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PCB组装过程中电化学一致性的测试方法的研究
  2020-12-15      56

作者:Raymond Luo, 铟泰公司, 和 _Brook Sandy-Smith。

摘要

在电子组装行业,有几种公认的电化学可靠性的测定方法。这些方法通常都是针对两种情况设计的:在加速老化测试中模拟潮湿环境或分析表面离子残留物的种类。其中一些方法可以用来测试首件样板或测试正常生产线路板;_ _而另一些方法更适用于在实际生产中的质量和一致性测试。高密度组装复杂性的日益增加和低站高的焊接元件的使用,都对电化学可靠性评估带来更大的挑战。这些挑战导致了新测试方法的开发和运用,用来测定能导致电化学迁移的离子残留物。

本文将回顾传统测试方法和新兴测试方法是如何测定助焊剂残留物以及成品组件的清洁度的特性,其中包括表面绝缘电阻、电化学迁移、溶剂萃取物的电阻率(ROSE),以及其它的新兴检测方法。数据将显示各种测试方法是如何以不同的方式来检测制程变量的。将对不同的结果进行比较。

关键词:SIR,ECM,ROSE,IC,电化学迁移,离子残留物,可靠性

 前言

可靠的电子组装产品必须能在不同的环境中经受住各种影响因素的考验,例如:热、机械、化学、电等因素。测试每一种考验因素对系统的影响,通常以加速老化的方式来测试。这也就是说,测试环境比起正常老化的环境是要极端得多的。此文中的研究对象主要是各种测试电化学可靠性的方法。

IPC将电化学迁移定义为:在直流偏压的影响下,印刷线路板上的导电金属纤维丝的生长。这种生长可能发生在外部表面、内部界面或穿过大多数复合材料本体。增长的金属纤维丝是含有金属离子的溶液经过电沉积形成的。电沉积过程是从阳极溶解电离子,由电场运输重新沉积在阴极上。在电路与组装材料发生的反应过程中,随着时间的推移而逐渐形成这种失效。当金属纤维丝在线路板表面以下生长时,称为导电阳极丝或CAF,本文中不会讨论这种情况,但这也是一个热门话题。当电化学迁移发生在线路板的表面时,它会导致线路之间的金属枝晶状生长,最好使用表面绝缘电阻(_SIR)_进行测试。

表面电子组件的电化学迁移的发生机理取决于四个因素:铜、电压、湿度和离子种类。当环境中的湿气在电路板上形成水滴时,能够与表面上的任何离子相互作用,使离子沿着电路板表面移动。离子与铜发生反应,它们在电压的作用下,被推动着在铜电路之间迁移。这通常被总结为一系列步骤:水吸附、阳极金属溶解或离子生成、离子积累、离子迁移到阴极和金属枝晶状生长。

线路板表面的每一种材料都有可能是电迁移产生的影响因素:无论是线路板材料和阻焊层、元器件的清洁度、

还是制板工艺或组装工艺产生的任何残留物(包括助焊剂残留物)。由于这种失效机制是动态变化的,理想状况是对每种设计和装配都进行测试。但这是不可行的。这就提出了一个问题:如何最好地描述一个组件的电化学迁移倾向。

几十年来,行业标准一直认为SIR测试是最好的方法。然而,在实践中,这种方法有一些局限性。首先,它是在标准梳状测试样板上进行的,而不是实际的组装产品。根据不同的PCB表面处理、回流工艺条件、处理工序等,需要进行独立的测试设置。而且测试方法的选择,可能需要组装元器件,也可能不需要。由于和助焊剂分类有关,这些因素的标准化是区分可比较的助焊剂类别的关键。另一方面,工艺的优化和控制可能会遗漏一些关键的失效来源。其次,由于组件处于生产过程中,无法实时收集结果。根据测试方法的不同,测试时间最少为72小时,最多为28天,这使得测试对于过程控制来说太长了。从而促使制造商寻求能快速有效地表征电化学迁移倾向的测试方法,以控制组装工艺。

