助焊劑殘留物的類型/來源/形成過程/相關(guān)案例

1.助焊劑

1.1助焊劑的定義

助焊劑是指能夠去除PCB表面、焊料本身的氧化物或表面其他污染，濕潤被焊接的金屬表面，同時在焊接時保護金屬表面不被再次氧化，減少熔融焊料的表面張力，促進焊料擴展與流動的化學(xué)物質(zhì)。

1.2助焊劑的作用

輔助熱傳遞、去除氧化物、降低表面張力及防止再氧化。

1.3助焊劑的組成

1.3.1活化劑

作用：清潔焊接表面，降低表面張力的作用。

1.3.2擴散劑

作用：調(diào)節(jié)錫膏的粘度及印刷性能，以防止出現(xiàn)脫尾、粘連等現(xiàn)象。

1.3.3保護劑

作用：加大錫膏的粘附性，防止焊點再度氧化。

1.3.4溶劑

(通常是酮類、醇類及酯類的混合物)

作用：在錫膏攪拌過程中起調(diào)節(jié)均勻的作用。

2.助焊劑殘留物的類型及來源

2.1助焊劑殘留物的定義

助焊劑殘留物指的是焊接后不揮發(fā)成份、殘留的活性成份以及生成的金屬鹽類。

2.2助焊劑殘留物的種類

PCB焊接后殘留物的產(chǎn)生與焊接過程中使用的助焊劑類型有密切的關(guān)系，從使用的助焊劑類型來看常見的殘留物主要分為以下兩類。

2.2.1松香焊劑的殘留物

主要是由聚合松香、未反應(yīng)的活化劑以及焊接時松香與熔融的焊料之間反應(yīng)生成的鹽等組成。

這些物質(zhì)在吸潮后體積膨脹，部分物質(zhì)還與水發(fā)生水合反應(yīng)。這些呈白色或褐色的殘留物吸附在PCB上，清除異常困難。

2.2.2有機酸焊劑殘留物

如目前廣泛使用的免洗助焊劑，其主要由多種有機酸組成，也包含一些在高溫下可以產(chǎn)生鹵素離子的化合物。

這類殘留物最難除去的是有機酸與焊料形成的鹽類，它們有較強的吸附性能且溶解性較差。

3.助焊劑殘留物的形成過程

以目前廣泛使用的免洗助焊劑為例，其活化成份主要是脂肪二元酸及羧酸類的衍生物。影響羧酸酸性強弱的因素有分子結(jié)構(gòu)、溶劑和溫度等。

3.1分子結(jié)構(gòu)

二元羧酸分子中有兩個羧基(-COOH)，羧基是吸電子基，具有強的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，使其可以電離出兩個H+。而取代羧酸中的羥基酸因為分子中含有羥基(-OH)和羧基兩種官能團，表現(xiàn)出羧基和羧基的兩重性質(zhì)。相比羧基，羥基是更強的吸電子基，使羧基的離解度增加，這樣羥基酸的酸性比母體羧酸更強，從而助焊性能也會大大提高。

3.2溶劑

常溫下二元羧酸主要以分子H2R的形式存在于溶劑中，酸性較弱，腐蝕性較小，但在焊接的溫度下，隨著溶劑的不斷揮發(fā)，其助焊劑中的濃度變大，酸中大量的H+被電離出來，酸性變強，此時H+便和焊料及PCB的金屬表面的氧化膜發(fā)生反應(yīng)，形成有機酸鹽。

3.3溫度

在焊接過程中，助焊劑的活性不僅取決于活化劑本身的分析結(jié)構(gòu)，還與活化劑的沸點及熱穩(wěn)定性有密切關(guān)系。

3.3.1分解溫度

助焊劑中的活化劑通常是由分解溫度不同的多種酸組成的復(fù)合型活化劑，這樣能夠保證助焊劑在不同溫度下的活性。

分解溫度低的活化劑可使得焊后殘留物少、腐蝕小。而分解溫度高的活化劑若在預(yù)熱、焊接過程中受熱不充分時將難以完全分解，這樣將會有殘留物留于PCBA上。

3.3.2溶劑沸點

助焊劑中的溶劑通常也是由多種不同沸點的醇醚類物質(zhì)所組成的，但高沸點的助溶劑含量不能過多，否則會造成溶劑揮發(fā)速度變慢，在PCB經(jīng)過預(yù)熱區(qū)后，仍會有大量高沸點助溶劑殘留在PCB上，在隨后進入焊接區(qū)時，同樣會有一些難以發(fā)生分解而作為殘留物留在PCBA上。

