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助焊剂残留为何会导致电子故障?

2021-03-25 | 来源:?本站

摘要:无论使用何种助焊剂,总会在焊接后的PCB及焊点上留下或多或少的残留物,这些残留物不仅影响PCBA的外观,更可怕的是构成了对PCB可靠性的潜在威胁;特别是电子产品长时间在高温潮湿条件下工作时,残留物便可能导致线路绝缘老化以及腐蚀等问题,进而出现绝缘电阻(SIR)下降及电化学迁移(ECM)的发生。随着电子行业无铅化要求的全面实施,相伴锡膏而生的助焊剂也走过了松香(树脂)助焊剂、水溶性助焊剂到今天广泛使用的免洗助焊剂的发展历程,然而其残留物的影响始终是大家尤为关心的方面。


焊接有四种主要方法:

表面贴装回流焊接(SMT)

全板波峰焊接

选择性焊接

手工焊接


每种方法都会留下不同程度的风险,导致存在助焊剂残留物,可能会导致故障。SMT焊接方式的风险最低,而使用液体助焊剂的风险最高。了解应用过程,助焊剂中的成分以及助焊剂制造商的建议可以极大地提高电子设备的可靠性。

什么是助焊剂?

助焊剂是化学物质的酸性混合物,用于在焊接过程中去除金属氧化物,从而实现良好的焊锡结合。您可能会听到“低活性”和“高活性”这两个术语,以描述焊接后的助焊剂残留物是否具有引起清洁相关故障的风险。但是,从化学的角度来看,这些术语没有准确定义,也没有单一的标准分析或化学测试将助焊剂残渣分类为“低活性”或“高活性”。这是因为泄漏电流引起的故障不仅取决于助焊剂的化学性质和施加的助焊剂的量,而且电气灵敏度和使用环境也会对可靠性产生重大影响。

波峰焊,选择焊和手工焊接中使用的大多数液体助焊剂成分包括: 

溶剂

活化剂

成膜剂

添加剂类

活化剂和成膜剂对失效风险的影响比其他因素更大。

活化剂

免洗型的助焊剂通常会使用有机弱酸(WOA)作为活化剂。一部分弱酸为戊二酸,琥珀酸和己二酸。活化剂的存在使焊剂残留物具有风险,因为它们是酸性的,但对于获得良好的焊点来说是必备的。它们与金属氧化物反应形成金属盐,促进润湿,并且在盐溶解后形成冶金键。在焊接过程中逐步消耗酸性物质,该酸可能会用于其他有污染或分解反应的反应中,但这些反应并不一致,取决于助焊剂的化学性质和其他不易控制的因素。大多数有机弱酸在焊接温度下基本上不会蒸发。因此,重要的是将活化剂的量(和助焊剂)调整到良好焊接所需的最小量。               

成膜剂

成膜剂是不溶于水的高熔点化学品。焊接后,它们形成了大部分可见残留物。它们起着包含活化剂的作用,并防止它们溶解在水中。“低固态”助焊剂配方几乎不含成膜剂,几乎没有可见的残留物。从理论上讲,更多的成膜剂可以减少发生故障的风险,但同时也会使组件看起来很脏。成膜剂最常见的成份是松香,化学改性的松香和合成树脂。


溶剂类

溶剂的主要作用是溶解焊剂中的所有成份,使之成为均匀的黏稠液体,易于使用。有时,可以使用几种具有不同沸点的溶剂来确保焊接曲线的不同温度阶段保持物理性能,必须在焊接过程中完全蒸发。如果溶剂存在助焊剂残留物中,则会增加发生故障的风险。重要的是要确保仅将助焊剂施加到组件的暴露于峰值焊接温度的区域。在波峰焊接过程中,助焊剂可以通过孔流到组件的顶侧,也可以在保护层下流过,从而不会出现在在高温下。手工施加的液体助焊剂可能会特别成问题,人为的因素影响很大。

添加剂

添加剂通常只占助焊剂的小部分。它们可以是增塑剂,染料或抗氧化剂。虽然制造商可能会添加化学成分来帮助提高可靠性,但其残留的影响微乎其微。

助焊剂应用

助焊剂的应用方式有多种,最常见的是:

  • 焊膏中的助焊剂,用于表面安装

  • 用于波峰焊或选择性焊接液体助焊剂

  • 用于手工焊接的液体助焊剂

  • 焊丝或焊条中的助焊剂


由于所使用的助焊剂的量很重要,因此这些不同的应用过程会带来与清洁相关的故障的风险等级不同。锡膏助焊剂的风险最小,这是因为使用网板或印刷机来控制锡膏助焊剂的施加量。表面贴装中回流焊残留物造成的故障很少(QFN可能有问题)。液体助焊剂的使用则带来更大的风险。喷射使用比其他过程可使用更多的助焊剂。如果未进行最佳控制,则该工艺可能会施加比所需更多的助焊剂,从而留下更多的酸性残留物,为潜在的化学腐蚀反应创造更有利的条件,而且液体助焊剂也可能会流向未处于高温下的部分。控制手工焊接过程中施加的助焊剂的量也可能很困难,过量的助焊剂可能在附近的组件下流动,人工熟练程度影响很大。

组装过程中或组装后的失效分析技术

尽管没有一个能进行全面风险评估的工具,但是有一些风险评估方法能成功的降低失效的风险。

通常在SMT清洗操作过程中通过溶剂萃取物(ROSE)的电阻率来间接判定助焊剂残留离子的清洁度,数值结果有助于确保合格的焊料和清洗过程。离子色谱法IC已成为一种常用的技术,用于识别SMT表面上的常见离子,并提供焊接后残留的有机弱酸活化剂含量的直接测量值。对于液体助焊剂尤其重要,因为可以很容易地检测出所施加的助焊剂量,不同的离子色谱方法产生不同的结果。完整的组件浸泡测试为整个组件表面上检测到的平均的离子浓度,而局部提取技术则可在小范围内测量离子浓度。所有的离子色谱方法的缺点是缺乏有关通过/失败的标准;每个焊接过程,设计,环境会影响良率。大家的经验使大家对离子的平均数量和不良的数量。

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