本文将研究和讨论能有效描述组件电化学迁移倾向的测试方法。如前所述,像SIR这样的测试是行业标准,并且在工艺开发的早期阶段对设计验证非常重要。我们还将讨论其他更适合于过程控制的测试方法。

设计特征方法的讨论

设计特征和工艺验证对于准备制造一个新的PCB组件非常关键。这将包括调查来料、开发适当的焊接工艺参数、并最终敲定一个经过很多步骤验证的典型的PCB组件。这将花费比用于验证每个组装过程多得多的时间。本文将重点讨论工艺验证步骤中应该进行的测试。

助焊剂特性测试

IPC要求焊接用的所有助焊剂都按照J-STD-004(目前在B版中)_进行分类。这份标准概述了助焊剂的基本性能要求和用于描述助焊剂在焊接过程中和组装后在环境中与铜电路的反应的行业标测试方法。一旦经过测试,就可以使用诸如“ROL0”之类的代码对助焊剂进行分类。该代码表示助焊剂基础成分、活性水平和卤化物的存在。以ROL0为例,它表示:助焊剂是松香基,低活性等级,此助焊剂不含卤化物。有几种测试方法有助于这一评级,其中许多电化学可靠性测试方法都适用于助焊剂。(_注:_对于J-STD-004B中规定的锡膏助焊剂或含芯焊锡线的助焊剂,有些方法可能略有不同)_。

铜镜实验

IPC-TM-650 方法 _2.3.32 用来测试未加热的助焊剂如何与铜反应,也叫做助焊剂诱发腐蚀测试。本质上讲,就是滴一滴定量的助焊剂到涂敷了一层铜膜的玻璃片上,然后在特定环境中放置一段时间。这个环境接近室温环境, _相对湿度是50%。24小时后清理掉助焊剂,并在白色背景下观察铜膜被腐蚀掉多少。腐蚀穿透铜膜的程度决定了助焊剂的活性等级,通常用L、M和H表示。

铜板腐蚀实验

IPC-TM-650 方法2.6.15是用来测试极端条件下,助焊剂残留物对铜的腐蚀性。助焊剂和焊料在铜板上加热直到形成焊接。然后把铜板放置在一个温度为40°C的潮湿环境,这样可以加速助焊剂残留物和铜可能发生的反应。铜板需要在测试前和测试后仔细检查其表面颜色的变化来确定是否有腐蚀的迹象。观察结果通常可以用L、M和H 来表示腐蚀性的等级。

电化学迁移(ECM)

IPC-_TM-650 方法 _2.6.14.1 用来评估表面电化学迁移的倾向性。助焊剂会涂敷在下图1所示的标准测试板上。标准测试板是交错梳状设计,并模拟微电子学最小电气间隙要求。然后按照助焊剂不同类型的要求进行加热。为了能通过测试,高活性的助焊剂在测试前需要被清洗掉。清洗不要在密闭的空间进行。随后带有助焊剂残留的样板放置在潮湿的箱体内,以促进梳状线路之间枝晶的生长。分别测试实验开始和结束时的不同模块线路的绝缘电阻值。第二次和第一次测量值衰减低于10倍时,测试结果视为通过。也就是说,通常测试阻值为10XΩ,X值必须保持不变。

这个方法概括了几种不同的助焊剂和工艺测试条件。J-STD-004B要求使用65°C,相对湿度为88.5%的箱体,并且按照方法2.6.3.3来制备测试样板。表面绝缘电阻要稳定96小时以后进行测试。然后施加低电压进行500小时的测试。测试结束时,在相同的电压下再次测试表面绝缘电阻。除了满足绝缘电阻值少于10倍的衰减之外 _,还需要观察样板是否有晶枝生长和腐蚀现象。这个测试结果可以定义助焊剂等级是L、M还是H。

表面绝缘电阻(SIR) _

IPC-TM-650 方法 _2.6.3.7定义了在高湿度环境下表面绝缘电阻的测试条件。SIR测试在40°C 和相对湿度为90% 的箱体里进行。样板的制备和ECM测试一样,都是依据方法2._6._3._3制备(如图1)。最新版本的测试要求规定每20分钟要检查一次样板。在七天的测试中,不同模块之间的表面绝缘电阻值衰减必须少于10Ohms,但是要排除最开始24小时的稳定时间。电压是恒定不变的。这和ECM测试在很多方面不一样。两者的不同点是:持续时间、测试箱体条件和频繁测量数据的目的。样板同样需要目测检查枝晶生长是否超过间距的20%和是否有任何腐蚀引起的变色问题。

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Figure 1. ECM/SIR test coupon IPC-B-24.

