污染物残留对PCB焊点可靠性的影响与清洗工艺

摘 要：元器件细间距增加了电路的敏感度，再加上助焊剂化学成分的变化，PCB生产的复杂和多次组装，与残留有关的PCB焊点的可靠性越来越被关注，其潜在失效主要有ECM、蠕变腐蚀和锡须。越来越多生产商选择采用印制板焊接后进行清洗的工艺来应对这些潜在的失效。

关键词：ECM；腐蚀；锡须；清洗

随着电子工业的发展和对电子性能的要求的增加，元器件向着微型化、更细间距和高集成度的趋势发展，相邻导体间的间距减小，使得线路板上残留和其它污染对其可靠性的影响变得更加问题化，虽然传统的表面贴装技术成功的采用了低残留免清洗焊接工艺，但是在一些高可靠性产品中，产品的结构高密度化、元器件的微型化组装使得达到适当的清洁等级已经变得越来越难，由清洁导致的产品失效也在日益增长。本文简要的阐述污染物残留对PCB焊点可靠性的影响与清洗需要关注的几个问题。

1 残留对PCB焊点可靠性的影响

1.1 电化学迁移

电化学迁移，缩写为ECM，其定义是指在离子在电磁场的影响下通过合适的媒介（如助焊剂残留）迁移的现象。对于产品来说，焊点随着环境湿度的变化，一些助焊剂残留中的活性剂、盐类等离子污染物逐渐变化成了电解质，当产品在工作时，受到一些应力电压后，焊点之间短路，造成产品间歇性故障影响产品的可靠性。其过程有三个阶段：路径的形成，初始化和树枝状结晶生长。如图1所示。路径的形成从金属离子在电解液中的溶解开始，电解液主要是由助焊剂中的氯、溴残留和空气中的水分结合形成弱酸，当金属溶解到弱酸中就导致了金属细丝的产生。因此电化学实效的机理需要离子残留、电压偏离和湿度同时存在，并且受到温度、湿度、电压偏置、导体材料、导体间距、污染类型和污染数量等影响。

图1

1.2 蠕变腐蚀

蠕变腐蚀指的是PCB外表面生长出铜或银的硫化物晶体，蠕变腐蚀不同于电化学迁移，它不需要电压差，它只需要环境中有污染源和潮气就可以。空气中的硫和PCB上的铜或银发生反应生成硫化铜或硫化银，这些化合物会向各个方向生长，它可以使细的导线开路，也可以使导线之间短路，引起产品质量问题。随着电路板外形尺寸的减小和元器件的微型化發展，这种腐蚀的风险进一步增加。它大都发生在工业控制电子和航天领域，因为这些领域的产品工作周围空气中含有污染物气体更加多，还有一个原因是以前的PCB表面处理大都是热风整平，PCB上外露的铜箔都使用锡铅进行了保护。而随着无铅工艺的推进，含有铜或银的材料用到了PCB制造、焊接材料和器件的镀层上，若是焊接时候浸润不好，一些铜或银的成分被外露，当环境恶劣时，再加上潮气的作用，蠕变腐蚀发生的风险就比较大。

1.3 锡须

锡须人们关注的热点，许多专家通过对锡须的产生的化学和物理的参数特征进行了研究，认为含有锡的合金在高温高湿作用下，锡与其它金属之间相互扩散，形成金属间化合物，致使锡层内压应力的迅速增长，导致锡原子沿着晶体边界进行扩散，形成锡须，这些锡须会造成产品有短路的风险。因此在回流焊接过程中，锡合金凝固时，锡膏中的助焊剂流出来，其中的一些卤化物和溴化物充当了离子污染环境的角色，就会产生大量的锡须。且锡须受到离子污染水平的影响，离子污染水平越高，锡须密度越大。

2 清洗需要关注的几个问题

2.1 污染物

焊接后清洗的主要就是清除板面的残留物。而残留物中一般根据物理化学性质分为三类，能溶于水的极性残留物、不溶于水的无极性残留物和能溶于水但不能形成离子的有机化合物的无极性残留物。这些污染物是导致印制板性能改变甚至失效的重要原因，因此对这些残留物必须彻底清除，特别是PCB正向着高密度、细间距的方向发展，PCB的清洁就显得更加重要。

