助焊劑殘留為何會(huì)導(dǎo)致電子故障？

摘要

無(wú)論使用何種助焊劑，總會(huì)在焊接后的PCB及焊點(diǎn)上留下或多或少的殘留物，這些殘留物不僅影響PCBA的外觀，更可怕的是構(gòu)成了對(duì)PCB可靠性的潛在威脅；特別是電子產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間在高溫潮濕條件下工作時(shí)，殘留物便可能導(dǎo)致線路絕緣老化以及腐蝕等問(wèn)題，進(jìn)而出現(xiàn)絕緣電阻（SIR）下降及電化學(xué)遷移（ECM）的發(fā)生。隨著電子行業(yè)無(wú)鉛化要求的全面實(shí)施，相伴錫膏而生的助焊劑也走過(guò)了松香（樹脂）助焊劑、水溶性助焊劑到今天廣泛使用的免洗助焊劑的發(fā)展歷程，然而其殘留物的影響始終是大家尤為關(guān)心的方面。

焊接有四種主要方法

表面貼裝回流焊接（SMT）

全板波峰焊接

選擇性焊接

手工焊接

每種方法都會(huì)留下不同程度的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致存在助焊劑殘留物，可能會(huì)導(dǎo)致故障。SMT焊接方式的風(fēng)險(xiǎn)最低，而使用液體助焊劑的風(fēng)險(xiǎn)最高。了解應(yīng)用過(guò)程，助焊劑中的成份以及助焊劑制造商的建議可以極大地提高電子設(shè)備的可靠性。

什么是助焊劑？

助焊劑是化學(xué)物質(zhì)的酸性混合物，用于在焊接過(guò)程中去除金屬氧化物，從而實(shí)現(xiàn)良好的焊錫結(jié)合。您可能會(huì)聽到“低活性”和“高活性”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)，以描述焊接后的助焊劑殘留物是否具有引起清潔相關(guān)故障的風(fēng)險(xiǎn)。但是，從化學(xué)的角度來(lái)看，這些術(shù)語(yǔ)沒有準(zhǔn)確定義，也沒有單一的標(biāo)準(zhǔn)分析或化學(xué)測(cè)試將助焊劑殘?jiān)诸悶椤暗突钚浴被颉案呋钚浴?。這是因?yàn)樾孤╇娏饕鸬墓收喜粌H取決于助焊劑的化學(xué)性質(zhì)和施加的助焊劑的量，而且電氣靈敏度和使用環(huán)境也會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生重大影響。波峰焊，選擇焊和手工焊接中使用的大多數(shù)液體助焊劑成份包括：

溶劑

活化劑

成膜劑

添加劑類

活化劑和成膜劑對(duì)失效風(fēng)險(xiǎn)的影響比其他因素更大。

活化劑

免洗型的助焊劑通常會(huì)使用有機(jī)弱酸（WOA）作為活化劑。一部分弱酸為戊二酸，琥珀酸和己二酸?；罨瘎┑拇嬖谑购竸埩粑锞哂酗L(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈兪撬嵝缘?，但?duì)于獲得良好的焊點(diǎn)來(lái)說(shuō)是必備的。它們與金屬氧化物反應(yīng)形成金屬鹽，促進(jìn)潤(rùn)濕，并且在鹽溶解后形成冶金鍵。在焊接過(guò)程中逐步消耗酸性物質(zhì)，該酸可能會(huì)用于其他有污染或分解反應(yīng)的反應(yīng)中，但這些反應(yīng)并不一致，取決于助焊劑的化學(xué)性質(zhì)和其他不易控制的因素。大多數(shù)有機(jī)弱酸在焊接溫度下基本上不會(huì)蒸發(fā)。因此，重要的是將活化劑的量（和助焊劑）調(diào)整到良好焊接所需的最小量。

