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老化和存储条件是否会影响免洗锡膏残 留物的 SIR 表现
  2021-04-29      408

Eric Bastow(虞沈捷 , 铟泰公司)

摘要

SMT 组装领域,特别是在消费电子商品领域,免清洗锡膏工艺技术占据了主导地位。在当今电子组装行业中,工艺成本控制是极为重要的一环,不需要清洗助焊剂残留的锡膏对电子组装工厂来说极具吸引力。免清洗锡膏的助焊剂残留物的特性直接影响了产品的可靠性。众所周知,保持锡膏助焊剂残留物的良性和惰性从而确保电气可靠性,这对工艺系统极其重要。但是,在所有影响锡膏助焊剂残留焊电气可靠性的因素中,焊锡膏的储存时间和储存方式是否有影响 ? 本文采用 J-STD-004B SIR( 表面绝缘电阻 ) 测试来检验这一问题。检验样品使用两种普通 SAC305 型 4 号粉免清洗锡膏—一种采用 ROL0,另一种采用 ROL1(基于 J-STD-004B 分级)在两种不同的储存条件( 室温和冷藏 )下储存不同的时间长度。然后两种样品都经过丝网印刷工艺及相同的炉温进行回流焊,焊接后的样品进行 SIR测试,看看它们的 SIR 性能是否存在差异。测试 ROL0 和 ROL1 的原因是,看看化学成分的差异是否会对长期储存的锡膏的 SIR 性能产生影响。

用于去除 PCB 焊盘、元件引脚和端子以及锡膏中的锡粉氧化物的助焊剂成分通常被称为“活化剂”。活化剂通常是弱有机酸或卤素化合物。因为锡膏是焊锡颗粒 / 粉末和助焊剂的混合物,所以助焊剂与焊锡粉末直接接触。这使得活化剂在锡膏混合到回流之前可以“接触”焊锡粉。在回流时,大部分活化剂将被消耗或包裹在残留物中。这意味着,当锡膏被储存在罐、筒等储存容器中时助焊剂中的活化剂与锡粉长期接触。通常,活化剂需要加热才能与金属氧化物相互反应,但一些反应在较低的温度下也会发生。这就是总是要求对锡膏进行长期冷藏的原因。锡膏的特性也会随时间而变化。经过这种助焊剂 / 锡粉相互作用的锡膏的一个明显表现是黏度升高(图 1)。其他微小变化在不进行特定于某种属性的测试时是无法检测到的。

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表 1 显示了用于此实验的测试数据表。应注意,表 1中所示的储存周期定义为从制造日期(DOM)到印刷并回流到 SIR 测试板的时间。罐子里的锡膏在使用前是密封的(从未打开)。室温通常在 71 至 74°F(21.7–23.3 ℃) 之间,并且将冰箱设置为 4℃(39°F)。根据锡膏制造商的规定,两种锡膏在冷藏条件下都有六个月的保质期。

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在开罐和使用的当天,锡膏与助焊剂之间有明显的不同程度的分层。在室温下储存的锡膏样本中,观察的助焊剂分层最多。图 2 显示了在室温下储存 91 天的无卤锡膏的开罐后的状态。

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图 3 显示了在室温下储存 91 天的含卤素锡膏的开罐后的状态。在含卤素的锡膏的表面上观察到一层深黑色物质(见图 3)。所有锡膏在使用前均使用塑料抹刀轻轻地用手搅拌,以恢复均匀性。(冷冻的焊膏罐在打开前两小时从冰箱中取出,使锡膏在使用前回温至室温。)

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按照 IPC-TM-650 2.6.3.3 的规定,使用 150μ (~.006") 厚的钢网将锡膏印刷到标准的 IPC-B-24 SIR 测试板上。每个电路板有四个 SIR 测试回路,“A”到“D”。每个 SIR测试梳状电路由 0.4 毫米的裸铜通路组成,每条通路之间的间距为 0.5 毫米。图 4 显示的为 IPC-B-24 SIR 测试板。

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在锡膏印刷到 SIR 板上之后,使用图 5 所示的回流曲线对其进行回流焊接。该曲线为线性曲线 (ramp to peak),峰值温度约为 239℃,高于液相线(TAL)的时间约为 65 秒。原始峰值温度预期是 245℃,但由于使用的测量回流曲线的测量仪超出校准范围,最终峰值温度显示约为 239 ℃。

当使用校准过的回流曲线测量仪后,发现了这种差异。非预期的较低峰值温度可能在实际应用上有利于本研究,因为它可能会加剧各种锡膏的 SIR 性能差异。这是因为较低的回流曲线对于助焊剂的激活相较于高温的回流曲线其激活助焊剂的能力略差。

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按照 IPC-TM-650 2.6.3.7 的要求,将测试板放入 SIR测试箱中进行测试,测试时间为 168 小时(七天)。SIR测试箱中的条件为 40℃温度和 90% 相对湿度(RH)。对SIR 板施加偏压,在 SIR 模式上相邻的平行记录道之间产生 25V/mm 的电场强度。在每个 SIR 图形上,至少每 20分钟读取一次电阻率(SIR)读数。因为每组样本都有两块测试版,所以每组样本的 SIR 读数累积为 4032。根据IPC J-STD-004B,SIR 测试合格的标准是 24 小时后的所有 SIR 测试系统读数必须大于或等于 1×108 Ohms/square。然而,是否通过 IPCSIR 测试并不是本研究的重点。IPC-SIR 测试方法被用于检测和测量本研究中评价的各种锡膏样本的性能差异。

