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1、离子污染与电化迁移,PFA Lab / Mar.,2012,2/53,Agenda,一、离子污染 二、电化迁移基础 (ECM) 三、表面迁移 (Dendrite) 四、内部迁移 (CAF) 五、Dendrite与CAF之比对,3/53,自电路板问世以来，残留在印刷电路板上的离子污染物一直是避无可避的问题。无论是裸电路板还是电路板组装件成品，污染物可能会使整个绝缘表面出现电流泄漏，从而引起短路，尤其是在高密度微间距封装中，常常能看到这种现象。离子残留物中含有导电分子，一旦溶解在溶液中就能够导电。一些常见的离子残留物的来源包括电镀材料、助焊剂催化剂、汗水、离子表面活化剂和乙醇胺。如果嚗露在潮湿的环
2、境中，离子污染物会明显加快电路和组装件性能下降的速度。,一、离子污染,4/53,案例一：产品输出电压偏低 产品输出电压偏低，此类问题均发生在湿气较重的时候 。可能引起电压偏低的位置有C59、IC51、R62 。,R62,C59,IC51,C59用烙铁润焊后，产品输出电压恢复正常，向测试OK的产品上吹湿气后测试，则出现输出电压偏低的不良，可推断，湿气会影响产品的性能。,一、离子污染,5/53,IC51 pin之间有异物存在，主要为沾到锡渣的零件pin细屑及助焊剂(C、O、Br)。 产品正常过炉后，将flux清洗干净、免清洗以及涂覆过量flux，产品性能均无下降。 金属或离子物质的存在以及潮湿的环
3、境是产生离子污染的关键。,一、离子污染,6/53,当pin6、 pin7脚间有离子污染时，两pin之间漏电流，即使很小的漏电流，R62阻值为82K，其电压也会很大，从而拉高pin6处的电压，pin7由正常工作时的高电位变成低电位，造成OCP误动作。 将R62由阻值从82K变为5.1 K后降低漏电流对产品的影响，未再发生此类输出电压偏低的情况。,一、离子污染,7/53,案例二：电阻阻值偏低,NG 4 (366V),OK (381V),NG品PWB表面较OK品表面赃，电阻周围可见黄色异物。,R812A,R801A,清洗前: R812A:970k R801A:1001k,清洗后: R812A:999
4、k R801A:1001k,将清洗后的电阻表面沾水，电阻的阻值立刻降低，并随着水分的挥发，阻值逐渐增大，3mins后电阻阻值恢复到初始值。,一、离子污染,8/53,电阻表面protective coating均可见小空洞，可吸附空气中的灰尘或微小杂质，易吸水，尤其当材料的孔隙率越大，吸水率也随之越大。当灰尘或微小杂质加上水汽，并以离子形式出现时即形成离子污染，从而产生漏电，导致电阻阻值偏低，高压加剧了失效的产生。,内部玻璃保护层与电阻层完好，与OK品没有明显差异。,OK,NG,一、离子污染,9/53,电子产品在潮湿的环境中工作，离子污染物的存在还可能会导致电路板腐蚀、枝晶的生长以及导电阳极细丝
5、发生，即所谓的电化迁移。 电化迁移会造成整个电路出现电流泄漏，从而引起短路，尤其在高密度微间距封装中，常常能看到这种现象。,一、离子污染,10/53,2.1 电化迁移(Electro-Chemical Migration)概念 因电场、湿气的影响，金属离子从一金属电极向另一金属电极移动，析出金属和化合物并显示导电性的现象称为离子迁移。 ECM是由溶液和电位等相关的电化学现象引起，特别是在高密度电子产品中，材料与周围环境相互影响导致离子迁移发生。,二、电化迁移基础,11/53,2.2 电化迁移的条件 在与金属接触的电绝缘体表面或内部存在湿气以及存在持续的电动势。(离子迁移一般存在的条件如下) a
