離子污染與電化遷移通用課件

1、離子污染與電化遷移PFA Lab / Mar.,20122/53Agenda一、離子污染二、電化遷移基礎(chǔ) (ECM)三、表面遷移 (Dendrite)四、內(nèi)部遷移 (CAF)五、Dendrite與CAF之比對3/53自電路板問世以來，殘留在印刷電路板上的離子污染物一直是避無可避的問題。無論是裸電路板還是電路板組裝件成品，污染物可能會使整個絕緣表面出現(xiàn)電流泄漏，從而引起短路，尤其是在高密度微間距封裝中，常常能看到這種現(xiàn)象。離子殘留物中含有導電分子，一旦溶解在溶液中就能夠?qū)щ?。一些常見的離子殘留物的來源包括電鍍材料、助焊劑催化劑、汗水、離子表面活化劑和乙醇胺。如果嚗露在潮濕的環(huán)境中，離子污染物會明

2、顯加快電路和組裝件性能下降的速度。一、離子污染4/53案例一：產(chǎn)品輸出電壓偏低 產(chǎn)品輸出電壓偏低，此類問題均發(fā)生在濕氣較重的時候 ?？赡芤痣妷浩偷奈恢糜蠧59、IC51、R62 。R62C59IC51C59用烙鐵潤焊后，產(chǎn)品輸出電壓恢復正常，向測試OK的產(chǎn)品上吹濕氣后測試，則出現(xiàn)輸出電壓偏低的不良，可推斷，濕氣會影響產(chǎn)品的性能。一、離子污染5/53IC51 pin之間有異物存在，主要為沾到錫渣的零件pin細屑及助焊劑(C、O、Br)。 產(chǎn)品正常過爐后，將flux清洗干凈、免清洗以及涂覆過量flux，產(chǎn)品性能均無下降。金屬或離子物質(zhì)的存在以及潮濕的環(huán)境是產(chǎn)生離子污染的關(guān)鍵。 IC51 pin

3、5&pin6IC51 pin6&pin7一、離子污染6/53當pin6、 pin7腳間有離子污染時，兩pin之間漏電流，即使很小的漏電流，R62阻值為82K，其電壓也會很大，從而拉高pin6處的電壓，pin7由正常工作時的高電位變成低電位，造成OCP誤動作。將R62由阻值從82K變?yōu)?.1 K后降低漏電流對產(chǎn)品的影響，未再發(fā)生此類輸出電壓偏低的情況。一、離子污染7/53案例二：電阻阻值偏低 NG 4 (366V)OK (381V)NG品PWB表面較OK品表面贓，電阻周圍可見黃色異物。R812AR801A清洗前:R812A:970k R801A:1001k 清洗后:R812A:999k R801

4、A:1001k 將清洗后的電阻表面沾水，電阻的阻值立刻降低，并隨著水分的揮發(fā)，阻值逐漸增大，3mins后電阻阻值恢復到初始值。一、離子污染8/53電阻表面protective coating均可見小空洞，可吸附空氣中的灰塵或微小雜質(zhì)，易吸水，尤其當材料的孔隙率越大，吸水率也隨之越大。當灰塵或微小雜質(zhì)加上水汽，并以離子形式出現(xiàn)時即形成離子污染，從而產(chǎn)生漏電，導致電阻阻值偏低，高壓加劇了失效的產(chǎn)生。內(nèi)部玻璃保護層與電阻層完好，與OK品沒有明顯差異。OKNG一、離子污染9/53電子產(chǎn)品在潮濕的環(huán)境中工作，離子污染物的存在還可能會導致電路板腐蝕、枝晶的生長以及導電陽極細絲發(fā)生，即所謂的電化遷移。電化遷

