对环境敏感的电子线路板之失效原因分析及对策.pdf

zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 对环境敏感的电子线路板 之失效原因分析及对策 主讲人：王劼，zestron北亚 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron pcb失效原因 电气连接 33% 有源元器件 30% 机械连接 8% 其它 4% 无源元器件 11% 污染物 8% 自身故障 6% 数据来源: modern electronic packaging integrated circuits engineering corporation zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 大气变化 盐雾 湿度 迁移 振动 腐蚀/侵蚀 腐蚀性气体 温度 pcb的环境影响因子 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 由环境因子导致的失效正在日益增长 器件的尺寸较大 器件之间及器件的托高高度（与pcb间的 间距/离地间隙）较大 环境因子的影响较小 器件的尺寸较小 器件之间及器件的托高高度（与pcb间的间 距/离地间隙）较小 环境因子的影响较大 对环境可靠性要求更高 趋势 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 失效成本 设备失效成本 $ 100,000 故障损失 $ 1,000,000 pcb自身价值 $ 100 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 由环境因子导致的失效机理 电化学迁移 腐蚀导致的蠕变电流 腐蚀导致的接触失效 高频电路中的信号失真 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 蒸汽/湿度 + 离子污染物（盐类， 助焊剂活性剂） = 可导电的电解质 + 应力电压 = 电化学迁移 vcc 枝晶 影响因子： 冷凝 影响因子：应力电压 材料因子： 助焊剂 影响因子： （空气中的）湿度 电化学迁移 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 失效机制 电化学迁移 发生电化学迁移的条件: 充足的环境湿度 表面上污染物的存在将会进一步恶化 电势差 可进行电化学迁移的合金 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 水膜厚度对电阻的影响 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 表面吸附的影响 填充有石英的阻焊膜 未填充的阻焊膜 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 失效机制 吸附的水对sir的影响 吸附的水量 (mg) 时间 (天) sir zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 金属表面的吸湿性 铜 镍 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 反应速度 sno2 h2o passivity passivit y immunity sn0 sn02 sn corrosion snh4 corrosion corro- sion sn4 + sn02 3 sn2 + hsn02 ph-value 2,0 v 1,5 1,0 0,5 0 -0,5 -1,0 -1,5 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 oh- 碱性化 水的分解及对锡的腐蚀 电势差 电极电位 e zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 枝晶生长现象机理 离子迁移 memen+ + ne* v ne* + men+ me 阳极 pcb 阴极 沉积 memen+ + ne* ne* + men+ me 阳极 pcb 阴极 溶解 memen+ + ne* 金属离子 阳极 pcb 阴极 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 桥式形态 离子浓度的梯度 c 枝晶的产生取决于离子浓度 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 腐蚀导致的失效 失效率 (%) 测试时间 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 枝晶的生长 无铅/含银的焊锡膏有在更短的时期内 成长出枝晶的趋势 电化学迁移 已通过使用连续测量阻抗的方法得 到验证 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 阴极与阳极之间的铜迁移 电化学迁移形成的枝晶生长 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 阴极与阳极之间的锡迁移 电化学迁移形成的枝晶生长 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 由环境因子导致的失效机理 电化学迁移 腐蚀导致的蠕变电流 腐蚀导致的接触失效 高频电路中的信号失真 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 导电层的结构和孔隙度 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 内部银层的腐蚀 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 硫化银晶须 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 腐蚀性气体导致的蠕变电流 由于阻焊膜存在裂纹，铜基材的硫化冲击 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 漏电流 普通光学方法检测出干净的fr4表面 对比法测出不可见的导电污染物 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 长期的 严重的 用助焊剂检测的方法测试漏电流的风险 漏电流的危害 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 污染物或湿度导致的失效 失效率 (%) 测试时间 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 由环境因子导致的失效机理 电化学迁移 腐蚀导致的蠕变电流 腐蚀导致的接触失效 高频电路中的信号失真 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 腐蚀性气体导致的失效 封闭的混合电路中，由于硫腐蚀导致的接触失效 