2.2 助焊剂

PCB生产中最多的残留就是助焊剂的残留，因此采用一种清洗工艺时，最先考虑的就是助焊剂的残留物。J-STD-004中将助焊剂基于化学特性，分为四大类：树脂型、松香型、有机型和无机型，每类又根据活性程度和卤素含量进一步细分，这也从侧面说明了世界上所有的助焊剂均可以去除氧化物，提高焊接的浸润能力，但在生产中波峰焊、回流焊、手工焊中都会用到助焊剂，有在如此多的助焊剂中，我们在生产中最好选用一种类型的助焊剂，这样对一个整板来说其实就是清洗一种助焊剂残留，倘若选了多种类型的助焊剂，这些助焊剂的兼容性和混合的残留物就更加无法掌握了，就会增加清洗的难度，因为各种助焊剂本身的特性就比较复杂，再加上它们之间相互作用后的残留就更加复杂了。

2.3 清洗工艺

一般的印制板清洗均采用溶剂清洗、半水清洗和水清洗三种清洗工艺。溶剂清洗时指使用溶剂型的媒介来清洗印制板的过程，在清洗过程中，干燥是独立装备进行的；半水基清洗时指先使用溶剂清洗印制板，然后使用清水冲洗板面上的有机溶剂，从而清除掉印制板上的助焊剂残留及其它污染物的过程；水清洗只的是使用水最为媒介的清洗过程。安装自己的设备特点和产品特点，合理的选取清洗工艺，将对产品的可靠性提高有很大的帮助。

2.4 清洗溶剂

通过不同类型的助焊剂，需要选用与助焊剂残留相匹配的清洗溶剂。清洗溶剂的品种和组成是多种多样的，按照日本产业清洗协会的规定，清洗剂的分类主要是以漂洗工序作为衡量标准的。因此一般分为水系清洗剂和非水系两大类。在漂洗工序上使用水的清洗剂统称为“水系”，在漂洗工序不使用水的统称为“非水系”。

2.5 清洗设备及清洗方式

目前清洗设备主要分为有批次式和在线式两种，而清洗方式有各种方式，有超声波、喷淋、浸泡、喷流、鼓泡清洗等不同的清洗方式。清洗设备一般通过喷淋或气相进行化学清洗，然后辅助如刷洗、搅动、滚筒、摇动等机械方式进行清洗。

2.6 清洗标准

不同零部件的清洗对象千差万别，清洗后的质量要求也不一样，“多干净才算干净”这个问题给目前越来越窄的导线间距带了挑战，但是存在的这些挑战主要来自与清洗残留相关的某些长期影响可靠性方面的问题的评估和残留对硬件功能性影响的评估，因此行业不同，清洗的标准不同。因此我们要综合考虑比如产品的使用环境、产品设计的服务年限、涉及相关技术（高频、高阻、高压）等因素，选择合适自已行业和产品特点的清洗洁净等级。根据参考IPC标准和美国军标，目前通用的洁净度最高等级为：离子污染物含量<1.56μgNaCl/cm2或助焊剂残留物小于40μg/cm2或是绝缘电阻大于2×106？赘cm。

3 结束语

我们清楚的认识到了污染物残留对PCB焊点可靠性的潜在失效机理，通过基于清洗工艺的设计，选取适合自己产品的设备、工艺、清洗剂和清洗方式，就很大程度上降低了PCB在物理上或化学上的失效风险，提高产品的可靠性。

参考文献

[1]IPC-CH-65B.印制板及组件清洗指南[Z].2011.

[2]曹继汉.表面组装技术[Z].陕西省电子学会生产技术与SMT专委会，2004.

作者简介：彭正荣（1983-），男，甘肃省兰州市，沈阳铁路信号有限责任公司，学士，研究方向：电子产品工艺技术工作。