張培強， 甘吉松， 唐雁煌， 張瑩潔， 朱剛， 劉子蓮

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 511370）

0 引言

印制板組件（PCBA） 被廣泛地應用于通訊電子、 航空航天、 工業(yè)制造、 智能家電和軌道交通等諸多重要領域。 隨著電子技術和裝聯(lián)技術的高速發(fā)展， 電子制造PCBA 在實現(xiàn)小型化和集成化的同時， 出現(xiàn)的失效問題也越來越多。 近年來， 由于氯離子殘留造成的電化學遷移和腐蝕失效案例屢見不鮮， 造成的行業(yè)內(nèi)重大損失也頗為常見[1-7]。 在PCBA 中， 鹵化物離子特別是氯離子的殘留對產(chǎn)品的可靠性有很大的影響[8]， 如助焊劑殘留物中的氯離子和溴離子會在水汽、 偏壓的作用下引發(fā)活潑金屬發(fā)生電化學遷移， 形成金屬枝晶， 從而導致電子元器件發(fā)生短路等功能不良[9]； 并且PCBA 表面殘留的氯離子和溴離子在潮濕環(huán)境下會形成導電通路， 進而引發(fā)主板短路打火等失效現(xiàn)象。

本文選取與氯離子相關的PCBA 局部短路失效和PCBA 打火失效的兩個典型案例， 對其失效原因進行系統(tǒng)的闡述， 并給出了一些建議。

1 PCBA 局部短路失效案例分析

1.1 案例背景

某電子產(chǎn)品服役于通信行業(yè)， 對其機箱進行高低溫循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在第二個循環(huán)的升溫過程中出現(xiàn)報故， 報故溫度點大約為70 ℃。 通過故障排查， 定位故障為產(chǎn)品芯片其中一面的兩個管腳有導電異物搭連， 造成局部短路。 產(chǎn)品在模擬進行溫度循環(huán)試驗時， 所吹的風為未經(jīng)處理的自然風。 生產(chǎn)該PCBA 的工藝過程為免清洗工藝。

1.2 分析過程

通過外觀觀察可知， 產(chǎn)品在其芯片的焊柱下方有白色異物殘留（如圖1 所示）， 而產(chǎn)品的其他位置未見明顯的異物殘留， 依據(jù)產(chǎn)品在試驗狀態(tài)下的風流示意圖（如圖2 所示）， 可知上述異物殘留的地方為迎風面， 屬該試驗條件下易遭自然風中水汽、 污染物等物質(zhì)堆積的地方。

圖1 芯片焊柱下方的代表性外觀照片

圖2 產(chǎn)品在試驗狀態(tài)下的風流示意圖

通過SEM&EDS 分析可知， 產(chǎn)品的芯片焊柱異物呈粉末狀及枝晶狀兩種形貌（如圖3 所示）， 其中粉末狀形貌的主要組成為鉛（Pb）、 少量的錫（Sn） 和少量的氯（Cl） 元素， 而枝晶狀形貌的主要組成元素為鉛（Pb）。 焊柱異物的主要組成元素與焊柱本體相似（成分為Sn10Pb90）， 故判斷異物來源于焊柱本身， 結合形貌可知粉末狀異物為焊柱的腐蝕產(chǎn)物， 枝晶狀異物為焊柱的電遷移產(chǎn)物。 上述結果表明芯片附近的異物為焊料的腐蝕產(chǎn)物， 腐蝕源可能為氯離子（Cl-）。

圖3 芯片焊柱異物的SEM&EDS 結果

為了確定氯元素的存在形式， 以及判斷氯的殘留量與風流強度的關系， 選取圖4 所示的位置1-7及剝離三防漆后的PCB 板面進行氯離子測試。 其中， 位置1-2 為腐蝕位置也為迎風位置； 位置3-4為主流道位置； 位置6-7 為弱流道位置， 位置5為與位置1 結構及工況相同的位置（如圖4 所示）。

