铅离子迁移导致PCBA失效的机理分析

楼倩，李晓倩

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏 苏州 215011）

0 引言

PCBA是电子组装产品的核心部件，作为电路信号传输的枢纽，其可靠性的高低决定了电子组装产品质量的优劣。在电子产品制造和服役的过程中，其面临着不同类型的缺陷和故障，为了更好地解决缺陷和故障现象，需要对故障现象进行判读和识别，以迅速地推导出失效模式和机理[1]。离子迁移就是PCBA在服役期间常见的一种失效现象，会导致产品发生漏电、短路等故障，是产品可靠性的最大的隐患之一。

离子迁移故障是指PCBA上的金属在电场、潮湿环境和离子污染物的作用下，发生离子化，通过绝缘层向另一极迁移而导致漏电、短路等故障的现象[2]。发生离子迁移故障的原因是：当绝缘材料的两端形成电势差时，其中作为阳极的导体发生离子化并在电场的作用下通过绝缘材料向另一极 （阴极）迁移，从而使本该绝缘的位置的绝缘能力下降，最终造成短路或烧毁故障。

本文通过对某型号压力变送器的失效现象进行分析，确定了其失效的原因为PCBA在潮湿环境和离子物质污染的作用下，引起了铅焊料的腐蚀和铅离子迁移而形成树枝状结晶物，从而影响了PCBA的绝缘性能，导致了元器件因短路烧毁而失效。

1 失效现象和失效模式

某型号压力变送器在服役一年多后，内部PCBA板面出现腐蚀和烧毁现象。该产品由金属封装体与塑料接口件通过胶粘、压合的方式封装在一起，此封装形式的密封性较差。PCBA上SMD焊点采用回流，插装焊点采用手工焊接方式，焊后使用酒精进行手工清洗，然后涂覆三防漆。

对失效样品进行外观检查，发现： 样品电容处有烧毁痕迹，存在大量的黑色物质，三防漆涂覆不均匀，可见桔纹和裂纹，插件表面有蓝绿色和焦黄色的腐蚀物质。对样品表面腐蚀和烧毁位置进行SEM&EDS分析，发现：1）PCBA板面上的蓝绿色或焦黄色腐蚀物中可检测到较高含量的碳元素（C）、 氧元素 （O）、 锡元素 （Sn） 和铜元素 （Cu），另外还可检测出少量的氯元素 （Cl）；2）焊点被腐蚀处，表面的三防漆可见明显的缺口，三防漆内部的局部可见裂纹，腐蚀表面三防漆与阻焊膜之间可见明显的缝隙；3）黑色烧毁位置，存在明显的树枝状结晶物，Pb含量高达56%。详细结果如图1所示。

图1 铅离子迁移SEM&EDS图

对失效样品的PCB、连接器和腐蚀区域进行离子色谱分析，所得到的结果如表1所示。从表1中可以看出：PCB表面存在极高的Cl-和SO42-残留，明显地超出了行业规范的要求。

表1 离子色谱测试结果

（注：目前行业内从避免PCBA发生腐蚀和电迁移导致失效的角度考虑，对采用免清洗工艺的PCB组件表面残留的离子含量做出了如下要求：

1） Cl-应不高于 0.5 μg/cm2；

2） Br-应不高于 1.9 μg/cm2；

3） NO3-应不高于 0.5 μg/cm2；

4） SO42-应不高于 0.5 μg/cm2。）

2 失效机理分析

离子物质的存在与潮湿的环境条件是产生离子迁移的关键。电子产品在潮湿的环境中工作，离子污染物的存在可能会导致电路板腐蚀、枝晶的生长等现象[3]。

失效样品在插装焊点附近可见蓝绿色或焦黄色腐蚀物，腐蚀处表面结构疏松，并且可以检测到较高含量的C、O和少量的Cl。离子色谱结果显示PCB板面上Cl-和SO42-的含量远高于行业规范的要求。板面上较高含量的Cl-、SO42-在潮热、通电的情况下，起着载体和催化剂的作用[3]，会增加板面被腐蚀的风险。