卤化物

IPC-TM-650 方法 _2._3._28._1定义了卤化物测试的离子色谱法。这种方法可以识别很多种未加工助焊剂或者萃取后助焊剂含有的卤离子。每种离子的占比会根据制备方法来计算。不论助焊剂活性等级是L、M或者H,零级要求每种离子重量百分比一定低于0._05%。对于含有卤化物的助焊剂来说,离子百分比低于0._5%属于L,低于2._0%属于M,高于2._0%属于H。

助焊剂等级分类

所有的测试完成后,编辑L、M和H的测试数据,所有测试数据的最高值决定助焊剂的等级。例如,一款助焊剂的活性等级要定为L,就需要五项测试中每个结果都是L_才可以。每个测试从不同的角度来量化电迁移的倾向性。ECM 和SIR测试最接近组装产品在使用寿命时间里最容易产生电化学迁移的情况。它们都是在更高的温湿度下进行加速测试,并且发展成为表明可靠性的一种标准。

当前SIR测试方法擅长用标准化的方式测试电化学迁移的倾向性。这种测试更接近真实失效机理。由于监测频率的关系,这种测试能够捕捉到绝缘电阻的波动。这种波动可能表示枝晶形成然后又溶解了。这就可以不依赖于灾难性故障来指示潜在的问题。

铜镜和铜板腐蚀测试了助焊剂或者助焊剂残留物里面离子之间的反应分别对电化学迁移的潜在影响。最后,卤化物含量测量表明了助焊剂中多少的离子来自卤离子。需要注意的是这是有别于无卤和低卤助焊剂的要求。也需要提供附加测量值,比如助焊剂黏度、酸值固体物含量等根据J-STD-004定义的附加测试方法的测试结果。

当供应商提供了助焊剂活性等级,相当于给了工程师一个规格,这个规格定义了在标准条件下助焊剂的表现如何,这其中包括了指定的温度循环和测试板。这有别于在特定设计和工艺中认证助焊剂。某些助焊剂等级的测试方法可以修改,以适应其设计特性。但是这些修改可能改变预期的结果,并且会影响到测试合格/_失败的极限。

设计特性描述

IPC J-STD-001是一份规范焊接电子组件制造实践和要求的文件。一般来说,根据J-STD-004的分类标准,这些助焊剂适用于电子组装。在使用几种不同的涂层和助焊剂时,兼容性也需要测试。兼容性测试的方法因应用而异,但需要使用行业标准方法测试。理想情况下,电化学可靠性/_兼容性应该用代表新型组装的电路板和元器件进行测试。由炉温定义的加热循环过程对助焊剂的表现也很关键。清洗工艺也应该使用类似于SIR的方法在IPC-B-52的板子上验证。一旦优化了组装,就应该进行深入的测试去确定组装的设计和工艺。在J-STD-001中, _就以IPC-9202和9203来举例。

在组装区域,温度曲线经历了最大的热量;因此最低和最短的峰值被复制应用于任何测试样板制作,以确保测试结果的一致性和可靠性的预期。

过程控制方法的讨论

J-STD-001文件定义了焊接电气和电子组件的要求。第8 节讨论了清洗过程的要求和电化学可靠性相关的测试。本节参考了几种测试方法,这些方法可用于评估印刷电路板表面什么样的离子含量可以降低电阻值。它还包括用户和供应商同意的方法选项。TM-650方法2._3._25提供了三种过程控制方法,即利用溶剂萃取物的电阻率检测和测量可电离表面污染物,通常称为ROSE测试。

