PCBA失效中的电化学迁移与腐蚀研究.docx

PCBA失效中的电化学迁移与腐蚀争论

LIXiaoqian;CAILvqing

【摘要】从实际的案例动身,分析了无铅制程中助焊剂的酸性残留物及卤素离子对组装牢靠性带来的潜在风险:一方面,残留离子会直接腐蚀PCBA组件中的焊点、PCB焊盘或元器件引脚;另一方面,残留离子在水汽、电场的作用下会发生电化学反响,造成腐蚀及电化学迁移,导致开路或短路失效.在PCB走向高密化的条件下,腐蚀和电迁移的风险提高,相应地对PCBA组件清洁状况的要求和管控也会变得更加严格.

【期刊名称】《电子产品牢靠性与环境试验》

【年(卷),期】2023(037)001

【总页数】5页(P42-46)

【关键词】无铅制程;腐蚀;电化学迁移

【作者】LIXiaoqian;CAILvqing

【作者单位】

【正文语种】中文

【中图分类】TN41

0引言

由于以欧盟RoHS指令为代表的国内外相关环保法规的要求,含有铅等6种有害物质的电子材料或工艺被制止使用,取而代之的是无铅无卤化制程。但无铅无卤化制

程并不是将有铅焊料更换为无铅焊料,或者将含有卤素的助焊剂、PCB基材等物料

更换为无卤物料这么简洁。由于工艺制程、物料辅料等因素的变化,电子组装工艺技术与产品的牢靠性也迎来了更加严峻的挑战,同时一些长期牢靠性问题日益凸显,比方离子残留导致的PCBA组件的腐蚀与电迁移问题。

争论觉察,组装制程中的离子残留主要来源于以下两个方面。a〕由于无铅焊料的润湿性能较差,组装缺陷率较高,对此,最直接的解决方法就是提升助焊剂的活性。但是助焊剂活性提高就意味着活性物质的含量增加,这些活性物质往往具有较强的腐蚀性,假设焊接工艺协作不当导致活性物质残留在焊点四周或者线路板上,则常常会引起腐蚀、电化学迁移等牢靠性问题[1-2]。b〕基于制程残留物对产品牢靠性的影响,以及对于环境友好、本钱效益等综合因素的考量,目前在PCBA制程中,越来越多的厂商选择免清洗或简洁清洗工艺。免清洗助焊剂残留物相对稳定,且残留量低,对于非高牢靠性的电子产品,使用免清洗助焊剂可以到达削减工序、降低本钱和削减有毒有害溶剂挥发等目的[3]。然而,众多厂商觉察,承受免清洗或简洁清洗工艺后,假设不能保证板面的离子残留干净,PCBA组件在储存或在客户端使用一段时间后,更易发生板面腐蚀或电化学迁移。

以下从两个案例动身,介绍板面离子残留较多而对产品牢靠性产生的影响和危害。1案例

案例1

某能源汽车上的电机掌握组件〔PEU:PowerElectronicUnit〕在整机试验阶段,其插装焊点四周的板面消灭腐蚀,如图1所示。腐蚀较严峻的两个区域,其外接电平在±15V之间跳变,并且试验时板面较潮湿,可见凝露,而PCB外表未涂覆三防胶防护。另外,插装焊点承受波峰焊接,助焊剂承受免清洗助焊剂,并且焊后未清洗。

图1PEU腐蚀区域外观光学照片

对腐蚀区域进展扫描电镜和能谱分析〔SEMEDS〕,结果觉察:1〕焊点之间可见大

量的枝晶状物质,经EDS元素分析可知是锡〔Sn〕枝晶,另外可见较为明显的迁移路径和Sn的沉积；2〕腐蚀区域可检测到少量的硫〔S〕元素和含量很高的氧

〔O〕元素,由于PCB板外表的阻焊膜中也含有S元素,因而不能判定S元素会引发金属腐蚀,需要进一步地利用离子色谱分析来确认板面是否存在离子态的硫,但是O元素的含量明显地偏高,说明相关的金属元素〔Sn、Cu〕被氧化或腐蚀,如图2所示。

图2腐蚀区域SEMEDS结果

对PCB板面进展离子色谱分析,结果觉察腐蚀区域可检测到Cl-和SO42-,含量分别为1.08μg/cm2和1.35μg/cm2,而未腐蚀区域仅可检测出含量为0.24μg/cm2的Cl-。而目前行业内从避开PCBA由于发生腐蚀及电迁移而导致失效的角度考虑,对承受免清洗工艺的PCB组件,要求Cl-和SO42-均应不高于0.5μg/cm2。

因此可见,PEU组件上的插装焊点在残留离子、变化的电场和水汽的作用下生成Sn2+,Sn2+向阴极迁移,由于电场的时断时续,Sn2+结晶析出而形成枝晶。

案例2

某电动汽车上的电池治理组件〔BMU:BatteryManagementUnit〕上机后不久在插装焊点四周的板面上消灭腐蚀、线路断开,如图3所示。其中,插装焊点承受手工焊接,焊后未清洗,外表涂覆了三防胶,并且组件的工作环境的温湿度较高。

图3BMU腐蚀区域外观光学照片

腐蚀区域的X-Ray检查觉察导线断开,而阻焊膜掩盖下的内部导线未见开裂,如图4所