圖4 產(chǎn)品的離子色譜測試位置圖

由表1 結果可知： 1） 腐蝕位置相對于其他位置存在較高含量的氯離子； 2） 板面上的氯離子分布與自然風流道相關， 迎風面的氯離子含量高于主流道位置， 高于弱流道位置。

為了進一步地排除氯離子主要來源于板子本身殘留的可能性， 對未經(jīng)歷環(huán)境試驗的涂覆三防漆的產(chǎn)品和未涂覆三防的產(chǎn)品進行離子色譜分析， 結果詳如表1 所示。 由分析結果可知， 涂覆三防漆產(chǎn)品及未涂覆三防的產(chǎn)品的芯片焊柱位置（位置1' 及位置1”） 的氯離子含量均較低且與板面的其他位置相近， 這說明產(chǎn)品上的氯離子主要來源于外界污染， 而非板子本身的殘留。

表1 氯離子色譜檢測結果單位： μg/cm2

1.3 失效原因

通過觀察產(chǎn)品的外觀， 可見其芯片的焊柱下方有白色異物殘留。 依據(jù)產(chǎn)品的風道圖， 可知這些有異物殘留的地方為迎風面， 即外來污染物容易堆積的地方。

通過SEM&EDS 分析結果可知， 芯片的焊柱的離子色譜結果檢出較高含量的氯離子（0.900 μg/cm2），這個含量約為未腐蝕焊柱的3 倍， 說明芯片焊柱的腐蝕位置附近有高含量的氯離子聚集， 并可推斷氯離子的殘留是引起焊柱腐蝕的主要原因。

對產(chǎn)品上的不同位置進行離子色譜分析， 通過對比不同位置上的氯離子含量可知： 產(chǎn)品板面上的氯離子分布與自然風流道相關， 即迎風面的氯離子含量高于主流道位置， 主流道位置的氯離子高于弱流道位置， 產(chǎn)品上的腐蝕位置正好位于迎風面， 受污染的可能性較大， 故初步判斷氯離子來源于外界污染。 對未經(jīng)環(huán)境試驗的涂覆三防漆產(chǎn)品及未涂覆三防漆產(chǎn)品進行離子色譜分析， 結果表明產(chǎn)品板面各個位置的氯離子含量均低于0.16 μg/cm2， 由此可排除產(chǎn)品上的氯離子為產(chǎn)品本身的殘留， 即產(chǎn)品上的氯離子來源于外界污染。

在缺乏三防漆涂層保護的情況下， 芯片的焊柱位置受外來氯離子及水汽污染， 在電場的作用下發(fā)生焊柱材料的電化學腐蝕及遷移， 從而在焊柱間形成金屬枝晶導電通路， 導致局部短路。

1.4 失效機理

芯片的焊柱下方白色異物的主要組成元素為鉛（Pb）， 鉛在正常環(huán)境下具有良好的抗電化學遷移能力， 但在存在鹵化物等雜質(zhì)離子的情況下， 則容易產(chǎn)生電化學腐蝕并導致電化學遷移。 由于污染物堆積及帶電工作， 芯片的焊柱已構成電化學腐蝕微環(huán)境： 1） 潮濕環(huán)境下焊柱間產(chǎn)生液膜； 2） 焊柱間具有電壓差； 3） 存在氯離子。 電化學腐蝕反應如下所示。

a） 陽極處， 金屬鉛失去電子形成鉛離子：

b） 陰極處， 鉛離子得到電子沉淀為鉛枝晶：

在整個電化學腐蝕過程中， 氯離子起電解質(zhì)及催化反應進程的作用， 從而大大地加速電化學腐蝕的反應進程， 其中陽極發(fā)生腐蝕反應而使焊柱產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物， 陰極發(fā)生還原反應而使焊柱形成鉛遷移枝晶。