溶剂萃取物的电阻率(ROSE) _

这种测试方法已经成为行业标准几十年了。然而,这一方法近年来在一些发表的论文中,受到了越来越多的研究。加强监测的明显原因是:在某些情况下,这种测试方法已被确定与SIR的结果相冲突。除了正在进行的讨论内容之外,这种测试对于过程控制来说可能是不切实际和费力的。这增加了寻找新方法的动力,这些新方法比整板萃取更快,操作规模更小。ROSE是用2-_丙醇和水溶液, _通过手工、动态和静态三种方法萃取板表面的任何残留物。通常是将整个板子浸入溶液中,然后测量这种萃取物的电阻率,测量值由板子表面所有可溶性离子种类的离子含量决定。每种萃取方法在如何准确地实现这一过程上各不相同。通常,仅仅测试电阻率是不够的,因为它不能区分是哪些离子导致萃取电阻率下降。为了评估哪些离子存在,必须进行额外的离子色谱检测。通过允许操作人员从过程中识别离子含量的来源,来完成测试。此外,过程控制从组装工艺的开始就要进行,线路板和元器件的进厂清洁度与组装的最终清洁度同样重要。这也可以通过一种能够在较小规模上从表面萃取的测试方法更有效地实现。

局部萃取的离子色谱法

在过去的十年中,一种新兴的方法得到了广泛的应用,那就是局部萃取,然后用离子色谱(_IC)_分析来控制重要的清洁度,通常被称为C3测试。这种方法使用冷蒸汽直接通过一个小喷嘴,并在选定的电路板和组件表面冷凝,用以溶解各种离子。然后喷嘴将水和离子的溶液萃取回测试池中进行测试。电流通过萃取物,并测量达到持续状态的时间。然后用离子色谱法对萃取物进行检测,以确定其中存在的离子种类及数量。

这种类型的测试特别适用于对电路板上潜在的问题区域进行抽查,例如低间距组件、高热质量区域、选择性焊接的部件和清洗过的组件。最重要的是,局部萃取方法可以很容易地集成到质量保证协议中,以验证测试结果随时间变化的一致性和很多不同组装工艺的一致性。

局部萃取法会把板子表面所有残留离子都溶解。电路板上离子材料的常见来源是多种多样的,包括电路板制造和电镀残留物、人机交互残留物、助焊剂残留物等。这包括有意添加的化学物质和无意的污染。考虑到这一点,每当遇到不可接受的结果时,这种方法就被用来调查在过程和材料清单中发生了什么变化。在流程开发过程中, _应该定义一个“正常”的结果范围,但是当结果超出预期范围时,可能会有许多潜在的原因。

案例分析:水洗工艺控制

实验设计

测试组件设计如图2所示,使用类似SIR测试模块的68针LCC。这种设计有足够的热量,允许一个范围内的回流曲线。元件的高度和底部端子代表了一个典型的组装案例,其中助焊剂残留物和其他污染物可以被截留在元件底部。在局部萃取过程中,喷嘴比组件小得多,且能满足组件与板的高度差。

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Figure 2. Test coupon in the process of localized extraction.

SIR测试模型允许将此测试组件安装在温度为40°C和相对湿度为90%的箱体中,如IPC TM-650-2._6._3._7所述。有一个轻微的偏差,因为板没有固定,并有不同的方向相对于气流,如图3所示。

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Figure 3. SIR coupons in chamber before the start of testing.

确保在测试期间SIR测试模块上没有明显的冷凝现象。根据IPC标准,通过测试的模块,在整个测试过程中,其电阻都高于108Ω。测试结果将根据这个限定值判定为通过或失败。相关研究的目的是描述不同回流曲线对助焊剂残留物的影响。在以前的工作中,据说曾经观察到与回流工艺产出的组件相比,使用电烙铁加热和更快冷却速度的返工工位完成的组件显示出更高的离子残留物水平。为了验证这一观察,为SAC305开发了加热曲线,其熔点范围为217–220°C。针对相似的工艺窗口的四种回流曲线,分别为标准回流曲线、模拟返修站的自然(_快速)_冷却曲线、自然冷却条件下的较低峰值曲线,以及延长冷却条件下的低峰值曲线。图4中所示的炉温曲线是由一台炉温测试仪测试的回流炉的曲线,和由电偶测量的返工台的曲线。返修工位曲线升温时间更短,为了便于峰位和TAL的比较,对温度曲线进行了轻微的偏移。

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Figure 4. Pb-free profiles for reflow oven and rework station.

