樓倩，李曉倩

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

PCBA是電子組裝產(chǎn)品的核心部件，作為電路信號(hào)傳輸?shù)臉屑~，其可靠性的高低決定了電子組裝產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。在電子產(chǎn)品制造和服役的過(guò)程中，其面臨著不同類型的缺陷和故障，為了更好地解決缺陷和故障現(xiàn)象，需要對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行判讀和識(shí)別，以迅速地推導(dǎo)出失效模式和機(jī)理[1]。離子遷移就是PCBA在服役期間常見(jiàn)的一種失效現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生漏電、短路等故障，是產(chǎn)品可靠性的最大的隱患之一。

離子遷移故障是指PCBA上的金屬在電場(chǎng)、潮濕環(huán)境和離子污染物的作用下，發(fā)生離子化，通過(guò)絕緣層向另一極遷移而導(dǎo)致漏電、短路等故障的現(xiàn)象[2]。發(fā)生離子遷移故障的原因是：當(dāng)絕緣材料的兩端形成電勢(shì)差時(shí)，其中作為陽(yáng)極的導(dǎo)體發(fā)生離子化并在電場(chǎng)的作用下通過(guò)絕緣材料向另一極 （陰極）遷移，從而使本該絕緣的位置的絕緣能力下降，最終造成短路或燒毀故障。

本文通過(guò)對(duì)某型號(hào)壓力變送器的失效現(xiàn)象進(jìn)行分析，確定了其失效的原因?yàn)镻CBA在潮濕環(huán)境和離子物質(zhì)污染的作用下，引起了鉛焊料的腐蝕和鉛離子遷移而形成樹枝狀結(jié)晶物，從而影響了PCBA的絕緣性能，導(dǎo)致了元器件因短路燒毀而失效。

1 失效現(xiàn)象和失效模式

某型號(hào)壓力變送器在服役一年多后，內(nèi)部PCBA板面出現(xiàn)腐蝕和燒毀現(xiàn)象。該產(chǎn)品由金屬封裝體與塑料接口件通過(guò)膠粘、壓合的方式封裝在一起，此封裝形式的密封性較差。PCBA上SMD焊點(diǎn)采用回流，插裝焊點(diǎn)采用手工焊接方式，焊后使用酒精進(jìn)行手工清洗，然后涂覆三防漆。

對(duì)失效樣品進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)： 樣品電容處有燒毀痕跡，存在大量的黑色物質(zhì)，三防漆涂覆不均勻，可見(jiàn)桔紋和裂紋，插件表面有藍(lán)綠色和焦黃色的腐蝕物質(zhì)。對(duì)樣品表面腐蝕和燒毀位置進(jìn)行SEM&EDS分析，發(fā)現(xiàn)：1）PCBA板面上的藍(lán)綠色或焦黃色腐蝕物中可檢測(cè)到較高含量的碳元素（C）、 氧元素 （O）、 錫元素 （Sn） 和銅元素 （Cu），另外還可檢測(cè)出少量的氯元素 （Cl）；2）焊點(diǎn)被腐蝕處，表面的三防漆可見(jiàn)明顯的缺口，三防漆內(nèi)部的局部可見(jiàn)裂紋，腐蝕表面三防漆與阻焊膜之間可見(jiàn)明顯的縫隙；3）黑色燒毀位置，存在明顯的樹枝狀結(jié)晶物，Pb含量高達(dá)56%。詳細(xì)結(jié)果如圖1所示。

圖1 鉛離子遷移SEM&EDS圖

對(duì)失效樣品的PCB、連接器和腐蝕區(qū)域進(jìn)行離子色譜分析，所得到的結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出：PCB表面存在極高的Cl-和SO42-殘留，明顯地超出了行業(yè)規(guī)范的要求。

表1 離子色譜測(cè)試結(jié)果

（注：目前行業(yè)內(nèi)從避免PCBA發(fā)生腐蝕和電遷移導(dǎo)致失效的角度考慮，對(duì)采用免清洗工藝的PCB組件表面殘留的離子含量做出了如下要求：

1） Cl-應(yīng)不高于 0.5 μg/cm2；

2） Br-應(yīng)不高于 1.9 μg/cm2；

3） NO3-應(yīng)不高于 0.5 μg/cm2；

4） SO42-應(yīng)不高于 0.5 μg/cm2。）

2 失效機(jī)理分析

離子物質(zhì)的存在與潮濕的環(huán)境條件是產(chǎn)生離子遷移的關(guān)鍵。電子產(chǎn)品在潮濕的環(huán)境中工作，離子污染物的存在可能會(huì)導(dǎo)致電路板腐蝕、枝晶的生長(zhǎng)等現(xiàn)象[3]。

失效樣品在插裝焊點(diǎn)附近可見(jiàn)藍(lán)綠色或焦黃色腐蝕物，腐蝕處表面結(jié)構(gòu)疏松，并且可以檢測(cè)到較高含量的C、O和少量的Cl。離子色譜結(jié)果顯示PCB板面上Cl-和SO42-的含量遠(yuǎn)高于行業(yè)規(guī)范的要求。板面上較高含量的Cl-、SO42-在潮熱、通電的情況下，起著載體和催化劑的作用[3]，會(huì)增加板面被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