6、.温度：100； b.湿度：高时明显(湿度为影响离子迁移的最重要因素) ，吸入水份； c.电动势(偏压)：低压，两导体间出现偏压； d.可供迁移的通道：板体不洁而带有电解质、内部玻纤中有gap。,二、电化迁移基础,12/53,2.3 产生机理 ECM根据其发生形态和发生状况被分为枝晶生长（Dendrite）和导电阳极细丝（Conductive Anodic Filament）两大类。 Dendrite是根据绝缘表面导体间析出的金属和其化合物呈树枝状而命名（图2.1）。 ECM针对PWB 板面导体之间，会出现Dendrite之绝缘性不良。 CAF是根据沿着PWB的绝缘基板内部的玻纤束所析出的金属
7、或其化合物呈纤维状延伸状态而命名的（图2.2）。ECM针对玻纤束中会发生CAF之绝缘性不良。,图2.1、Dendrite,图2.2、CAF,二、电化迁移基础,13/53,离子迁移发生过程可分为阳极反应（金属溶解）、阴极反应（金属或金属氧化物析出）和电极间发生的反应（金属氧化物析出），其中阳极反应和阴极反应是枝晶生长的发生机理，而阳极反应、阴极反应和电极间发生的反应是导电阳极细丝的发生机理。,-,+,二、电化迁移基础,14/53,2.4 影响因素,表2.1、离子迁移发生的加速因子,表2.2、金属的标准电极电位,离子迁移发生的影响因素较多，如下表所示。,二、电化迁移基础,15/53,同样的条件下，
8、银的迁移率是铜的1000倍，不同金属物质的迁移速率比较为： 银铜铅锡金。 影响迁移率的主要因素： a.金属是否易形成阻止起始过程的重复稳定和钝化的氧化膜； b.离子氧化还原反应自由能的高低； c.在发生迁移的两极间电解质的量。,二、电化迁移基础,16/53,2.5 失效成因 基板的构成 a. 树脂方面，树脂的组成，官能团，固化程度，离子浓度（杂质、水解性能 等），吸湿性； b. 纤维方面：玻璃纤维的密度，有机纤维的吸潮性； c. 加工条件方面：通孔的条件（有无电镀液残留），层积条件 （树脂间粘合性），加工工艺残留物（粗化、电镀等的残液）。,二、电化迁移基础,17/53,线路和结构的设计线路板上
9、的电场分布和易氧化金属材料所带的电的极性。 其它基板上所安装的组件和金属构件在电镀孔隙中留下的未能洗净的 电解质，焊料，胶类，易发生电解的物质，灰尘等离子污染，结露等。,二、电化迁移基础,18/53,3.1 表面迁移 (Dendrite)概念 当完工的电路板或组装板，长久处于高温高湿之恶劣环境中，且其相邻导体间又出现偏压(Bias)的情况下，会逐渐发生金属离子性物体的迁移，并在板面出现树枝状盐类生长的痕迹者，称为Dendrite。 如图3.1、图3.2所示。,图3.2、Ag dendrite-水滴试验,图3.1、Cu dendrite潮湿环境,-,+,-,+,-,三、表面迁移 (Dendrit
10、e),19/53,在实际PWBA中，由于各导线之间均有电位差异，就形成阴极和阳极。在无铅工艺中， 由于焊接温度较高，加之非挥发水溶性性焊剂和灰尘导电物等具有一定的活性，在潮湿的环境中水和焊剂残余就形成电解质，导线上金属就在电解质中变成离子进行迁移并形成枝状晶，导致漏电、短路产品失效。 有铅钎料中一般发生Pb析出，无铅钎料中一般发生Sn析出，如果出现润湿不完全，有裸露的Cu焊盘，则会发生如图Cu析出。,a. SnPb37,b. Sn3.5Ag0.75Cu,c.Sn3.5Ag0.75Cu,图3.3 焊料中枝晶析出图片,三、表面迁移 (Dendrite),20/53,3.2 失效机理 以铜为例，当水
11、气充足时，外层板面两导体间会先在阳极生成铜离子，到达阴极处长出树枝状的铜与氧化铜，并向阳极方向不断蔓延生长。,阳极：Cu Cu2+2e-；2H2O 4H+O2+4e- 阴极：Cu2+ 2e-Cu；2H2O + 4e-H2 + 2OH- Cu2+ 2OH- Cu(OH)2 CuO + H2O,三、表面迁移 (Dendrite),21/53,3.3 典型案例一：自动关机 产品在客户端发生“自动关机” ，经分析为IC7501 pin7&8之间产生dendrite短 路所致，如下图3.4所示：,a. dendrite，6.7X,b. dendrite，20X,图3.4 IC7501 dendrite,