4.助焊劑殘留物的相關(guān)案例

4.1

此案例中，在PCB設(shè)計方面，由于綠油堵孔及引腳位置的特殊結(jié)構(gòu)，容易造成助焊劑聚集殘留。其中，殘留助焊劑主要成分為松香(酸)，該物質(zhì)在吸濕后會降低表面電阻或阻抗，導(dǎo)致漏電。

4.2

此案例中，PCB阻抗降低的原因為排線插座DIP焊接時，殘留的助焊劑過多，形成連片狀態(tài)。

助焊劑殘留物在吸濕狀態(tài)下，會釋放活化劑，當(dāng)端子之間存在電勢差時，就會產(chǎn)生漏電，嚴(yán)重則會短路，甚至?xí)l(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

4.3

此案例中，PCB板上殘留的助焊劑較多，部分區(qū)域未清洗。經(jīng)清洗、烘烤及加濕實驗驗證，再結(jié)合PCBA有吸濕的因素，發(fā)現(xiàn)與電阻有關(guān)聯(lián)的電路或板面阻抗降低。

5.助焊劑殘留物對PCB的影響

殘留物除對PCB的外觀影響外，更重要的是造成功能失效。

5.1殘留物對PCB的腐蝕

殘留物不僅會緩慢地腐蝕PCB裸露的金屬區(qū)，對PCB的阻焊層也會造成一定的破壞，特別是PCBA放置或使用一段時間吸潮后，腐蝕會表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重。

5.2殘留物對電化學(xué)遷移的影響

通過實驗研究表明：助焊劑殘留物的存在將大幅增加電遷移的發(fā)生機率。

5.3 Q&A

Q：電遷移是什么?

A：電遷移又稱電化學(xué)遷移。

電化學(xué)遷移現(xiàn)象指的是在PCBA組裝為整機使用一段時間后，特別是在濕熱環(huán)境下，如果PCB表面有離子存在，離子會發(fā)生定向遷移，最后形成電流通道，進而造成絕緣性能下降。其中，若使用含銀的焊料，在銀腐蝕為銀離子后，電遷移更容易發(fā)生。

Q：殘留物的類型不同對PCB的影響程度及方式是否一樣?

A：不一樣。

非離子型殘留物主要會引起接觸電阻增大，甚至造成開路;而離子型殘留物除了引起絕緣性能下降外，還會引起PCB的腐蝕，最終使整個PCB失效。

6.助焊劑殘留物的可靠性評判方法

從可靠性評判方面來說，目前最常用的評判助焊劑殘留物的方法是表面絕緣電阻測試和電化學(xué)遷移測試。

依據(jù)IPCJ-STD-004B《助焊劑要求》的規(guī)定，焊接后的PCBA在經(jīng)過表面絕緣電阻測試(85℃，相對濕度85%，168H)后，所有測試圖形的絕緣電阻都必須大于1.0×10^8?。經(jīng)過同樣測試條件的電化學(xué)遷移測試后，除梳形電路導(dǎo)體允許有輕微的變色外，其他導(dǎo)體不能有明顯的腐蝕現(xiàn)象;對于出現(xiàn)樹枝狀結(jié)晶現(xiàn)象的，其尺寸不應(yīng)超過導(dǎo)線間距的20%。

7.有效減小殘留物的措施及去除方式

7.1選擇理想的助焊劑

理想的助焊劑應(yīng)該具有高活性、低腐蝕性，然而兩者卻是彼此對立的指標(biāo)，常常有很多助焊劑在一味追求高活性的同時忽視了其腐蝕性。因此在面對諸多的助焊劑時，有必要進行實際的焊接工藝試驗來選擇性能良好、可靠性高的助焊劑。

7.2做好焊接工藝控制

在保證焊接質(zhì)量的前提下，焊接過程中應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱溫度和焊接溫度，保證必要的焊接時間，使助焊劑中的活性劑及溶劑盡可能多的隨高溫分解或揮發(fā)，減小焊后殘留物。

7.3及時采用清洗工藝

對于可靠性要求比較高的電子產(chǎn)品，焊接后必須經(jīng)過嚴(yán)格的清洗工藝。為了降低清洗的難度，在PCB完成焊接后應(yīng)盡快進入清洗工序，在清洗時既要針對非極性殘留物也要針對極性殘留物，因此需使用極性與非極性的混合溶劑來清洗才能有效除去殘留物。當(dāng)然，選擇那些對環(huán)境友好的清洗劑也是需要考慮的方面。

審核編輯：湯梓紅