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解決白色殘留物以及局部污染的對策
2010-12-06
電化遷移是在導體經歷了DC偏壓時導體間的導電金屬形成橋接的現象。金屬導體由帶正電荷的導體(陰極)向帶負電荷的相鄰導體(陽極)轉變,因此,在導體間出現短路。電化遷移由鍍覆不同的金屬所構成。離子雜質與水混合,通常會形成局部酸源,其能夠溶解金屬離子。在電勢的作用下,金屬離子在其間的間隙中運行,在其運行過程中就會在層壓板上鍍覆上金屬,形成金屬絲。污染嚴重的組裝,其風險就比潔淨組裝的風險大。此項研究的目的是為了論證促成電化遷移的根源  白色殘留物、局部污染、終端使用環境和電勢以及針對問題所採取的對策。

前言


  電子設備的複雜性使得日益突顯的一個重要現象真相大白:可靠性設計。產品的長壽命  或不具有長壽命,當設計和製造前沿的電子組裝件時困難越來越大。1由於電子組裝製造工藝越來越先進,客戶對性能提出更高需求,系統功能也隨之提高。期待產品壽命達到一致的可靠性要求是推動設計人員和組裝廠家昇華的因素。


  焊後清洗助焊劑的殘留物一直是軍事、航空航天、汽車、醫療器械和其他增值產品組裝廠家努力實踐的高可靠性標準。高密度設計降低了元件的間隙和分離高度。去除助焊劑殘留物的複雜性提高,而在低分離高度元件下的白色殘留物的風險卻日益提高。可靠性是人們主要關注的問題,完全去除組裝件表面的所有助焊劑殘留物以及Z軸底部TM殘留物,其在製造工藝中的重要性越來越重要。組裝廠家正經歷?清洗困難的挑戰,在他們生產出可靠產品之前是必須克服的困難,以滿足客戶更快、更小和高性能的日益提高的需求。


白色殘留物失效機理


  電路板早期失效是組裝廠家存在的一個突出問題。前沿設計失效歸因於特性尺寸降低,這樣就提高了由工藝缺陷而導致缺陷的風險。2高密度低分離高度元件下夾雜的白色殘留物潛在有由離子殘留物導致的材料缺陷(見圖1)。根據篩選一種過程輸出的方法來確認可靠性的傳統方法不再是一種有效的方法。在一定程度上,電子組裝廠家正向?建立可靠性,通過控制和監控清洗因素來確保完全去除助焊劑殘留物方向發展。

圖1 白色殘留物電化遷移生長


  便攜式電子產品的快速增長使得失效的風險係數越來越大。4特性尺寸降低打開了快速和小型化器件的市場。由於低的分離高度,清洗這些器件已變得越來越複雜。許多行業標準的清洗工藝並沒有將Z軸TM下殘留物去除列在其中(見圖2)。助焊劑殘留物使得導體橋接,在某些情況下,在焊接過程中發熱,而且在使用過程中會導致球形焊料圖形連接,使得整個導體的焊料橋接。其中有許多器件,在確定器件可用壽命的產品可靠性中與失效相關的磨損並不是關鍵問題。關鍵因素是設計一種可確保可靠性的工藝,這將是主流方向。

圖2 芯片端蓋下面的白色殘留物


電化遷移的風險


  由於界面的電荷平衡使得電磁場的離子遷移,其往復於電解液的總電流密度導致金屬離子分裂並形成枝晶狀。空間耦合spatial coupling取決於緻密耦合區域的導體間的距離。3在提高電流密度的同時,小電極的輸入/輸出電流就下降。這種現象會使高I/O器件產生高電流密度。高密度組裝件與空間耦合有關聯,這完全取決於電解液和電極的幾何形狀。


  通過去除所有的助焊劑殘留物可以克服電化遷移,其在電磁場的作用下消除了離子遷移。3局部地清除助焊劑殘留物會留下離子氧化膜(白色殘留物),其為金屬溶解反應創建了一條通路(見圖3)。潮濕所帶來的水氣和電流可使離子殘留物游離,並在導體間傳播。

圖3 白色殘留物遷移


前沿組裝件的清洗


  當電子組裝廠家從傳統的設計向?上游前沿技術的主流發展時,基於技術市場的壓力提高了對可靠性的要求。5在過去的二十年中,傳統的表面組裝技術成功地採用了低殘留物免清洗焊接實踐。今天印製電路板製造廠家的挑戰涉及到高密度和小型化。多芯片密度、日益增加的I/O數量、降低的面陣列間距和更小的元件分離高度推動?高性能電子組裝設計的發展(見圖4)。

圖4 元件清洗的挑戰


  更高密度、更小元件和更低分離高度的需求正改變?對電路板清潔度的限定。當今的和傳統的質量保證的常規觀點將電路板可靠性視為等同於視覺可見殘留物和溶液抽出物測量的電阻係數。隨?元件尺寸的縮小和低的分離間隙,萃取和觀察到的與產品的質量相關可測得的殘留物的能力很值得懷疑。清洗工藝承擔了去除肉眼可見的殘余物和截留在元件底部的通常為肉眼看不到的殘留物的整個新的清洗限定。

  清洗工藝的設計和合格條件採納新的規限。間距緻密的組裝件,少量助焊劑污染就會使其電路洩漏、串音和電化遷移加劇。6這些問題由於當今的助焊劑的化合物變化而有所提高。許多新的助焊劑成分降低了密封製造中殘留物的高固體松香的含量。當今的一些助焊劑成分,使用少量抗蝕活化劑。低固體成分的助焊劑,通常是用弱有機酸配製而成。殘留的化學殘留物與歷史響應機理沒有直接關係。


  此外,採用混合技術的電路組裝件可能會經歷多次焊接工藝。就一個組裝件而言,對其頂部和底部元件的SMT再流進行檢查是很尋常的事,波峰焊接、選擇性焊接、返修和可對精細和在重點區域的小的殘留物進行局部刷洗,由於二次工藝。需對這些殘留物的影響進行評估;還應建立相應的測試協議,以確保產品的可靠性。

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