5、移會造成整個電路出現(xiàn)電流泄漏，從而引起短路，尤其在高密度微間距封裝中，常常能看到這種現(xiàn)象。一、離子污染10/532.1 電化遷移(Electro-Chemical Migration)概念 因電場、濕氣的影響，金屬離子從一金屬電極向另一金屬電極移動，析出金屬和化合物并顯示導電性的現(xiàn)象稱為離子遷移。ECM是由溶液和電位等相關(guān)的電化學現(xiàn)象引起，特別是在高密度電子產(chǎn)品中，材料與周圍環(huán)境相互影響導致離子遷移發(fā)生。 二、電化遷移基礎(chǔ)11/532.2 電化遷移的條件 在與金屬接觸的電絕緣體表面或內(nèi)部存在濕氣以及存在持續(xù)的電動勢。(離子遷移一般存在的條件如下)a.溫度：100；b.濕度：高時明顯(濕度為影響

6、離子遷移的最重要因素) ，吸入水份；c.電動勢(偏壓)：低壓，兩導體間出現(xiàn)偏壓；d.可供遷移的通道：板體不潔而帶有電解質(zhì)、內(nèi)部玻纖中有g(shù)ap。二、電化遷移基礎(chǔ)12/532.3 產(chǎn)生機理 ECM根據(jù)其發(fā)生形態(tài)和發(fā)生狀況被分為枝晶生長（Dendrite）和導電陽極細絲（Conductive Anodic Filament）兩大類。 Dendrite是根據(jù)絕緣表面導體間析出的金屬和其化合物呈樹枝狀而命名（圖2.1）。 ECM針對PWB 板面導體之間，會出現(xiàn)Dendrite之絕緣性不良。 CAF是根據(jù)沿著PWB的絕緣基板內(nèi)部的玻纖束所析出的金屬或其化合物呈纖維狀延伸狀態(tài)而命名的（圖2.2）。ECM針對

7、玻纖束中會發(fā)生CAF之絕緣性不良。圖2.1、Dendrite圖2.2、CAF二、電化遷移基礎(chǔ)13/53離子遷移發(fā)生過程可分為陽極反應(yīng)（金屬溶解）、陰極反應(yīng)（金屬或金屬氧化物析出）和電極間發(fā)生的反應(yīng)（金屬氧化物析出），其中陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)是枝晶生長的發(fā)生機理，而陽極反應(yīng)、陰極反應(yīng)和電極間發(fā)生的反應(yīng)是導電陽極細絲的發(fā)生機理。-+二、電化遷移基礎(chǔ)14/532.4 影響因素 表2.1、離子遷移發(fā)生的加速因子 表2.2、金屬的標準電極電位 離子遷移發(fā)生的影響因素較多，如下表所示。二、電化遷移基礎(chǔ)15/53同樣的條件下，銀的遷移率是銅的1000倍，不同金屬物質(zhì)的遷移速率比較為：銀銅鉛錫金。影響遷移率的主

8、要因素：a.金屬是否易形成阻止起始過程的重復穩(wěn)定和鈍化的氧化膜；b.離子氧化還原反應(yīng)自由能的高低；c.在發(fā)生遷移的兩極間電解質(zhì)的量。二、電化遷移基礎(chǔ)16/532.5 失效成因 基板的構(gòu)成 a. 樹脂方面，樹脂的組成，官能團，固化程度，離子濃度（雜質(zhì)、水解性能 等），吸濕性； b. 纖維方面：玻璃纖維的密度，有機纖維的吸潮性； c. 加工條件方面：通孔的條件（有無電鍍液殘留），層積條件 （樹脂間粘合性），加工工藝殘留物（粗化、電鍍等的殘液）。二、電化遷移基礎(chǔ)17/53線路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計線路板上的電場分布和易氧化金屬材料所帶的電的極性。其它基板上所安裝的組件和金屬構(gòu)件在電鍍孔隙中留下的未能洗凈的 電

