免清洗助焊剂残留物的腐蚀性和可靠性影响风险评估

来源:收集 点击数:596 更新时间:2018/5/7 9:26:31

免清洗助焊剂残留物的腐蚀性和可靠性影响风险评估
     在现代电子制造业中,免清洗助焊剂因为易操作,低成本,使用环境要求低,高安全性而广泛地应用于电子产品的生产制造过程中。然而,即使是免清洗助焊剂,如果在焊接制程中助焊剂的成分没有完全分解,其中的活性成分可能导致产品失效。因此,使用者应熟悉并掌握免清洗助焊剂的主要成分及其分解的条件和状态。

     助焊剂的主要化学成分是活化剂、载体、溶剂和添加剂。常用的免洗型助焊剂的活化剂成分为WOA(弱有机酸) ,一般少于4%,其中的离子物质如醋酸盐,琥珀酸盐,已二酸盐等,具有一定的腐蚀性。可能因此而产生开路、短路、孔壁腐蚀、枝晶生长、白色残留物或绿色污染物等。所以需要额外的清洗工序将具有腐蚀作用的助焊剂残留物清洗干净。

      本文将深入研究免清洗助焊剂残留物导致的枝晶生长和ECM(电化学迁移)问题。


 实验计划

      使用经过正常的SMT、波峰焊接和选择性的清洗或烘烤工艺流程的测试板进行研究。用DSC(差示扫描量热)、TGA仪(热重分析)、FTIR(傅里叶变换红外光谱)、C 3(局部清洁度测试)和IC(离子色谱)、GCMS(气相色谱 - 质谱联用)和SIR(表面绝缘电阻)测量来确定助焊剂残留状态。

      所以,利用使用广泛的几款助焊剂类型及其特性设计实验方案及分析计划如下:

HWPT: 高峰值温度

LWPT: 低峰值温度

S1: SMT + 波峰焊接

S2: SMT + 波峰焊接 + 烘烤

S3: SMT + 波峰焊接 + IPA酒精清洗

S4: SMT + 波峰焊接+ 清洗液清洗

S5: SMT + 波峰焊接+ 锡线 + 返修助焊剂 + IPA酒精清洗

S6: SMT + 波峰焊接 + 锡线 + 返修腮颊焊剂 + 清洗液清洗

      波峰焊接工艺中,预热温度是非常重要的环节,特别在免清洗工艺中显得更为重要。因为预热温度将直接影响焊接品质和产品的可靠性。在本研究中,重点关注的是助焊剂的残留物对线路板的腐蚀和污染。对于预热,需要关注的是PCB正面(元件面)峰值温度,所以将热电偶焊接于测试板正反面的相关位置,以测量从预热到波峰焊接完成的整个过程中的温度变化,从而得出在波峰焊接时PCB正面的表面温度。由于PCB反面(焊接面)将直接接触260摄氏度以上的焊锡,助焊剂经过260摄氏度高温后将完全分解,所以本实验将不关注PCB板反面预热温度。所以设计PCB正面预热温度如下:

      低峰值温度目标:155°C; 实际测定:153.1°C

      高峰值温度目标:175°C; 实际测定:171°C


 实验材料准备

      为了模拟实际生产中的使用状况,实验板将使用生产线上正常生产的PCBA板。所以在制造测试板时将使用生产线现有的设备和机器,以正常生产流程制作完成。实验材料和设备规格如下表所示。


 助焊剂特性

▶  DSC/TGA 分析

     DSC是热分析的一种方法,测量由于焓的改变而样品的物理特性和化学特性的变化。TGA是用于测量物体在加热、冷却或在保持恒定温度条件下重量的变化。DSC/ TGA可以用于鉴定材料的熔点,沸点,蒸发和分解温度。

      用DSC/TGA对每种助焊剂原材料进行分析以确定其成份与波峰焊接温度之间的关系,并统计各种助焊剂DSC/ TGA频谱图中的关键值。

▶  GC-MS 分析

      GC-MS分析方法可识别有机物的成分,因此用于分析焊剂中主要活性物质的成分。

1. 水基助焊剂

      水基助焊剂的GC-MS分析结果与前面DSC分析结果相匹配。其所示琥珀酸酐的沸点(261℃)与DSC的第一步分解温度(254.43℃)非常相似,而琥珀酰亚胺的沸点(285-290℃)也与DSC的第二步分解温度(289.96℃)非常吻合。下图分别为水基助焊剂中主要活性成份的离子色谱及其参考沸点。

