PCBA 失效中的电化学迁移与腐蚀研究
李晓倩1，蔡吕清2
(1.工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏苏州
215011;
2.吴江天朗电子科技有限公司，江苏
苏州
215011)
摘要：从实际的案例出发，分析了无铅制程中助焊剂的酸性残留物及卤素离子对组装可靠性带来的潜在风
险：一方面，残留离子会直接腐蚀PCBA 组件中的焊点、PCB 焊盘或元器件引脚；另一方面，残留离子在水汽、电场的作用下会发生电化学反应，造成腐蚀及电化学迁移，导致开路或短路失效。在PCB 走向高密化的条件下，腐蚀和电迁移的风险提高，相应地对PCBA 组件清洁状况的要求和管控也会变得更加严格。
关键词：无铅制程；腐蚀；电化学迁移中图分类号:TN 41文献标志码:A
文章编号:1672-5468(2019)01-0042-05
doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2019.01.008
Research on the Corrosion and Electrochemical
Migration Failure of PCBA
LI Xiaoqian 1,CAI Lvqing 2
(1.CEPREI-EAST ,Suzhou 215011,China ;
2.Wujiang Tianlang Electronic Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215011,China )
Abstract :Based on practical cases ,the potential risks of acid residues of flux and halogen ions
for assembly reliability in lead-free process are introduced.On the one hand ,residual ions will directly corrode solder joints ,PCB pads or device pins in PCBA assemblies.On the other hand ,the electrochemical reaction of the residual ions occurs under the action of water vapor and electric field ,which will result in corrosion and electrochemical migration and lead to open circuit or short circuit fail
ure.Under the condition of high density of PCB ,the risk of corrosion and electromigration increases ,and the requirement and control of cleaning condition of PCBA assemblies become more strict.
Key words :lead-free process ;corrosion ;electrochemical migration
收稿日期:2018-05-31修回日期:2018-11-22
作者简介：李晓倩(1986-)，女，安徽宿州人，工业和信息化部电子第五研究所华东分所(中国赛宝华东实验室)工程师,
硕士，主要从事电子组装工艺质量评价与可靠性研究工作。
电子产品可靠性与环境试验
ELECTRONIC PRODUCT RE L IABIL I TY AND ENVI R ONMENTAL TESTING
可靠性物理与失效分析技术
0引言
由于以欧盟RoHS 指令为代表的国内外相关环保法规的要求，含有铅等6种有害物质的电子材料或工艺
被禁止使用，取而代之的是无铅无卤化制
程。但无铅无卤化制程并不是将有铅焊料更换为无铅焊料，或者将含有卤素的助焊剂、PCB 基材等物料更换为无卤物料这么简单。由于工艺制程、物料辅料等因素的变化，电子组装工艺技术与产品的
第1期
可靠性也迎来了更加严峻的挑战，同时一些长期可靠性问题日益凸显，比如离子残留导致的PCBA组件的腐蚀与电迁移问题。
研究发现，组装制程中的离子残留主要来源于以下两个方面。
a)由于无铅焊料的润湿性能较差，组装缺陷率较高，对此，最直接的解决方法就是提升助焊剂的活性。但是助焊剂活性提高就意味着活性物质的含量增加，这些活性物质往往具有较强的腐蚀性，如果焊接工艺配合不当导致活性物质残留在焊点周围或者线路板上，则常常会引起腐蚀、电化学迁移
等可靠性问题[1-2]。
b)基于制程残留物对产品可靠性的影响，以及对于环境友好、成本效益等综合因素的考量，目前在PCBA制程中，越来越多的厂商选择免清洗或简单清洗工艺。免清洗助焊剂残留物相对稳定，且残留量