12、三、表面迁移 (Dendrite),22/53,失效原因：H商家的助焊剂酸性腐蚀性强及含松香量低是导致dendrite短路的原因，助焊剂成份比对见表3.1。 助焊剂化学性质对绝缘电阻与发生电化迁移的影响有如下： a.酸性、腐蚀性强的助焊剂离子含量较高，其表面易产生电化迁移； b.松香含量低的助焊剂，因其残留物更缺乏了松香树脂的包覆，所以其表面绝 缘电阻较低。,表3.1：助焊剂成份比对,厂商,型号,固体含量,酸值,腐蚀等级,松香含量,H,LFB838,3.6wt%,28mg KOH/g,M,1.2wt%,A,RF800T3,4.0wt%,18mg KOH/g,L,2wt%,三、表面迁移 (Den
13、drite),23/53,3.3 典型案例二：漏电与白斑(赛宝) OK线路A和B绝缘电阻值大于1010欧，板面无白斑、锡珠，而NG线路A和B绝缘电阻值45K欧，板面有白斑、锡珠，产品出现漏电现象。,三、表面迁移 (Dendrite),24/53,白斑处剥离绿漆后,对策：绿漆前处理要保持板面清洁,失效原因：PWB在绿漆前处理清洗不净造成局部区域处理液残留，导致该处基材与绿漆之间结合不良，产品组装使用时，相邻导线在偏压影响下发生金属离子迁移，在板面上出现dendrite导致绝缘阻值降低甚至短路。,三、表面迁移 (Dendrite),25/53,4.1 内部迁移 (CAF)概念 当板内出现细微通道又
14、存在水气与电解质， 再加上纱束两端铜导体之电压不等时（偏压），将有可能在阳极发生出现铜离子，延着玻纤纱束中的空隙（通道），往阴极产生电化性迁移。同时阴极端的电子也会往阳极移动，于是两者相逢后即出现铜金属的还原，并在两端延着纱束逐渐搭成了短路的漏电，特称为CAF (Conductive Anodic Filament) 。,图4.2 CAF实际失效图,图4.1 CAF示意图,四、内部迁移 (CAF),26/53,4.2 CAF种类 发生CAF的主要种类：孔-孔、孔-线、线-线等,孔-孔,孔-线,线-线,玻纤纱束彼此之搭连,相邻两导线之跟部恰巧踩在同一束玻纤纱上,导线之跟部与孔壁之间经过玻纤纱相接
15、,四、内部迁移 (CAF),27/53,4.3 CAF失效机理,绝缘物中含有纤维时，迁移沿着纤维从阳极向阴极成长,CAF Growth的发生可分为两阶段： Stage 1：高温高湿的影响下，树脂与玻纤之间的附着力劣化，玻纤表面硅烷处理层水解，形成了铜金属腐蚀的环境。烘烤可改善。 Stage 2：铜腐蚀的水解反应，并形成铜盐的沈积产物。,四、内部迁移 (CAF),28/53,CAF的成因说明，当五种失效条件皆具备完全时（ 1.水气 2.电解质 3.露铜 4.偏压 5.通道），则居高电位阳极的铜金属会先氧化成Cu或Cu2+，并沿着已存成不良通道的玻纤纱束向阴极慢慢迁移，而阴极的电子也会往阳极移动，
16、路途中铜离子遇到电子时即会还原出铜金属，并逐渐从阳极往阴极长出铜膜，故又称为”铜迁移”。一旦完成通路导电时却又遭到高电阻的焦耳热所烧断，且在原因未消失前，还将会一再重复出现CAF。,四、内部迁移 (CAF),29/53,4.4 CAF发生原因 CAF Growth发生的主要原因是在偏压下，玻纤与树脂界面附着力较弱、板材吸 水、 PWB制程不良、通孔跨距过近。其细部原因约有：,基材板原料与制程之不良 a. 玻纤束之表面硅烷处理(Silane Treatment)层有问题：如耦合性 (Coupling)不佳，或亲胶性不良，甚至硅烷层本身容易水解等缺失。 b. 树脂本身纯度不良，如杂质太多而招致附着力不佳，或吸水率较高，或界面 间出现杂质或外来夹杂物等。,
