分析PCB鏽跡斑斑的原因

作者 : Michelle Woolley,EDN

當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,以便消除腐蝕。污染可能來自多種來源,例如製造作業、封裝、安裝和環境。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。本文透過一個例子,說明了分析人員用來辨識受腐蝕PCBA污染源的過程...

當印刷電路板元件(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,以便消除腐蝕。污染可能來自多種來源,例如製造作業、封裝、安裝和環境。

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辨識受腐蝕PCBA污染源的過程。

有幾塊受腐蝕的PCBA從客戶那裡被送回,PCBA受到了嚴重腐蝕,但只是發生在它一邊附近的幾個位置。其中兩塊PCBA的腐蝕影像如圖1和圖2所示。

圖1 PCBA上的導線開路。

圖2 這張影像可以看到有導線開路。

在兩幅圖中,下方的導體都出現了開路。阻焊層已經從導體上除去,暴露的銅受到嚴重氧化。在兩塊PCBA上,由導體之間燒焦的環氧樹脂可知,它們之間發生了導電現象。這說明這一腐蝕本質上是離子腐蝕,並且由於環境的關係,有一層薄薄的水黏附到PCBA上。

元素鑑定

腐蝕區域使用掃描電子顯微鏡(SEM)進行成像。SEM通常配備有能量色散X光探測器(EDX),從而可對樣品的元素組成進行確定。EDX系統無法確定兩種元素是否存在化學結合,但是知道存在哪些元素,從而可以借此對化學成分有所瞭解。

圖3顯示了受污染區域的SEM影像,由此便可獲得EDX腐蝕資料,如圖4所示。

圖3 腐蝕區域的SEM影像。(二次電子成像,SEI)

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

圖4 從光譜的y軸可知檢測到的X光數量,從x軸可知檢測到的X光能量。

阻焊層(藍色光譜)中包含矽(Si),用於控制液體阻焊劑在固化前的黏度。它還包含鋇(Ba)和硫(S),二者結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期的,如藍色光譜所示。

受污染的區域包含銅(Cu)和氯(Cl),這在阻焊層中找不到。銅來源於銅導體,其已經從金屬導體中蝕刻並化學移除掉,現在沉積在阻焊膜上,而氯是PCBA上不應存在的污染物。

在環境中的許多地方都可以找到氯——鹽中含有氯,許多用於製造PCBA的化學品中也都含有氯。但是,這些化學物質不應該是氯的來源,因為在PCBA製造過程中在進行洗滌時會將其沖洗掉。在阻焊膜樣品中未發現氯,因此可以不考慮PCBA的製造過程。

焊接過程中一直使用氯——為了促進良好的焊料連接,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,從而實現良好的焊料連接。但是在從低共熔焊料轉換到符合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,使用了包含有機酸的低固含量焊劑來清潔銅表面而實現焊接,在焊接過程中,有機酸通常會因加熱而分解成無害的產物。這些PCBA是在推出符合RoHS的焊料之後製造,並使用了低固含量的有機助焊劑製造。

腐蝕只單獨存在PCBA的一個區域。如果空氣中的鹽水霧或氯蒸氣中存在氯,則氯會存在於整個PCBA中。氯用於各種工業過程(以及游泳池),導致這些區域的空氣中存在氯和氯化合物。

透過對PCBA的目視檢查發現,腐蝕區域附近的幾個元件經過了返工。目視檢查表明,助焊劑殘留物不是來自低固含量的有機酸助焊劑。

這些返工點使用SEM的EDX系統進行了檢查,發現助焊劑殘渣中含有氯。助焊劑中含有氯,表示在元件返工期間使用了老式的活化助焊劑。然後在裝配車間發現了這一助焊劑的來源,並將其作為糾正措施予以消除——有個返修位置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,那麼這個必要的糾正措施可能就不會採取,而可能在幾個可能的地方採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製程的保留物,尚未從這個返修站清除,其他消除污染的措施就都會無效。糾正措施必須要根據調查期間所收集的證據,如果用散彈法(shotgun approach)消除氯化助焊劑,則可能不會在單個返修位置發現這瓶助焊劑,會無法消除問題。

EDX如何工作?

在樣品內,當電子改變其能量而填充原子內的空位時,EDX系統會捕獲到其所產生的X光,它會計算每個能量水準下所捕獲的X光的數量。原子內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,由於這些能量不同,便可以確定樣品的原子組成。

SEM發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此空位,則必須要釋放一定的能量,釋放的能量會表現成特定能量或波長的X光形式。透過擷取和測量這些X光,就可以匯總出所存在元素的清單。EDX系統的軟體就會將資料顯示在圖表上——X光的能量會顯示在橫軸上,而計算的X光的數量則顯示在縱軸上。

(參考原文:Corrosives on a PCB: Finding the source,by Michelle Woolley,EDN China趙明燦編譯)

本文為EDN China原創文章

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