图 6 至图 18 显示了 SIR 结果图。

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图 18 是对照组的 SIR 结果。对照版是清洗干净且无锡膏印刷的测试板。可以看出,在试验开始约 90 小时后,其中一个板 26,模式 D 上的 SIR 读数急剧下降。图 19 显示了在该样本上有一些异物。这极可能是导致该样本 SIR值急剧下降原因。

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如前所述,本项测试目的是寻找不同储存周期和不同储存条件对免洗锡膏的可能影响,因为它涉及到它们各自的残留物的 SIR 性能。为了更好的显示出总体效果或趋势,对每个样本组的所有 SIR 数据点进行了平均化并绘制了彼此之间的关系图(参见图 20)。

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每个平均值来自 4032 个读数 ( 两块板,每块板有四个梳状电路,168 小时内每 20 分钟一次读数 )。对照板的平均值给出了两次。标有“CTRL ALL”的图是对照板上所有读数的平均值。标记为“CTRL Mod”的图是排除有异物的板后的所有读取数据的平均值。平均值由锡膏 / 储存条件 / 储存周期 ( 沿着图的 X 轴 ) 显示。下面是图 20中使用的字符定义。

HF = 无卤锡膏

HC = 含卤锡膏

RT = 室温储存样本

Ref = 冷藏储存样本

CTRL = 标准板

91, 61, 或者 19 = 储存天数

首先,应该提到的是,所有储存时间和储存条件下的

样本组均通过”IPC J-STD-004B SIR 要求的最小 SIR 值为1×108 欧姆 / 平方。

如图 20 所示,平均的 SIR 值表明,无卤锡膏在某种程度上不受存储条件的影响,因为室温和冷藏样本组都会产生类似的 SIR 值。这似乎也表明这种无卤素配方在长期储存后可能会受益(产生更高的 SIR 值),因为经过 91 和61 天储存的锡膏比 19 天储存的锡膏表现出更高的 SIR 值。

含卤素锡膏对储存温度很敏感。冷藏后的样品产生的SIR 值始终高于室温储存条件下的样品。然而,室温储存条件下的样品的SIR性能似乎随着储存时间的增长而提高,而冷藏后的样品的 SIR 值则随着储存时间的增长而降低。

有时给定测试组中的一个或多个样本产生的 SIR 结果明显低于其他模式。本文将这些模式称为“发散模式”。

图 21 显示了一个定义为发散模式的示例(请参见图左侧箭头所示的蓝色和紫色两个样本曲线)。发散电路的样本组与条件(粘贴 / 条件 / 储存时间)之间似乎呈现出相关性趋势,如图 22 所示。除了含有卤素的冷藏锡膏以外,储存时间短的锡膏比储存时间更长的锡膏显示出更多不同的图案。在较新的糊状物中是否存在分解成某些东西的物质随着糊状物的老化而变得无害 ?

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为了研究条件、平均 SIR 值和不同样板的数量之间的可能关系,将这三个值都绘制在同一个图上(参见图 23)。

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很明显,某个条件下的平均 SIR 值较低通常是一个或多个不同模式的结果组成的。而且,一个样本组的不同模式越多,SIR 值的平均值就越低,反之亦然。

通过检查每个样本组的 SIR 结果图可以得出的另一个观察结果 :非发散模式(或 SIR 值紧密分组的模式)非常好(高),通常在 1×1012 欧姆 / 平方范围内。由于没有晶枝或其他明显的原因导致样本组的差异, 很难解释为什

么当其他样本组保持非常好的SIR值时, 会出现这些差异。

如果锡膏特性随储存条件和存放时间的变化而变化,则这种变化不应当出现在给定容器内的所有锡膏上。相反,我们可以假设它发生特定位置的局部锡膏中。那么可能会有特定条件下引发的反应或只发生在部分膏体中——这些位置具有特定的相关诱因,而且这些诱因并不均匀地分布在整个锡膏罐体中,例如,允许晶枝生长的特定环境,等等。

(作者并非拥有丰富化学理论基础的化学专家,无法对这种无明确指向性证据的不确定性进行评论或推测。)因为这些特定位置不是在整个锡膏容器中都能找到的,所以它们只在印刷过程中沉积在一些样本上。这可能解释了较低 SIR 值样本存在的原因。如果是这样,较低 SIR 值

样本出现的频率可能与锡膏罐内特定的位置有关。

作者并没有假定自己处于知识或权威的地位,因此不能肯定地评论这些细微的差异是如何发生的,为什么会发生,甚至这些细微的差异是否真的发生抑或是否重要。但似乎有一些有参考意义的想法可以通过分析研究数据来进行推测。

综上所述,我们可以看到锡膏助焊剂的化学成分、

储存温度和储存时间似乎对助焊剂残留的 SIR 性能有微妙的影响。可能存在的性能差异不足以影响到出现 IPCJ-STD-004 所定义的 SIR“失效”。然而,那些对电化学迁移特别敏感的应用环境在选择免清洗锡膏时需要考虑这些因素。

首次发表于 IPC APEX, 2015 年 2 月 22–26 日,美国加利福尼亚州圣地亚哥。

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