低，对于非高可靠性的电子产品，使用免清洗助焊剂可以达到减少工序、降低成本和减少有毒有害溶剂挥发等目的[3]。然而，众多厂商发现，采用免清洗或简单清洗工艺后，如果不能保证板面的离子残留干净,PCBA组件在储存或在客户端使用一段时间后，更易发生板面腐蚀或电化学迁移。
以下从两个案例出发，介绍板面离子残留较多而对产品可靠性产生的影响和危害。
1案例
1.1案例1
某新能源汽车上的电机控制组件(PEU:Power Electronic Unit)在整机
试验阶段，其插装焊点附近的板面出
现腐蚀，如图1所示。腐蚀较严重的
两个区域，其外接电平在±15V之间
跳变，并且试验时板面较潮湿，可见凝露，而PCB表面未涂覆三防胶防护。另外，插装焊点采用波峰焊接，助焊剂采用免清洗助焊剂，并且焊后未清洗。
对腐蚀区域进行扫描电镜和能谱分析(SEM&EDS)，结果发现:1)焊点之间可见大量的枝晶状物质，经EDS元素分析可知是锡(Sn)枝晶，另外可见较为明显的迁移路径和Sn的沉积;
2)腐蚀区域可检测到少量的硫(S)元素和含量很高的氧(O)元素，由于PCB板表面的阻焊膜中也含有S元素，因而不能判定S元素会引发金属腐蚀，需要进一步地利用离子谱分析来确认板面是否存在离子态的硫，但是O元素的含量明显地偏高，说明相关的金属元素(Sn、Cu)被氧化或腐蚀，如图2所示。
b焊接面
图1PEU腐蚀区域外观光学
照片a元件面
HV mag□WD det500μm
15.00kV300x12.0mm BSED HV mag□WD det50μm
15.00kV3000x12.0mm BSED
HV mag□WD det2mm
15.00kV80x11.9mm BSED HV mag□WD det200μm
15.00kV600x12.0mm BSED
李晓倩等院PCBA失效中的电化学迁移与腐蚀研究
2019年
电子产品可靠性与环境试验图5腐蚀区域SEM&EDS 结果
对PCB 板面进行离子谱分析，结果发现腐蚀区域可检测到Cl -和SO 42-，含量分别为1.08μg/cm 2和1.35μg/cm 2，而未腐蚀区域仅可检测出含量为0.24μg/cm 2的Cl -。而目前行业内从避免PCBA 由于发生腐蚀及电迁移而导致失效的角度考虑，对采用免清洗工艺的PCB 组件，要求Cl -和SO 42-均应不高于0.5μg/cm 2。
因此可见,PEU 组件上的插装焊点在残留离子、变化的电场和水汽的作用下生成Sn 2+,Sn 2+向阴极迁移，由于电场的时断时续,Sn 2+结晶析出而形成枝晶。1.2案例2
某电动汽车上的电池管理组件(BMU :Battery Management Unit )上机后不久在插装焊点附近的板面上出现腐蚀、线路断开，如图3所示。其中，插装焊点采用手工焊接，焊后未清洗，表面涂覆了三防胶，并且组件的工作环境的温湿度较高。
腐蚀区域的X-Ray 检查发现导线断开，而阻焊膜覆盖下的内部导线未见开裂，如图4所示。
通过观察腐蚀区域表面的SEM&EDS 结果发现:1)腐蚀区域板面可检测到含量较高的O 元素和Sn 元素;2)腐蚀区域板面上的三防胶可见微裂纹、起皱和脱落现象;3)未被腐蚀的板面处，亦可见三防胶起皱，如图5所示。
图2腐蚀区域SEM&EDS 结果
Element Wt%At%CK    4.2814.83OK 21.1254.91CuL 9.08  5.95SiK 0.71  1.06SK 0.570.74SnL 64.2322.51Matrix Correction
ZAF
6615293962641320
O
C
Sn Cu
Si
S
Pt
Sn
1.00
2.00
3.00
4.00
5.007.00
6.00
8.00
9.00reaction研究
Energy.keV
Element Wt%At%CK 0.987.71OK    2.7316.04SnL 96.2876.25Matrix
Correction ZAF
1.51.20.9KCnt
0.6
0.30.0
Sn
O C
Pt
Energy.keV
1.00
2.00
3.00
4.00
5.007.00
6.008.009.0010.0013.00
12.0011.00
图3BMU 腐蚀区域外观光
学
照片图4BMU 腐蚀区域X-Ray 照片
Element Wt%At%CK 15.7939.69OK 22.8343.09CuL    3.65  1.73ZnL    3.81  1.76SnL
53.9213.72
5534423312210
O C
Zn Cu Pt
Sn
1.00
2.00
3.00
4.00
5.007.00
6.008.009.00
Energy.keV
110HV mag □WD det 300μm
15.00kV 500x 13.0mm ETD
HV mag □WD det 200μm
15.00kV 800x 13.1mm ETD
HV mag □WD det 2mm
15.00kV 80x 13.0mm ETD
第1期通过观察腐蚀区域截面的SEM&EDS 结果发现:1)腐蚀处的焊料结构疏松,O 元素的含量较高，还可检测到少量的Cl 元素和S 元素;2)腐蚀位置处，三防胶存在起皱掀起、内部纵向裂纹、局部三防胶缺失、三防胶与阻焊膜结合不良和存在缝隙等不良;3)未被腐蚀的PCB 板面，三防胶存在内部裂纹、厚度不均匀且差异较大、三防胶与阻焊膜局部结合不良和存在明显的缝隙等不良，另外，三防胶与阻焊膜之间局部可见锡珠、锡渣残留，如图6所示。