1.5 改善建議

對于PCBA 上的大尺寸分立器， 在噴涂三防漆過程中， 其焊柱或引腳等位置由于結構上的遮擋、異形和高度差等原因， 存在三防漆涂層缺涂、 偏薄和不均勻等不良現(xiàn)象； 建議對PCBA 上的三防風險位置進行識別和涂覆工藝改善， 保障三防風險位置涂覆到位， 防止外部氯離子及水汽等污染的滲透引起的電化學腐蝕及遷移現(xiàn)象。

2 PCBA 打火失效案例分析

2.1 案例背景

某家用電器在戶外服役了半年后， 其電控板出現(xiàn)功能故障， 打開其塑料殼后發(fā)現(xiàn)電控板及塑料殼上均有打火現(xiàn)象， 其中電控板的打火位置位于強電位置。

2.2 分析過程

對失效品塑料殼及電控板進行外觀觀察（如圖5-6 所示）， 塑料殼及電控板上均觀察到有一處打火位置， 且打火位置重合。 其中， 塑料殼的打火位置上分布有大量的液滴， 并已發(fā)生明顯的熱變形，而電控板的打火位置位于器件的引腳之間， 板面可觀察到明顯的灼燒發(fā)黑現(xiàn)象， 器件的最左側引腳已被腐蝕斷裂， 并觀察到附近也出現(xiàn)液滴殘留現(xiàn)象。對塑料殼及電控板的未打火位置進行觀察， 發(fā)現(xiàn)塑料殼在外部位置仍有明顯的液滴殘留， 而電控板的未打火位置較為干燥， 并可觀察到殼體正對引腳位置處殘留有白色物質(zhì)。

圖5 失效品塑料殼內(nèi)部檢查圖片

由SEM&EDS 及FT-IR 的分析結果可知， 電控板打火位置處可檢出較高的氯（Cl） 及鈣（Ca），器件引腳腐蝕物的主要成分為銅的氯化物， 正對引腳的殼體上白色物質(zhì)的主要成分為錫的氯化物， 失效品塑料殼及新品塑料殼的主要成分均為ABS/PVC 合金（含有較高的氯（Cl） 及少量的鈣（Ca）元素）， 電控板打火位置液滴、 塑料殼打火位置液滴和塑料殼外部液滴的主要成分均為水。

圖6 電控板打火位置檢查圖片

對打火位置附近的器件引腳焊接位置進行切片分析。 發(fā)現(xiàn)： 1） 各個引腳焊接位置的焊料填充高度均不足75% （如圖7 所示）， 不符合IPC-A-610G 的要求； 2） PCB 內(nèi)部的灼燒區(qū)域分布說明打火的起源位置位于器件最左側引腳（引腳1） 的焊接位置的上方， 從引腳的焊接位置形貌及能譜結果可知， 該處引腳已完全被氯腐蝕， 且腐蝕位置處未檢出錫（Sn）， 表明失效前期焊料先被氯腐蝕溶解（正對最左側引腳下方的塑殼上的白色粉末檢出錫及氯）； 3） 觀察打火引腳相鄰引腳“2”， 未見引腳“2” 在PCB 內(nèi)部有明顯的打火及腐蝕現(xiàn)象， 但可見其焊接位置表面有微裂紋發(fā)生。

圖7 器件引腳焊接位置的切片圖片

對器件最左側引腳（引腳“1”） 的蝕斷末端進行切片分析， 可見該引腳末端切面呈明顯的腐蝕形貌， 腐蝕物中檢出大量的銅（Cu） 及氯（Cl）元素。

進一步地進行離子色譜分析， 結果如表2 所示。 發(fā)現(xiàn)電控板的打火位置處含有大量的氯離子（Cl-） 及鈣離子（Ca2+）， 而電控板正常位置的氯離子及鈣離子含量則明顯地偏少， 表明打火位置處的氯離子及鈣離子并非來源于電控板面的正常殘留；對比塑料殼的打火位置及正常位置的離子結果， 可知塑料殼打火位置表面殘留有大量的氯離子（Cl-）及鈣離子（Ca2+）， 而正常位置處的氯離子（Cl-）及鈣離子（Ca2+） 含量則很少， 表明塑料殼打火位置處的氯離子（Cl-） 及鈣離子（Ca2+） 并非來源于塑料殼的正常析出。