成膜劑

成膜劑是不溶于水的高熔點(diǎn)化學(xué)品。焊接后，它們形成了大部分可見殘留物。它們起著包含活化劑的作用，并防止它們?nèi)芙庠谒??！暗凸虘B(tài)”助焊劑配方幾乎不含成膜劑，幾乎沒有可見的殘留物。從理論上講，更多的成膜劑可以減少發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也會(huì)使組件看起來(lái)很臟。成膜劑最常見的成份是松香，化學(xué)改性的松香和合成樹脂。

溶劑類

溶劑的主要作用是溶解焊劑中的所有成份，使之成為均勻的黏稠液體，易于使用。有時(shí)，可以使用幾種具有不同沸點(diǎn)的溶劑來(lái)確保焊接曲線的不同溫度階段保持物理性能，必須在焊接過(guò)程中完全蒸發(fā)。如果溶劑存在助焊劑殘留物中，則會(huì)增加發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。重要的是要確保僅將助焊劑施加到組件的暴露于峰值焊接溫度的區(qū)域。在波峰焊接過(guò)程中，助焊劑可以通過(guò)孔流到組件的頂側(cè)，也可以在保護(hù)層下流過(guò)，從而不會(huì)出現(xiàn)在在高溫下。手工施加的液體助焊劑可能會(huì)特別成問(wèn)題，人為的因素影響很大。

添加劑

添加劑通常只占助焊劑的小部分。它們可以是增塑劑，染料或抗氧化劑。雖然制造商可能會(huì)添加化學(xué)成分來(lái)幫助提高可靠性，但其殘留的影響微乎其微。

助焊劑應(yīng)用

助焊劑的應(yīng)用方式有多種，最常見的是：

焊膏中的助焊劑，用于表面安裝

用于波峰焊或選擇性焊接液體助焊劑

用于手工焊接的液體助焊劑

焊絲或焊條中的助焊劑

由于所使用的助焊劑的量很重要，因此這些不同的應(yīng)用過(guò)程會(huì)帶來(lái)與清潔相關(guān)的故障的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同。錫膏助焊劑的風(fēng)險(xiǎn)最小，這是因?yàn)槭褂镁W(wǎng)板或印刷機(jī)來(lái)控制錫膏助焊劑的施加量。表面貼裝中回流焊殘留物造成的故障很少（QFN可能有問(wèn)題）。

液體助焊劑的使用則帶來(lái)更大的風(fēng)險(xiǎn)。噴射使用比其他過(guò)程可使用更多的助焊劑。如果未進(jìn)行最佳控制，則該工藝可能會(huì)施加比所需更多的助焊劑，從而留下更多的酸性殘留物，為潛在的化學(xué)腐蝕反應(yīng)創(chuàng)造更有利的條件，而且液體助焊劑也可能會(huì)流向未處于高溫下的部分。控制手工焊接過(guò)程中施加的助焊劑的量也可能很困難，過(guò)量的助焊劑可能在附近的組件下流動(dòng)，人工熟練程度影響很大。

組裝過(guò)程中或組裝后的失效分析技術(shù)

盡管沒有一個(gè)能進(jìn)行全面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的工具，但是有一些風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法能成功的降低失效的風(fēng)險(xiǎn)。通常在SMT清洗操作過(guò)程中通過(guò)溶劑萃取物（ROSE）的電阻率來(lái)間接判定助焊劑殘留離子的清潔度，數(shù)值結(jié)果有助于確保合格的焊料和清洗過(guò)程。

離子色譜法IC已成為一種常用的技術(shù)，用于識(shí)別SMT表面上的常見離子，并提供焊接后殘留的有機(jī)弱酸活化劑含量的直接測(cè)量值。對(duì)于液體助焊劑尤其重要，因?yàn)榭梢院苋菀椎?a target="_blank">檢測(cè)出所施加的助焊劑量，不同的離子色譜方法產(chǎn)生不同的結(jié)果。完整的組件浸泡測(cè)試為整個(gè)組件表面上檢測(cè)到的平均的離子濃度，而局部提取技術(shù)則可在小范圍內(nèi)測(cè)量離子濃度。

審核編輯：湯梓紅