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      助焊劑殘留為何會導致電子故障?

      2021-03-25 | 來源:?本站

      摘要:無論使用何種助焊劑,總會在焊接后的PCB及焊點上留下或多或少的殘留物,這些殘留物不僅影響PCBA的外觀,更可怕的是構成了對PCB可靠性的潛在威脅;特別是電子產品長時間在高溫潮濕條件下工作時,殘留物便可能導致線路絕緣老化以及腐蝕等問題,進而出現絕緣電阻(SIR)下降及電化學遷移(ECM)的發生。隨著電子行業無鉛化要求的全面實施,相伴錫膏而生的助焊劑也走過了松香(樹脂)助焊劑、水溶性助焊劑到今天廣泛使用的免洗助焊劑的發展歷程,然而其殘留物的影響始終是大家尤為關心的方面。


      焊接有四種主要方法:

      表面貼裝回流焊接(SMT)

      全板波峰焊接

      選擇性焊接

      手工焊接


      每種方法都會留下不同程度的風險,導致存在助焊劑殘留物,可能會導致故障。SMT焊接方式的風險最低,而使用液體助焊劑的風險最高。了解應用過程,助焊劑中的成分以及助焊劑制造商的建議可以極大地提高電子設備的可靠性。

      什么是助焊劑?

      助焊劑是化學物質的酸性混合物,用于在焊接過程中去除金屬氧化物,從而實現良好的焊錫結合。您可能會聽到“低活性”和“高活性”這兩個術語,以描述焊接后的助焊劑殘留物是否具有引起清潔相關故障的風險。但是,從化學的角度來看,這些術語沒有準確定義,也沒有單一的標準分析或化學測試將助焊劑殘渣分類為“低活性”或“高活性”。這是因為泄漏電流引起的故障不僅取決于助焊劑的化學性質和施加的助焊劑的量,而且電氣靈敏度和使用環境也會對可靠性產生重大影響。

      波峰焊,選擇焊和手工焊接中使用的大多數液體助焊劑成分包括: 

      溶劑

      活化劑

      成膜劑

      添加劑類

      活化劑和成膜劑對失效風險的影響比其他因素更大。

      活化劑

      免洗型的助焊劑通常會使用有機弱酸(WOA)作為活化劑。一部分弱酸為戊二酸,琥珀酸和己二酸?;罨瘎┑拇嬖谑购竸埩粑锞哂酗L險,因為它們是酸性的,但對于獲得良好的焊點來說是必備的。它們與金屬氧化物反應形成金屬鹽,促進潤濕,并且在鹽溶解后形成冶金鍵。在焊接過程中逐步消耗酸性物質,該酸可能會用于其他有污染或分解反應的反應中,但這些反應并不一致,取決于助焊劑的化學性質和其他不易控制的因素。大多數有機弱酸在焊接溫度下基本上不會蒸發。因此,重要的是將活化劑的量(和助焊劑)調整到良好焊接所需的最小量。               

      成膜劑

      成膜劑是不溶于水的高熔點化學品。焊接后,它們形成了大部分可見殘留物。它們起著包含活化劑的作用,并防止它們溶解在水中?!暗凸虘B”助焊劑配方幾乎不含成膜劑,幾乎沒有可見的殘留物。從理論上講,更多的成膜劑可以減少發生故障的風險,但同時也會使組件看起來很臟。成膜劑最常見的成份是松香,化學改性的松香和合成樹脂。


      溶劑類

      溶劑的主要作用是溶解焊劑中的所有成份,使之成為均勻的黏稠液體,易于使用。有時,可以使用幾種具有不同沸點的溶劑來確保焊接曲線的不同溫度階段保持物理性能,必須在焊接過程中完全蒸發。如果溶劑存在助焊劑殘留物中,則會增加發生故障的風險。重要的是要確保僅將助焊劑施加到組件的暴露于峰值焊接溫度的區域。在波峰焊接過程中,助焊劑可以通過孔流到組件的頂側,也可以在保護層下流過,從而不會出現在在高溫下。手工施加的液體助焊劑可能會特別成問題,人為的因素影響很大。

      添加劑

      添加劑通常只占助焊劑的小部分。它們可以是增塑劑,染料或抗氧化劑。雖然制造商可能會添加化學成分來幫助提高可靠性,但其殘留的影響微乎其微。

      助焊劑應用

      助焊劑的應用方式有多種,最常見的是:

      • 焊膏中的助焊劑,用于表面安裝

      • 用于波峰焊或選擇性焊接液體助焊劑

      • 用于手工焊接的液體助焊劑

      • 焊絲或焊條中的助焊劑


      由于所使用的助焊劑的量很重要,因此這些不同的應用過程會帶來與清潔相關的故障的風險等級不同。錫膏助焊劑的風險最小,這是因為使用網板或印刷機來控制錫膏助焊劑的施加量。表面貼裝中回流焊殘留物造成的故障很少(QFN可能有問題)。液體助焊劑的使用則帶來更大的風險。噴射使用比其他過程可使用更多的助焊劑。如果未進行最佳控制,則該工藝可能會施加比所需更多的助焊劑,從而留下更多的酸性殘留物,為潛在的化學腐蝕反應創造更有利的條件,而且液體助焊劑也可能會流向未處于高溫下的部分??刂剖止ず附舆^程中施加的助焊劑的量也可能很困難,過量的助焊劑可能在附近的組件下流動,人工熟練程度影響很大。

      組裝過程中或組裝后的失效分析技術

      盡管沒有一個能進行全面風險評估的工具,但是有一些風險評估方法能成功的降低失效的風險。

      通常在SMT清洗操作過程中通過溶劑萃取物(ROSE)的電阻率來間接判定助焊劑殘留離子的清潔度,數值結果有助于確保合格的焊料和清洗過程。離子色譜法IC已成為一種常用的技術,用于識別SMT表面上的常見離子,并提供焊接后殘留的有機弱酸活化劑含量的直接測量值。對于液體助焊劑尤其重要,因為可以很容易地檢測出所施加的助焊劑量,不同的離子色譜方法產生不同的結果。完整的組件浸泡測試為整個組件表面上檢測到的平均的離子濃度,而局部提取技術則可在小范圍內測量離子濃度。所有的離子色譜方法的缺點是缺乏有關通過/失敗的標準;每個焊接過程,設計,環境會影響良率。我們的經驗使我們對離子的平均數量和不良的數量。

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