分析還發(fā)現(xiàn)：焊點(diǎn)腐蝕處可見(jiàn)三防漆缺口，三防漆內(nèi)部局部可見(jiàn)裂紋，腐蝕區(qū)域的板面處，三防漆與阻焊膜結(jié)合不良，它們之間可見(jiàn)明顯的縫隙。而未被腐蝕的PCB板面處，亦可見(jiàn)三防漆涂覆不均勻、局部未見(jiàn)明顯的三防漆覆蓋、三防漆與阻焊膜局部結(jié)合不良和三防漆存在裂紋等現(xiàn)象。三防漆的上述不良現(xiàn)象，降低了自身的防護(hù)能力，導(dǎo)致空氣中的水汽、鹽霧等極易通過(guò)三防漆滲透進(jìn)PCB板面。失效樣品在服役1.5年后 （通電的狀態(tài)下）發(fā)生了腐蝕和燒毀現(xiàn)象，其工作環(huán)境的濕度和溫度均較高?？梢?jiàn)三防漆與板面結(jié)合不良、內(nèi)部存在裂紋、涂覆不均勻和局部未見(jiàn)明顯的三防漆覆蓋等不良現(xiàn)象，導(dǎo)致其對(duì)空氣中水汽的防護(hù)能力減弱，造成焊點(diǎn)在較高的殘留離子、持續(xù)電場(chǎng)和空氣中水汽的共同作用下而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成焦黃色或藍(lán)綠色腐蝕物。同時(shí)，由于PCB板面存在較高含量的Cl-、SO42-，在電場(chǎng)的作用下，焊料中的Pb發(fā)生了離子遷移，降低了絕緣性能，發(fā)生了短路從而燒毀PCBA。

Pb離子遷移發(fā)生的機(jī)理是：元器件端子上的有鉛焊料在通電狀態(tài)下，當(dāng)絕緣基板吸附了水分時(shí)，陽(yáng)極被電離腐蝕，鉛離子到達(dá)陰極處長(zhǎng)出枝晶狀的鉛與含鉛結(jié)晶物。當(dāng)腐蝕位置或枝晶周圍存在較高濃度的鹵素離子時(shí)，離子遷移的可能性會(huì)被加速[4]。該反應(yīng)的表達(dá)式如下所示。

陽(yáng)極： Pb→Pb2++2e-； H2O→OH-+H+

當(dāng)陽(yáng)極側(cè)不斷地被腐蝕時(shí)，PbO不斷地生成，直到抵達(dá)陰極時(shí)，從陰極側(cè)被還原析出枝晶狀的鉛，其反應(yīng)如下所示。

陰極： Pb2++2e-→Pb； 2H2O+4e-→H2↑+2OH-；Pb2+2OH-→Pb （OH）2→PhO+H2O

由于上述反應(yīng)是不斷循環(huán)的，導(dǎo)致在PCBA板面上Pb的結(jié)晶物向另一電極不斷地生長(zhǎng)、延伸，最終導(dǎo)致兩電極之間發(fā)生短路，短路部分瞬間產(chǎn)生的大電流燒毀了器件，從而發(fā)生了失效現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

失效樣品PCBA板面涂覆的三防漆與板面結(jié)合不良，內(nèi)部存在裂紋且涂覆不均勻，局部未見(jiàn)明顯的三防漆覆蓋等不良現(xiàn)象，導(dǎo)致了其對(duì)空氣中水汽的防護(hù)能力減弱。PCB板面存在的較高含量的Cl-、SO42-，會(huì)加速鉛離子的遷移，并且這些鹵素離子的污染濃度越高，鉛離子遷移的生長(zhǎng)速度就會(huì)越快[5-6]。焊點(diǎn)在較高的殘留離子、持續(xù)電場(chǎng)和空氣中水汽的共同作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成焦黃色或藍(lán)綠色腐蝕物，有鉛焊料中的Pb發(fā)生離子化，枝晶的生長(zhǎng)降低了PCBA的絕緣性能，最終導(dǎo)致電極間的短路，短路部分瞬間產(chǎn)生的大電流燒毀了器件，從而發(fā)生了失效現(xiàn)象。

為了避免此類Pb離子遷移導(dǎo)致的故障，一方面需要加強(qiáng)對(duì)PCB及元器件制造商產(chǎn)品的質(zhì)量驗(yàn)收和控制，保證此類產(chǎn)品表面殘留離子的含量滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；另一方面需要改善三防漆涂覆工藝，保證長(zhǎng)期服役于高溫高濕環(huán)境下的產(chǎn)品能有效地隔絕水汽，降低離子遷移的可能性。

[1]樊融融.現(xiàn)代電子裝聯(lián)工藝過(guò)程控制 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]IPC-Association Connecting Electronics Industries.Surface Insulation Resistance Handbook：IPC 9201A-2007[S].

[3]林金堵，吳梅珠.離子遷移的機(jī)理、危害和對(duì)策 [J].印制電路信息，2014（2）：48-50.

[4]羅道軍，賀光輝，鄒雅冰.電子組裝工藝可靠性技術(shù)與案例研究 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

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[6]劉柳，周林，邵將.電子產(chǎn)品故障物理模型研究與應(yīng)用進(jìn)展 [J].裝備環(huán)境工程，2015，12（2）：54-58.