9、解質(zhì)，焊料，膠類，易發(fā)生電解的物質(zhì)，灰塵等離子污染，結(jié)露等。二、電化遷移基礎(chǔ)18/533.1 表面遷移 (Dendrite)概念當完工的電路板或組裝板，長久處于高溫高濕之惡劣環(huán)境中，且其相鄰導體間又出現(xiàn)偏壓(Bias)的情況下，會逐漸發(fā)生金屬離子性物體的遷移，并在板面出現(xiàn)樹枝狀鹽類生長的痕跡者，稱為Dendrite。如圖3.1、圖3.2所示。圖3.2、Ag dendrite-水滴試驗圖3.1、Cu dendrite潮濕環(huán)境-+-+-三、表面遷移 (Dendrite)19/53在實際PWBA中，由于各導線之間均有電位差異，就形成陰極和陽極。在無鉛工藝中， 由于焊接溫度較高，加之非揮發(fā)水溶性性焊劑

10、和灰塵導電物等具有一定的活性，在潮濕的環(huán)境中水和焊劑殘余就形成電解質(zhì)，導線上金屬就在電解質(zhì)中變成離子進行遷移并形成枝狀晶，導致漏電、短路產(chǎn)品失效。有鉛釬料中一般發(fā)生Pb析出，無鉛釬料中一般發(fā)生Sn析出，如果出現(xiàn)潤濕不完全，有裸露的Cu焊盤，則會發(fā)生如圖Cu析出。a. SnPb37b. Sn3.5Ag0.75Cuc.Sn3.5Ag0.75Cu圖3.3 焊料中枝晶析出圖片三、表面遷移 (Dendrite)20/533.2 失效機理 以銅為例，當水氣充足時，外層板面兩導體間會先在陽極生成銅離子，到達陰極處長出樹枝狀的銅與氧化銅，并向陽極方向不斷蔓延生長。v-+陽極：Cu Cu2+2e-；2H2O 4

11、H+O2+4e-陰極：Cu2+ 2e-Cu；2H2O + 4e-H2 + 2OH-Cu2+ 2OH- Cu(OH)2 CuO + H2O三、表面遷移 (Dendrite)21/533.3 典型案例一：自動關(guān)機 產(chǎn)品在客戶端發(fā)生“自動關(guān)機” ，經(jīng)分析為IC7501 pin7&8之間產(chǎn)生dendrite短 路所致，如下圖3.4所示：a. dendrite，6.7Xb. dendrite，20X圖3.4 IC7501 dendrite三、表面遷移 (Dendrite)22/53失效原因：H商家的助焊劑酸性腐蝕性強及含松香量低是導致dendrite短路的原因，助焊劑成份比對見表3.1。助焊劑化學性質(zhì)對

12、絕緣電阻與發(fā)生電化遷移的影響有如下：a.酸性、腐蝕性強的助焊劑離子含量較高，其表面易產(chǎn)生電化遷移；b.松香含量低的助焊劑，因其殘留物更缺乏了松香樹脂的包覆，所以其表面絕 緣電阻較低。表3.1：助焊劑成份比對廠商型號固體含量酸值腐蝕等級松香含量HLFB8383.6wt%28mg KOH/gM1.2wt%ARF800T34.0wt%18mg KOH/gL2wt%三、表面遷移 (Dendrite)23/533.3 典型案例二：漏電與白斑(賽寶) OK線路A和B絕緣電阻值大于1010歐，板面無白斑、錫珠，而NG線路A和B絕緣電阻值45K歐，板面有白斑、錫珠，產(chǎn)品出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。白斑有縫隙無縫隙NGOK三