对腐蚀区域进行离子谱分析，结果可检测到含量很高的Cl -、NO 3-和SO 42-，含量分别为2.80、
1.44、0.99μg/cm 2。
由此可见，由于三防胶内部存在裂纹且与板面结合不良，导致其对空气中水汽的防护能力减弱，焊点在较多的残留离子、持续电场和空气中水汽的
共同作用下发生电化学反应，从而造成腐蚀开路。
2分析与讨论
无铅焊接工艺中使用的助焊剂，其残留的酸性
物质或卤素离子在潮湿的环境下，一方面极易对焊点、焊盘或元器件引脚直接造成腐蚀，生成金属离子；另一方面，如果有电场的参与，将极易发生电化学反应而生成金属离子。生成的金属阳离子在水与电场的作用下向阴极迁移并结晶析出，生成树枝状晶体(枝晶)。因此，导致腐蚀和枝晶生长最关键的3个因素就是残留离子、水汽和电场[4-6]。
基于残留离子的影响，一般情况下组装后的PCBA 需先进行清洗以去除表面较多的残留离子。但是，目前基于成本的考虑和清洁生产的要求，越来越多的厂商选择免清洗工艺，以希望能满足设计和性能要求。但免清洗工艺是不是真的就不需要清洗了呢?从以上两个案例
可以看出，答案当然是否定的。
目前行业中俗称的“免清洗助焊剂”其实是一组助焊剂的统称，它属于低残留助焊剂，其优点是在焊接之后有稳定和良好的残留
[7]
。
但是，电子组装制程中清洗与否的标准并不是看用不用免洗助焊剂，而是要针对终端使用环
境和对产品可靠性的要求，具体分析与残留相关的某个或者某些长期可靠性问题。
电子产品的微型化、高密度化发展使得导线间距逐渐地减小，布线更加密集，对线路板表面清洁度的要求也随之提高。因此，有必要对组装残留物及其对可靠性的影响进行评估，以降低组装残留物带来的质量风险。在试验手段上，可以借助离子清洁度或离子谱分析技术来直观地评价组件的清洁状况或离子残留种
类及残留量，对一些具有高可靠性要求的产品，还可以在湿热环境下对PCBA 或相关物料进行电迁移试验，以评估腐蚀和电化学迁移发生的风险。对于评估组装残留物可靠性相关的测试规范，目前行业内广泛使用和认可的是IPC 标准，包括:IPC-TM-650《试验方法手册》、IPC-6012《刚性印制板的鉴定及性能规范》、IPC J-STD-001
《焊接的电气和电子组件要求》和IPC-CH-65《印制板及其组件清洗指南》等。
图6腐蚀区域截面SEM&EDS
结果
Element Wt%At%CK 9.4833.73OK 13.7036.59BrL    2.79  1.49SK 0.83  1.10SnL
0.86  1.040.0
O
C S Cl
Pt Sn
1.00
2.00
3.00
4.00
5.007.00
6.00
8.00
9.00Energy.keV
CIK 72.35
26.05
Br 10.00
1.41.10.8
HV 0.3
KCnt
0.6mag □WD det 500μm
15.00kV 300V 11.3mm BSED
HV mag □WD
det 30μm
15.00kV 5000x 11.3mm BSED
HV mag □WD
det 100μm
15.00kV 1000x 11.1mm BSED
HV mag □WD
det 100μm
15.00kV1400x 10.3mm BSED
HV mag □WD det 200μm
15.00kV 700x 10.2mm BSED
李晓倩等院PCBA 失效中的电化学迁移与腐蚀研究
2019年电子产品可靠性与环境试验
3结束语
对于无铅制程的PCBA组件，如果缺少有效的焊后清洗工艺，即使采用免清洗助焊剂，也很难避免表面离子残留量偏高的风险[8]。在产品服役期间，当工作环境相对潮湿时，偏高的残留离子在电场、水汽的作用下极易发生电化学反应及电迁移，造成开路或漏电短路失效。即使没有电场作用，偏高的离子残留也会对PCBA组件的焊点、焊盘等造成腐蚀，从而影响产品的可靠性。为了应对此类失效问题，建议主动采取一些积极的预防措施，比如: 1)加强对PCBA的清洁度和离子残留的管控，确保其符合规定的标准要求;
2)尽量使用不含卤素或卤素含量低的助焊剂，并且有针对性地选择清洗溶剂;
3)在PCBA表面涂覆三防胶进行有效的三防防护。
参考文献院
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涂装也是战斗力！苏57用最新涂装隐身能力大增
俄罗斯技术国家集团1月13日称，增强了雷达波吸附性能的复合材料已被用在最新的多用途战斗机苏-57和战略轰炸机图-160的驾驶舱顶盖上。
该公司指出，隐身涂装使对雷达波的吸收性能增加了两倍。此外，它能使驾驶舱的雷达信号度降低30%。
这种涂层会被用在苏-57、苏-34、苏-35、苏-30、米格-29和图-160等各型军机的座舱顶盖上。
报道称，这是一种70~90nm厚的金属氧化物涂层。涂层不仅能增加飞机的隐身性能，还能保护飞行员免受紫外线辐射。
(摘自新华网)

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