表2 離子色譜檢測結果單位： μg/cm2

排除塑料殼的正常析出， 結合塑料殼在打火位置處的灼燒形貌， 判斷打火位置處殘留的大量氯離子（Cl-） 及鈣離子（Ca2+） 來源于塑料殼在高溫下的降解釋放。

2.3 失效原因

由切片分析結果可見， 所有未打火引腳的焊接位置的焊料填充高度均明顯不足75%， 且通過觀察， 可發(fā)現(xiàn)與打火引腳相鄰的正常引腳在焊點的應力集中位置已發(fā)生微裂紋開裂， 這說明左側引腳曾受應力作用； 而焊料填充高度不足， 將促使焊點應力開裂的發(fā)生。 器件引腳焊點開裂后， 因為接觸不良， 引腳在焊點開裂位置產(chǎn)熱。

塑料殼體的主要成分為ABS/PVC 合金， 并含有大量的氯及鈣元素， 其中的氯主要以共價態(tài)的形式存在， 鈣則存在于殼體中添加的無機填料中，當殼體受高溫作用時， 殼體中的PVC 成分會發(fā)生降解而產(chǎn)生氯化氫， 在潮濕的條件下， 氯化氫氣體可以與殼體中的無機填料反應， 從而生成可溶性氯化鈣。

隨著熱量的積累， 位于引腳下方的塑料殼體因為受熱而發(fā)生降解， 并在水汽的作用下釋放大量的氯離子（Cl-） 及鈣離子（Ca2+）， 氯離子（Cl-） 先從電控板下方腐蝕焊料， 加劇接觸不良， 導致產(chǎn)熱量的增加， 進而使塑料殼釋放更多的氯離子， 后進一步地加速引腳的產(chǎn)熱， 導致打火。

2.4 失效機理

器件引腳在焊接位置的焊料填充高度不足， 導致引腳的焊接位置在應力作用下發(fā)生焊點開裂， 進而使引腳發(fā)生接觸不良而產(chǎn)熱。 熱量的積累， 使得主要成分為ABS/PVC 的塑殼降解并產(chǎn)生大量的氯離子。 PVC 的降解反應如下：

在水汽的作用下， 氯離子腐蝕焊點并加劇引腳的接觸不良， 最終促使電控板在引腳位置大量產(chǎn)熱而打火， 并使塑殼產(chǎn)生打火痕跡。

2.5 改善建議

針對以上問題， 提出了以下兩點改進建議：

1） 對于器件引腳的焊接位置， 焊料的填充高度應符合IPC-A-610G 的要求， 防止引腳的焊接位置在應力作用下發(fā)生焊點開裂；

2） PBCA 板附近應盡量地避免采用易降解的含鹵高分子材料， 防止其降解產(chǎn)物遷移到PCBA 表面并造成腐蝕、 打火等失效。

3 結束語

氯離子腐蝕失效是一種常見的失效模式， 在業(yè)內(nèi)一直受到高度關注。 本文從兩個氯離子引起的腐蝕失效案例出發(fā)， 對電路板腐蝕的失效原因及機理進行了詳細的闡述， 并提出了實際可行的解決方法與改善建議。

筆者發(fā)現(xiàn)， 氯離子的來源主要包括電子產(chǎn)品本身和外界環(huán)境， 從電子產(chǎn)品制造工藝過程來看， 含氯的電子工藝材料或高分子材料及制品是引入氯離子的主要因素。 市面上所使用的材料產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊， 因材料問題導致的產(chǎn)品失效也屢見不鮮。 故應當根據(jù)產(chǎn)品的可靠性情況， 對產(chǎn)品所涉及的各類材料進行優(yōu)選選型和驗證， 并加強材料的質(zhì)量管控。