分析还发现：焊点腐蚀处可见三防漆缺口，三防漆内部局部可见裂纹，腐蚀区域的板面处，三防漆与阻焊膜结合不良，它们之间可见明显的缝隙。而未被腐蚀的PCB板面处，亦可见三防漆涂覆不均匀、局部未见明显的三防漆覆盖、三防漆与阻焊膜局部结合不良和三防漆存在裂纹等现象。三防漆的上述不良现象，降低了自身的防护能力，导致空气中的水汽、盐雾等极易通过三防漆渗透进PCB板面。失效样品在服役1.5年后 （通电的状态下）发生了腐蚀和烧毁现象，其工作环境的湿度和温度均较高。可见三防漆与板面结合不良、内部存在裂纹、涂覆不均匀和局部未见明显的三防漆覆盖等不良现象，导致其对空气中水汽的防护能力减弱，造成焊点在较高的残留离子、持续电场和空气中水汽的共同作用下而发生电化学反应，生成焦黄色或蓝绿色腐蚀物。同时，由于PCB板面存在较高含量的Cl-、SO42-，在电场的作用下，焊料中的Pb发生了离子迁移，降低了绝缘性能，发生了短路从而烧毁PCBA。

Pb离子迁移发生的机理是：元器件端子上的有铅焊料在通电状态下，当绝缘基板吸附了水分时，阳极被电离腐蚀，铅离子到达阴极处长出枝晶状的铅与含铅结晶物。当腐蚀位置或枝晶周围存在较高浓度的卤素离子时，离子迁移的可能性会被加速[4]。该反应的表达式如下所示。

阳极： Pb→Pb2++2e-； H2O→OH-+H+

当阳极侧不断地被腐蚀时，PbO不断地生成，直到抵达阴极时，从阴极侧被还原析出枝晶状的铅，其反应如下所示。

阴极： Pb2++2e-→Pb； 2H2O+4e-→H2↑+2OH-；Pb2+2OH-→Pb （OH）2→PhO+H2O

由于上述反应是不断循环的，导致在PCBA板面上Pb的结晶物向另一电极不断地生长、延伸，最终导致两电极之间发生短路，短路部分瞬间产生的大电流烧毁了器件，从而发生了失效现象。

3 结束语

失效样品PCBA板面涂覆的三防漆与板面结合不良，内部存在裂纹且涂覆不均匀，局部未见明显的三防漆覆盖等不良现象，导致了其对空气中水汽的防护能力减弱。PCB板面存在的较高含量的Cl-、SO42-，会加速铅离子的迁移，并且这些卤素离子的污染浓度越高，铅离子迁移的生长速度就会越快[5-6]。焊点在较高的残留离子、持续电场和空气中水汽的共同作用下发生电化学反应，生成焦黄色或蓝绿色腐蚀物，有铅焊料中的Pb发生离子化，枝晶的生长降低了PCBA的绝缘性能，最终导致电极间的短路，短路部分瞬间产生的大电流烧毁了器件，从而发生了失效现象。

为了避免此类Pb离子迁移导致的故障，一方面需要加强对PCB及元器件制造商产品的质量验收和控制，保证此类产品表面残留离子的含量满足国家和行业标准要求；另一方面需要改善三防漆涂覆工艺，保证长期服役于高温高湿环境下的产品能有效地隔绝水汽，降低离子迁移的可能性。

[1]樊融融.现代电子装联工艺过程控制 [M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]IPC-Association Connecting Electronics Industries.Surface Insulation Resistance Handbook：IPC 9201A-2007[S].

[3]林金堵，吴梅珠.离子迁移的机理、危害和对策 [J].印制电路信息，2014（2）：48-50.

[4]罗道军，贺光辉，邹雅冰.电子组装工艺可靠性技术与案例研究 [M].北京：电子工业出版社，2015.

[5]史建卫.无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施 [J].电子工艺技术，2008，29（5）：305-307.

[6]刘柳，周林，邵将.电子产品故障物理模型研究与应用进展 [J].装备环境工程，2015，12（2）：54-58.