对环境敏感的电子线路板之失效原因分析及对策

ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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[e-mail]–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRONPCB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:ModernElectronicPackagingIntegratedCircuitsEngineeringCorporationZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON失效成本设备失效成本$100,000故障损失$1,000,000PCB自身价值$100ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON水膜厚度对电阻的影响ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON表面吸附的影响填充有石英的阻焊膜未填充的阻焊膜ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON失效机制吸附的水对SIR的影响吸附的水量(mg)时间(天)SIRZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON金属表面的吸湿性铜镍ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON反应速度SnO2–H2OPassivityPassivityImmunitySn0Sn02SnCorrosionSnH4CorrosionCorro-sionSn4+Sn02–3Sn2+–HSn02pH-value2,0V1,51,00,50-0,5-1,0-1,5-2-10123456789101112131415OH-碱性化水的分解及对锡的腐蚀电势差电极电位EZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON枝晶生长现象机理离子迁移MeMen++ne*Vne*+Men+Me阳极PCB阴极沉积MeMen++ne*ne*+Men+Me阳极PCB阴极溶解MeMen++ne*金属离子阳极PCB阴极ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON桥式形态离子浓度的梯度[c]枝晶的产生取决于离子浓度ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON腐蚀导致的失效失效率(%)测试时间ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON阴极与阳极之间的铜迁移电化学迁移形成的枝晶生长ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON阴极与阳极之间的锡迁移电化学迁移形成的枝晶生长ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON导电层的结构和孔隙度ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON内部银层的腐蚀ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON硫化银晶须ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON污染物或湿度导致的失效失效率(%)测试时间ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON10高频信号Time时间高频信号10Time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）ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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…ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON涂覆层脱落涂覆层下的电化学迁移涂覆失效ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON1400012000100008000600040002000020°C30°C40°C50°C60°C70°C80°C68°F86°F104°F122°F140°F158°F176°FPU型涂覆材料AY型涂覆材料蜡状涂覆材料透湿性标准的[g/m2xh]温度透湿性ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRONPTFE-Membrane（聚四氟乙烯膜）的透湿性在25°C时为：8000g/m2xh透湿性涂敷并不能防水蒸汽！ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON清洗后的表面张力表面张力越高=涂敷材料的粘结性越好0102030405060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3644464856表面张力(mN/m）)ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON拉力[N/mm²]基材未清洗基材清洗过2,483,615432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ZESTRONEurope–Asia–Americawww.zestron.comCopyrightZESTRON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ZESTRONEu