本研究以无卤水溶性无铅锡膏为研究对象,锡膏助焊剂类型为ORH0。在回流和用水彻底清洗后,对测试模块进行组装和测试。在使用水溶性助焊剂的情况下,温度曲线可能会对助焊剂残留物的清洁度产生影响。在假设完全清洗的情况下,不应在测试中显示出影响。对于每个锡膏/_回流曲线的组合,组装了6个测试模块。其中三个在组装后立即进行了离子清洁度测试,而另外三个则进行了SIR测试,然后进行了离子清洁度测试。

结果和讨论

SIR和局部萃取的结果是通过或失败。判定标准分别基于电路电阻率和萃取液电阻率。为了便于参考,附录中包含了详细的结果。如表1所示,通过被编码为绿色,失败被编码为橙色。结果显示了一个清晰的定义:即所有未清洗的测试模块都没有通过测试,所有清洗过的测试模块都通过了测试。事实上,助焊剂残渣中含有大量的离子, _局部萃取试验很快就超过了电阻率极限。在未清洗板上有几种离子浓度很高。总的来说,这是一个非常极端的比较,因为更有可能是部分清洗而不是完全未清洗。这加强了必须清洗使用了水溶性焊锡膏组件的重要性。

结论

电化学迁移是PCB组件常见的失效模式。无论是在设计/_ _过程开发阶段,还是在生产过程 _、控制过程中,都需要充分的测试。在电子组装行业,有许多可用的方法可以来评估组件表面的电化学迁移倾向。根据TM #2._6._3._7,行业标准测试将继续为SIR。这是因为该测试最接近组件的正常使用寿命中导致电化学迁移的条件,而且它考虑了所有促进电化学迁移机制的四个因素之间的相互作用。当测试集中在一个或一些因素上时,例如测试离子含量, _它们可能表明每个组件上离子种类的变化,但它们不能直接评估电化学迁移的倾向。在铜、电压、湿度和离子含量之间的相互作用中存在着一些关键因素,电解会导致枝晶生长,这将继续推动测试的最佳实践朝着直接测试表面绝缘电阻的方向发展。最重要的是将SIR测试的条件尽可能地与操作条件相匹配。一旦装配过程得到验证和认可,局部萃取和离子色谱测试等工具和方法在维持离子含量水平以及在确定来料和工艺控制的变化方面都是有用的。

致谢

特别感谢Foresite,_ _Inc公司的Terry Munson 和 _Eric Camden, _感谢他们在与装配清洁相关的项目上的持续努力。此外, _我还要感谢IPC标准委员会的同事们,我与他们详尽地讨论了其中一些主题,并将继续努力寻找最佳方法来描述电子组件最关键的特性。

Table 1. Water-soluble paste results (WW=washed, WU=unwashed, as reflowed).

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Figure B-1. Paste WU.

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Figure B-2. Paste WW.

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参考文献

1.IPC-9201, “Surface Insulation Resistance Handbook,” 1996.

2.Yang S., Wu J., et al. “Initial Stage of Silver Electrochemical Migration Degradation,” 2006.

3.Lee NC. “Reflow Soldering Processes and Troubleshooting.”

4.Tellefsen K., et al. “Divergence in Test Results Using IPC Standard SIR and Ionic Contamination Measurements,” 2016.

本文首次发表于2017年二月,于夏威夷考艾举行的太平洋SMTA 会议。

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作者简介:罗雷(Raymond)是铟泰公司华南区技术经理,现居珠海。他主要负责华南区电子制造行业客户的技术服务工作。他有超过15年的SMT行业技术经验。他毕业于桂林电子科技大学机械电子工程专业,获得学士学位。

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