2. 醇基助焊剂

      和水基助焊剂一样,醇基助焊剂GC-MS测试结果也与DSC的分析结果一致,其所示琥珀酸酐的沸点(261℃)与DSC的第一步分解温度(265.94℃)非常相似。醇类助焊剂和水洗助焊剂同样进行了GCMS分析。

3. 水洗型助焊剂

对于水洗助焊剂,GC-MS结果显示,IPA作为这种类型的助焊剂的主要成分之一。IPA的沸点是82.5℃,这与DSC测试结果显示其蒸发温度是相同的,这表明从DSC获得的蒸发温度是来自于IPA。

▶  FT-IR 分析

      FT-IR 是一种基于分子振动转动的光谱技术。FT-IR图谱(如下左图)可分为两个区,官能团区和指纹区,如图所示。在读取图谱时,需要关注波数和其对应波峰的强度。通过对不同温度下的助焊剂的FT-IR谱图中弱有机酸的纯度进行分析和比较,以判断助焊剂中的活性物质是否完全分解。三种助焊剂的FT-IR 图谱(如下右图)将各自作为参照图用于对比不同温度对其特性的影响。

▶  IC 分析

      离子色谱(IC)是一种分离和判定物质中各种离子含量的分析技术。参照IPC-TM-650 测试方法2.3.28 的试验标准对所有助焊剂进行分析。测出每种助焊剂中所含的弱有机酸(WOA)浓度。测试结果显示,水基助焊剂的WOA值最高,其次是醇类助焊剂,最后是水洗助焊剂。这些都是助焊剂在没有经历任何高温流程的初始值。

      根据某些产品部分电路板表面存在腐蚀性的残留物,尽管业界没有一个判定标准来定义PCBA板上的离子含量,但是IC测试结果显示这些板上的醋酸根离子含量远远高于客户定义的判定标准。因此,评估和对比醋酸根离子成为是接下来的关注重心。


 测试板助焊剂残留数据讨论

▶  IC测试

      IC测试板经过了波峰焊接过程,对它先进行局部萃取(C3),然后用C3萃取溶液作为IC测试样本进行分析。 WOA的最终含量与原材料相比都有不同程度的下降,其中醇类助焊剂的变化最大,而水基助焊剂的WOA含量依然很高。

      根据为水基助焊剂和醇类助焊剂在不同位置,不同工艺条件下的醋酸根离子的含量,可以得到如下结论:

  1. 原料阶段,水基助焊剂弱有机酸含量高于醇类助焊剂和水洗助焊剂。

  2. 波峰焊后,水基助焊剂WOA值仍是最高的,醇类助焊剂WOA最低。

  3. 同一种水基助焊剂,高峰值温度的醋酸根水平较低。

  4. 溢出到正面的助焊剂与反面残留的助焊剂相比,醋酸根离子含量更高。

  5. 对于低峰值温度的水基助焊剂可以通过烘烤来降低醋酸含量。

  6. 烘烤并不能明显降低醇类助焊剂醋酸根离子含量(含量较低)。

▶  FTIR测试

      FT-IR图谱中,弱酸根离子出现在1700 cm-1 波数处。如图所示,反面WOA的吸收峰低于正面。经过烘烤的板反面WOA的吸收峰比没有经过烘烤的板峰值有所下降。这意味着醋酸根离子含量取决于助焊剂所经受的温度,与离子色谱的结果相吻合。

 根据FT-IR分析结果,可以得到以下结论:

  1. 反面板上的WOA的吸收峰低于正面板上的。经过烘烤的板反面WOA的吸收峰比没有经过烘烤的峰值有所下降。这意味着醋酸根离子含量取决于助焊剂所经受的温度,与离子色谱的结果相吻合。