13、、表面遷移 (Dendrite)24/53白斑處剝離綠漆后對策：綠漆前處理要保持板面清潔失效原因：PWB在綠漆前處理清洗不凈造成局部區(qū)域處理液殘留，導致該處基材與綠漆之間結(jié)合不良，產(chǎn)品組裝使用時，相鄰導線在偏壓影響下發(fā)生金屬離子遷移，在板面上出現(xiàn)dendrite導致絕緣阻值降低甚至短路。三、表面遷移 (Dendrite)25/534.1 內(nèi)部遷移 (CAF)概念 當板內(nèi)出現(xiàn)細微通道又存在水氣與電解質(zhì)， 再加上紗束兩端銅導體之電壓不等時（偏壓），將有可能在陽極發(fā)生出現(xiàn)銅離子，延著玻纖紗束中的空隙（通道），往陰極產(chǎn)生電化性遷移。同時陰極端的電子也會往陽極移動，于是兩者相逢后即出現(xiàn)銅金屬的還原，并在

14、兩端延著紗束逐漸搭成了短路的漏電，特稱為CAF (Conductive Anodic Filament) 。 圖4.2 CAF實際失效圖圖4.1 CAF示意圖四、內(nèi)部遷移 (CAF)26/534.2 CAF種類 發(fā)生CAF的主要種類：孔-孔、孔-線、線-線等孔-孔孔-線線-線玻纖紗束彼此之搭連相鄰兩導線之跟部恰巧踩在同一束玻纖紗上導線之跟部與孔壁之間經(jīng)過玻纖紗相接四、內(nèi)部遷移 (CAF)27/534.3 CAF失效機理 絕緣物中含有纖維時，遷移沿著纖維從陽極向陰極成長CAF Growth的發(fā)生可分為兩階段：Stage 1：高溫高濕的影響下，樹脂與玻纖之間的附著力劣化，玻纖表面硅烷處理層水解，形

15、成了銅金屬腐蝕的環(huán)境。烘烤可改善。Stage 2：銅腐蝕的水解反應(yīng)，并形成銅鹽的沈積產(chǎn)物。四、內(nèi)部遷移 (CAF)28/53 CAF的成因說明，當五種失效條件皆具備完全時（ 1.水氣 2.電解質(zhì) 3.露銅 4.偏壓 5.通道），則居高電位陽極的銅金屬會先氧化成Cu或Cu2+，并沿著已存成不良通道的玻纖紗束向陰極慢慢遷移，而陰極的電子也會往陽極移動，路途中銅離子遇到電子時即會還原出銅金屬，并逐漸從陽極往陰極長出銅膜，故又稱為”銅遷移”。一旦完成通路導電時卻又遭到高電阻的焦耳熱所燒斷，且在原因未消失前，還將會一再重復出現(xiàn)CAF。四、內(nèi)部遷移 (CAF)29/534.4 CAF發(fā)生原因CAF Gro

16、wth發(fā)生的主要原因是在偏壓下，玻纖與樹脂界面附著力較弱、板材吸水、 PWB制程不良、通孔跨距過近。其細部原因約有：基材板原料與制程之不良 a. 玻纖束之表面硅烷處理(Silane Treatment)層有問題：如耦合性 (Coupling)不佳，或親膠性不良，甚至硅烷層本身容易水解等缺失。 b. 樹脂本身純度不良，如雜質(zhì)太多而招致附著力不佳，或吸水率較高，或界面 間出現(xiàn)雜質(zhì)或外來夾雜物等。四、內(nèi)部遷移 (CAF)30/53c. 樹脂之硬化劑不良，如Dicy之容易吸水。d.膠片含浸造成氣泡殘存。e. 薄基板或多層板之壓合不良，常使玻纖束中之氣泡難以全數(shù)趕光。四、內(nèi)部遷移 (CAF)31/53f

17、. 纖布難免會存在斷絲的紗束，此種通道亦將成為CAF的隱憂。四、內(nèi)部遷移 (CAF)32/53g. 無鉛化或無鹵化的板材為了減少Z膨脹降低爆板起見，均需加入重量比25%左右的粉料(Fillers)，但如此一來也增大了黏度平添了含浸的困難，進而留下通道與CAF的隱憂。四、內(nèi)部遷移 (CAF)33/53h. 銅箔棱線起伏太大時，使直接踩壓在同一玻纖束的機會增加，形成線與線間CAF之病灶。四、內(nèi)部遷移 (CAF)34/53電路板制程不良 a. PWB制程之鉆孔太過粗糙，造成玻纖束被拉松或分離而出現(xiàn)Gap。四、內(nèi)部遷移 (CAF)35/53b. PWB制程之PTH中Desmearing過度，或化學銅浸

