PCB上銹跡斑斑的問題 如何識別受腐蝕PCBA污染源

當(dāng)印制電路板組件（PCBA）受到腐蝕而返回時，分析人員需要找到引起腐蝕的污染源，以便消除它。污染可能來自多種來源，例如制造作業(yè)、封裝、安裝和環(huán)境。

有許多方法都可以用來確定污染物的組成。一旦知道了它的成分，就可以確定可能的來源。本文通過一個例子，說明了分析人員用來識別受腐蝕PCBA污染源的過程。

有幾塊受腐蝕的PCBA從客戶那里返回，PCBA受到了嚴(yán)重腐蝕，但只是發(fā)生在它一邊附近的幾個位置。其中兩塊PCBA的腐蝕圖像如圖1和圖2所示。

圖1：PCBA上的導(dǎo)線開路。

圖2：這張圖像上可以看到有導(dǎo)線開路。

在兩幅圖中，下部的導(dǎo)體都出現(xiàn)了開路。阻焊層已經(jīng)從導(dǎo)體上除去，暴露的銅受到嚴(yán)重氧化。在兩塊PCBA上，由導(dǎo)體之間燒焦的環(huán)氧樹脂可知，它們之間發(fā)生了導(dǎo)電現(xiàn)象。這說明這一腐蝕本質(zhì)上是離子腐蝕，并且由于環(huán)境的關(guān)系，有一層薄薄的水粘附到了PCBA上。

元素鑒定

腐蝕區(qū)域使用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行了成像。SEM通常配備有能量色散X射線探測器（EDX），從而可對樣品的元素組成進(jìn)行確定。EDX系統(tǒng)無法確定兩種元素是否存在化學(xué)結(jié)合，但是知道存在哪些元素，從而可以借此對化學(xué)成分有所了解。

圖3顯示了受污染區(qū)域的SEM圖像，由此便可獲得EDX腐蝕數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖3：腐蝕區(qū)域的SEM圖像。（二次電子成像，SEI）

圖4顯示了腐蝕區(qū)域附近阻焊層的典型EDX光譜和腐蝕光譜。藍(lán)色光譜來自未腐蝕阻焊層區(qū)域，紅色光譜是受腐蝕區(qū)域——這兩個光譜表現(xiàn)出明顯的差異。

圖4：從光譜的y軸可知檢測到的X射線數(shù)量，從x軸可知檢測到的X射線能量。

阻焊層（藍(lán)色光譜）中包含硅（Si），用于控制液體阻焊劑在固化前的粘度。它還包含鋇（Ba）和硫（S），二者結(jié)合成硫酸鋇而用作阻燃劑。所有這些元素包含在阻焊層中都是預(yù)期的，如藍(lán)色光譜所示。

受污染的區(qū)域包含銅（Cu）和氯（Cl），這在阻焊層中找不到。銅來源于銅導(dǎo)體，其已經(jīng)從金屬導(dǎo)體中蝕刻并化學(xué)移除掉，現(xiàn)在沉積在阻焊膜上。氯是PCBA上不應(yīng)存在的污染物。

在環(huán)境中的許多地方都可以找到氯——鹽中含有氯，許多用于制造PCBA的化學(xué)品中也都含有氯。但是，這些化學(xué)物質(zhì)不應(yīng)該是氯的來源，因?yàn)樵赑CBA制造過程中在進(jìn)行洗滌時會將其沖洗掉。在阻焊膜樣品中未發(fā)現(xiàn)氯，因此可以不考慮PCBA的制造過程。

焊接過程中一直使用氯——為了促進(jìn)良好的焊料連接，助焊劑中會添加氯化化合物。這些化合物可快速去除銅上的任何氧化物層，從而實(shí)現(xiàn)良好的焊料連接。但是在從低共熔焊料轉(zhuǎn)換到符合RoHS的焊料期間，所使用的助焊劑類型也受到了更改。助焊劑中代替氯化松香焊劑，使用了包含有機(jī)酸的低固含量焊劑來清潔銅表面而實(shí)現(xiàn)焊接。在焊接過程中，有機(jī)酸通常會因加熱而分解成無害的產(chǎn)物。這些PCBA是在推出符合RoHS的焊料之后制造的，并使用了低固含量的有機(jī)助焊劑制造。

腐蝕只孤立在PCBA的一個區(qū)域。如果空氣中的鹽水霧或氯蒸氣中存在氯，則氯會存在于整個PCBA中。氯用于各種工業(yè)過程（以及游泳池），導(dǎo)致這些區(qū)域的空氣中存在氯和氯化合物。

通過對PCBA的目視檢查發(fā)現(xiàn)，腐蝕區(qū)域附近的幾個元器件經(jīng)過了返工。目視檢查表明，助焊劑殘留物不是來自低固含量的有機(jī)酸助焊劑。

這些返工位置使用SEM的EDX系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)助焊劑殘?jiān)泻新?。助焊劑中含有氯，表明在元器件返工期間使用了老式的活化助焊劑。然后在裝配車間發(fā)現(xiàn)了這一助焊劑的來源，并將其作為糾正措施予以消除——有個返修工位有瓶老式液體助焊劑尚未從工廠清除。

如果未將氯追溯到返工過程中所使用的助焊劑，那么這個必要的糾正措施可能就不會采取，而可能在幾個可能的地方采取糾正措施而消除污染。在這種特定情況下，活化松香焊劑是之前工藝的保留物，尚未從這個返修工位清除。其他消除污染的措施就都會無效。糾正措施必須要根據(jù)調(diào)查期間所收集的證據(jù)。而如果用散彈法（shotgunapproach）消除氯化助焊劑，則可能不會在單個返修工位發(fā)現(xiàn)這瓶助焊劑，而無法消除問題。

EDX如何工作？

在樣品內(nèi)，當(dāng)電子改變其能量而填充原子內(nèi)的空位時，EDX系統(tǒng)會捕獲到其所產(chǎn)生的X射線。它會計算每個能量水平下所捕獲的X射線的數(shù)量。原子內(nèi)原子核周圍的每個電子都有特定的能量，這些能量因元素的不同而異。由于這些能量不同，便可以確定樣品的原子組成。

SEM發(fā)射到樣品上的電子會與每個原子的電子相互作用。在某些情況下，這種相互作用會導(dǎo)致原子的電子逃逸出原子，從而留下空位。如果原子有第二個具有更高能量的電子填補(bǔ)此空位，則必須要釋放一定的能量。釋放的能量會表現(xiàn)成特定能量或波長的X射線形式。通過捕獲和測量這些X射線，就可以匯總出所存在元素的列表。EDX系統(tǒng)的軟件就會將數(shù)據(jù)顯示在圖表上——X射線的能量會顯示在橫軸上，而計算的X射線的數(shù)量則顯示在縱軸上。

（原文刊登于EDN美國版，由趙明燦編譯）