  2. 可以根据得到FT-IR的图谱中1700 cm-1波数的数值作为比较依据,去判断助焊剂所经受的温度。

  3. 羰基(C=O, 1700 cm-1)吸收峰强度的减少表示酸性物质在该温度下发生分解。

▶  SIR 测试

      测试方法IPC-TM-650 2.6.3.7 用来衡量潮湿环境下材料、制造、工艺流程对表面绝缘电阻的影响。测试要求样品在40摄氏度,90%的相对湿度的条件下保持168小时,并且在整个过程中对样品施加12. 5V的偏电压。在SIR测试中,测试板采用正常生产板,没用使用规定的IPC-B-24标准板,目的是为了更好的发现实际生产过程中产品出现问题的可能性。因此,对于结果的判定,不能简单依据J-STD-004的SIR判定标准(不小于100 MΩ),而要参考2.6.25 ECM测试标准(测试板的前后阻值差不能小于10 MΩ)。

      根据三种助焊剂在不同工艺流程中的SIR数据对比(下左图),可以得出下列结论:

  1. 醇类助焊剂比水基助焊剂的阻值高,因此醇类助焊剂发生腐蚀的风险比水基助焊剂低。

  2. 正面高峰值温度的水基助焊剂在经过不同工艺流程时阻值波动较大,其中增加烘烤后的阻值大大提高了。

  3. 正面低峰值温度的水基助焊剂阻值比较低,整体阻值大约在1.00E+02MΩ 上下,因此正面低峰值温度的水基助焊剂发生腐蚀的风险更高。

      根据在相同工艺流程条件下的助焊剂SIR数据对比(上右图),可以得出以下结论:

  1. 醇类助焊剂在168小时的测试中阻值较大并且相对稳定,有轻微下降趋势,但其最低阻值远远大于100 MΩ。

  2. 正面低峰值温度的水基助焊剂阻值有明显的下降,其阻值从4.79E+03 降到3.97E+02 MΩ ,降幅大于10 MΩ,超出了ECM的标准。SIR值下降趋势意味着PCBA已经发生电化学迁移。枝晶会随着时间延长而持续生长并导致电气短路问题。

  3. 正面高峰值温度的水基助焊剂阻值从5.41E+00 升到3.01E+02 MΩ ,整个曲线呈现上升趋势。SIR值上升意味着长时间的高温环境可以蒸发掉残留在板上的极少量弱有机酸,从而降低离子迁移和短路的可能性。

  4. 水基助焊剂试验前初始阻值低于醇类助焊剂是因为水基助焊剂是人为手动涂抹到板上,并且整个试验属于自定义SIR测试,因此这里仅考虑试验结果的发展趋势,并不要求初始值达到一定要求。

  5. 终上所述,醇类助焊剂发生电化学迁移的风险最低。由于它的表面绝缘特性使之受工艺流程的影响最小,因此能应用在各种不同的工艺流程中。


 结论

🔷  通过差示扫描量热法对原材料进行分析的结果说明,水基助焊剂的分解温度高于250°C。这意味着PCB板正面的助焊剂无法经历分解阶段,因此在制程过程中需要避免过量助焊剂从反而溢到正面。

🔷  根据差示扫描量热法测得的水基助焊剂和醇类助焊剂的熔点值,建议控制PCB板正面温度不低于155°C 以确保助焊剂活性组份能完全分解并反应。

🔷  气相液相质谱联用可检测助焊剂中的有机物成分,并帮助理解DSC分析曲线中各成分的热效应。

🔷  离子色谱结果表明水基助焊剂弱有机酸高于醇类助焊剂和水洗助焊剂,因此需要更高的预热温度去蒸发分解助焊剂中的弱有机酸及溶剂等。

🔷   同一种水基助焊剂,高峰值温度会比低峰值温度醋酸残留更少。

🔷  因为正面的温度较低,溢出到正面的助焊剂与反面残留的助焊剂相比,其醋酸根离子的含量更高。

🔷  对于低峰值温度的水基助焊剂可以通过烘烤来降低醋酸含量。

🔷  傅里叶变换红外光谱结果证实了离子色谱分析结果。样品经历高温或者其它额外的工序例如烘烤,弱有机酸的吸收峰值将会升高。

🔷  醇类助焊剂在整个168小时的测试过程中表面绝缘电阻相对稳定,出现电化学迁移的风险最低。而且,它的表面绝缘电阻受工艺流程的影响最小,能更广泛的运用于各种工艺流程中。

🔷  使用水基助焊剂的PCB板正面高峰值温度后再经烘烤流程,其表面绝缘电阻升高,出现离子迁移的可能性大大降低。但是,考虑成本控制的因素这种方式并不理想,因此不作推荐。

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