18、入玻纖束發(fā)生燈芯效應(yīng)(Wicking)等。crack燈芯效應(yīng)四、內(nèi)部遷移 (CAF)36/53c. PWBA后制程或后續(xù)使用環(huán)境之多次高低溫變化(Thermal Cycling)中，由于CTE (Coefficient of Thermal Expansion)之差異與板材之持續(xù)劣化所致crack。厚銅厚板回焊強熱內(nèi)部微裂Tg150的HF板材112次IST溫度循環(huán)微裂Tg150的HF板材400次IST溫度開裂四、內(nèi)部遷移 (CAF)37/53減少吸水性將FR-4原有的硬化劑Dicy (Dicyanidiomide)換成PN (PhenalNovalac)，可使FR-4板材的吸水率由0.4%左右

19、降到0.2%附近。因兩種硬化劑分子量不同以致在混合的比例上，也由Dicy的5%(By wt.)，增加到Novalac的20-30%(By wt.) 。4.5 抗CAF 生長的途徑四、內(nèi)部遷移 (CAF)38/53增強接口之接著力，減少在水氣中劣化程度a. 選擇良好的硅烷耦合劑，以加強玻纖之親膠性，降低其本身之水解劣化效果。b. 增加膠含量，減緩膠片含浸時移動速度，加強樹脂滲入玻纖的能力。壓合過程中的溫度及壓力等條件的控制，決定樹脂芯板間結(jié)合是否良好與CAF發(fā)生的機率。硅烷耦合劑玻璃絲樹脂新式處理傳統(tǒng)處理填充料與耦合皮膜示意圖四、內(nèi)部遷移 (CAF)39/53c. 采用壓扁玻纖布，或打散式玻纖，

20、使液態(tài)樹脂更容易滲入玻纖紗束中。 開纖布含浸良好者可降低通道。扁纖開纖布無鹵板材，100X粉狀填料扁纖傳統(tǒng)開纖與布洞彌合透氣率降低四、內(nèi)部遷移 (CAF)21167628108040/53下圖三種玻纖布放大實例中可清楚見到開口的大小，開口愈少則透氣度愈少。樹脂含浸效果越好。1080NY1080AST1080TG四、內(nèi)部遷移 (CAF)41/53改善PWB設(shè)計 a. 采用棱線較低(Low Profile)之銅箔，減少直接踩壓玻纖紗束的機會。 如下圖所示意：Cu LineCu LineLaminateLaminate標準銅箔無棱線銅箔四、內(nèi)部遷移 (CAF)42/53b. 增加PTH之間跨距一般對電源板來說PTH板邊跨距應(yīng)在0.5mm以上，如下圖所示：0.5mm四、內(nèi)部遷移 (CAF)43/53c. 密集處小孔錯開陰陽通孔之串行是順著玻纖紗而制作容易發(fā)生CAF兩排陰陽孔串卻是互相錯開，使得兩孔間的玻纖紗束對銅遷移形成了迂回，不容易發(fā)生CAF四、內(nèi)部遷移 (CAF)44/53孔壁粗糙原因 改善對策1進刀量變化過大維持固定的進刀量2進刀速率過快調(diào)整進刀速率與鉆針轉(zhuǎn)速關(guān)系至最佳狀況3蓋板材料選用不當更換蓋板材料4固定鉆頭所用真空度不足檢查鉆孔機臺真空系統(tǒng)，檢查主軸轉(zhuǎn)速是否有變異5退刀速率異常調(diào)