起開路或短路，使整個(gè) PCBA 失效。

3.1殘留物造成對(duì)PCBA的腐蝕

圖4是某著名公司的PCBA上失效焊點(diǎn)的外觀，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(jī)，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(xiàn)象，即在 PCBA 工作時(shí)焊點(diǎn)（盤）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，最常見的例子就是不少顯示器或電視機(jī)在開機(jī)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常恢復(fù)正常。

3.3電接觸不良

在 PCBA 的組裝工藝中，一些樹脂比如松香類殘留物常常會(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路失效，這就是不少通訊設(shè)備（如交換機(jī)）和高壓電房設(shè)備需要定期清潔保養(yǎng)的緣故。

4    PCBA上殘留物的控制

通過對(duì)PCBA的殘留物來源以及殘留物可能對(duì)PCBA產(chǎn)生的可靠性問題的分析，總結(jié) 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

來料 PCB 與元器件應(yīng)保證表面無明顯污染物，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(yīng)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(zhuǎn)移過程污染。

在不少企業(yè)，組裝好的PCBA 隨意堆放，車間環(huán)境差，無抽風(fēng)設(shè)備，人員赤手空拳行 事，極易引起PCBA 版面的污染，汗?jié)n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(yù)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，最好從通過檢測(cè)的產(chǎn)品中選擇進(jìn)行必要的工藝試驗(yàn)，后再確定。

4.4加強(qiáng)工藝控制

PCBA 的主要?dú)埩粑飦碜院竸?。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(yù)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，比如采用防潮樹脂保護(hù)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(dá)到小于1.56mgNaCl eq./cm2。要么與 用戶協(xié)商降低要求，否則許多要求高的 PCBA，必須經(jīng)過嚴(yán)格的清洗工序。清洗時(shí)既要針對(duì) 松香或樹脂，又要針對(duì)離子性的殘留，根據(jù)化學(xué)上的相似相溶原理清洗。清洗就是殘留物的 溶解過程，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(duì)環(huán)境造成新的污染。這對(duì)許多廠家而言，確實(shí)不是一件容易的事。

5    結(jié)束語

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