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 由环境因子导致的失效机理 电化学迁移 腐蚀导致的蠕变电流 腐蚀导致的接触失效 高频电路中的信号失真 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 传统的接触式连接 高频的接触式连接 高频电路中的信号失真 - 几何形状对复合阻抗的影响 电感效应 电容效应 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 1 0 高频信号 time 时间 高频信号 1 0 time 时间 高频传输中的信号传输失效（比特失效） 树脂/松香的介电性干扰传输 清洗后的pcb 无传输失效 信号传输失效 （比特失效） zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 对策 完善电路设计 保证充分的电气隔离 采用适当的封装或涂覆工艺 保证洁净度 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 使用敷形涂覆的优点 使用涂覆针对以下类型的pcb失效： 湿度导致的失效 电化学迁移 漏电流 高频电路中的信号失真 腐蚀 但是 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 涂覆层脱落 涂覆层下的电化学迁移 涂覆失效 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 涂覆失效 在高低温循环测试中发现，由于涂覆材料与树脂发生反应造成的涂覆层开裂 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 20 c 30 c 40 c 50 c 60 c 70 c 80 c 68 f 86 f 104 f 122 f 140 f 158 f 176 f pu型涂覆材料 ay型涂覆材料 蜡状涂覆材料 透湿性 标准的 g / m2 x h 温度 透湿性透湿性 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron ptfe-membrane（聚四氟乙烯膜）的 透湿性在25 c时为：8000 g/m2 x h 透湿性 涂敷并不能防水蒸汽！ zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 关键的污染物 树脂或松香 助焊剂活性剂 有机的或无机的 溶剂（稀释的） 触变剂 助焊剂/锡膏 制造过程中产生的其他污染物 例如：手指印、灰尘、油脂、盐类 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 高风险 低风险 由助焊剂活性剂残留物 会导致漏电流 会导致在涂层下漏电电流的产生 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 环境变化后 树脂/松香层开裂 涂覆层 树脂/松香层 焊接后 助焊剂活性剂 树脂/松香残留物 重点：即使没有湿度的影响，仅仅环境的变化 日夜交替 活性剂会影响环境可靠性并且引发漏电现象的发生 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 污染物 未清洗的基材对涂覆工艺的影响 污染物降低涂覆材料在pcb上的粘结力并且导致脱落现象的发生 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 清洗后的表面张力 表面张力越高= 涂敷材料的粘结性越好 0 10 20 30 40 50 60 碳氢类清洗 剂 氯氟烃类清 洗剂 表面活性剂 型清洗剂 改性醇类清 洗剂 mpc技术 清洗剂 36 44 46 48 56 表面张力 (mn/m）) zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 拉力 n / mm 基材未清洗 基材清洗过 2,48 3,61 5 4 3 2 涂覆材料的粘结性涂覆材料的粘结性 在sn60pb上用pu型涂敷材料进行涂覆 通过清洗能够增加50%的涂敷粘结率 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 敷形涂覆前的清洗 涂覆层下的污染物是有吸湿性的 涂覆材料在未清洗的pcb上的粘结性较差 由于涂覆材料的透湿性，仅仅使用涂覆并不足以达到提高可靠性的目的 （甚至比只清洗不做涂覆更差） 使用涂敷是为了提高产品的环境可靠性 涂敷材料供应商也确认：为了得到可靠的涂敷，事先需要进行清洗 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 无效的清洗 大量残留物 仅有少量被清除 危害性较大！ 残留物大部分被清除 危害性较小！ 残留物被完全清除 这是我们的目标！ 清除助焊剂的不同程度 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 技术研究 敷形涂覆前的清洗 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 研究目的 目标： 提高涂覆工艺的可靠性 提高良品率，收益提高 污染物会导致： 润湿性不良、粘结性不良、破损和失效 吸湿性的污染物会导致电化学迁移 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 研究使用的测试基板 标准梳状电路板 未装配和装配陶瓷电容器 两种不同类型的焊锡膏 清洗工艺 在离线设备中使用适当的水基清 洗剂 根据gfkorr（德国腐蚀保护协会） 标准对组装件进行涂覆 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 表面清洁度对比 测试方法 焊锡膏a 焊锡膏b gfkorr（德 国腐蚀保护协 会）的指导规 格 未清洗测试 板 清洗后测试 板 未清洗测试 板 清洗后测试 板 离子污染度 1.27 /c 0.03/c 0.75/c 0.02/c 40mn/m zestron flux test 有残留 无残留 有残留 无残留 无助焊剂活 性剂残留 zestron resin test 有残留 无残留 有残留 无残留 无树脂/松 香残留 总评 - + - + zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 涂覆可靠性测试 在最极端环境条件下测试以找出所有 涂覆失效情况 在去离子水中操作 10小时全程10v电压 记录即时电流直至失效 关键点：失效发生时间 zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 故障示例 在core测试中，两种焊锡膏的对比（焊锡膏a（红色），焊锡膏b（蓝色）， 未清洗板，干膜层厚50m） zestron europe zestron europe asia asia america america copyright zestroncopyright zestron 发现 树脂残留物是导致失效的根本原因 减少涂覆层的粘结性和润湿性 导致涂覆层粘结失败 其他残留物诸如助焊剂活性剂： 大多数具有吸湿