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分析PCB上锈迹斑斑的原因

时间:2020-09-04 作者:Michelle Woolley,EDN 阅读:
当PCBA受到腐蚀而返回时,分析人员需要找到引起腐蚀的污染源,以便消除它。污染可能来自多种来源,例如制造作业、封装、安装和环境。有许多方法都可以用来确定污染物的组成。一旦知道了它的成分,就可以确定可能的来源。本文通过一个例子,说明了分析人员用来识别受腐蚀PCBA污染源的过程。
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当印制电路板组件(PCBA)受到腐蚀而返回时,分析人员需要找到引起腐蚀的污染源,以便消除它。污染可能来自多种来源,例如制造作业、封装、安装和环境。 

有许多方法都可以用来确定污染物的组成。一旦知道了它的成分,就可以确定可能的来源。本文通过一个例子,说明了分析人员用来识别受腐蚀PCBA污染源的过程。

有几块受腐蚀的PCBA从客户那里返回,PCBA受到了严重腐蚀,但只是发生在它一边附近的几个位置。其中两块PCBA的腐蚀图像如图1和图2所示。

图1:PCBA上的导线开路。

图2:这张图像上可以看到有导线开路。

在两幅图中,下部的导体都出现了开路。阻焊层已经从导体上除去,暴露的铜受到严重氧化。在两块PCBA上,由导体之间烧焦的环氧树脂可知,它们之间发生了导电现象。这说明这一腐蚀本质上是离子腐蚀,并且由于环境的关系,有一层薄薄的水粘附到了PCBA上。

元素鉴定

腐蚀区域使用扫描电子显微镜(SEM)进行了成像。SEM通常配备有能量色散X射线探测器(EDX),从而可对样品的元素组成进行确定。EDX系统无法确定两种元素是否存在化学结合,但是知道存在哪些元素,从而可以借此对化学成分有所了解。

图3显示了受污染区域的SEM图像,由此便可获得EDX腐蚀数据,如图4所示。

图3:腐蚀区域的SEM图像。(二次电子成像,SEI)

图4显示了腐蚀区域附近阻焊层的典型EDX光谱和腐蚀光谱。蓝色光谱来自未腐蚀阻焊层区域,红色光谱是受腐蚀区域——这两个光谱表现出明显的差异。

图4:从光谱的y轴可知检测到的X射线数量,从x轴可知检测到的X射线能量。

阻焊层(蓝色光谱)中包含硅(Si),用于控制液体阻焊剂在固化前的粘度。它还包含钡(Ba)和硫(S),二者结合成硫酸钡而用作阻燃剂。所有这些元素包含在阻焊层中都是预期的,如蓝色光谱所示。

受污染的区域包含铜(Cu)和氯(Cl),这在阻焊层中找不到。铜来源于铜导体,其已经从金属导体中蚀刻并化学移除掉,现在沉积在阻焊膜上。氯是PCBA上不应存在的污染物。

在环境中的许多地方都可以找到氯——盐中含有氯,许多用于制造PCBA的化学品中也都含有氯。但是,这些化学物质不应该是氯的来源,因为在PCBA制造过程中在进行洗涤时会将其冲洗掉。在阻焊膜样品中未发现氯,因此可以不考虑PCBA的制造过程。

焊接过程中一直使用氯——为了促进良好的焊料连接,助焊剂中会添加氯化化合物。这些化合物可快速去除铜上的任何氧化物层,从而实现良好的焊料连接。 但是在从低共熔焊料转换到符合RoHS的焊料期间,所使用的助焊剂类型也受到了更改。助焊剂中代替氯化松香焊剂,使用了包含有机酸的低固含量焊剂来清洁铜表面而实现焊接。在焊接过程中,有机酸通常会因加热而分解成无害的产物。这些PCBA是在推出符合RoHS的焊料之后制造的,并使用了低固含量的有机助焊剂制造。

腐蚀只孤立在PCBA的一个区域。如果空气中的盐水雾或氯蒸气中存在氯,则氯会存在于整个PCBA中。氯用于各种工业过程(以及游泳池),导致这些区域的空气中存在氯和氯化合物。

通过对PCBA的目视检查发现,腐蚀区域附近的几个元器件经过了返工。目视检查表明,助焊剂残留物不是来自低固含量的有机酸助焊剂。

这些返工位置使用SEM的EDX系统进行了检查,发现助焊剂残渣中含有氯。助焊剂中含有氯,表明在元器件返工期间使用了老式的活化助焊剂。然后在装配车间发现了这一助焊剂的来源,并将其作为纠正措施予以消除——有个返修工位有瓶老式液体助焊剂尚未从工厂清除。

如果未将氯追溯到返工过程中所使用的助焊剂,那么这个必要的纠正措施可能就不会采取,而可能在几个可能的地方采取纠正措施而消除污染。在这种特定情况下,活化松香焊剂是之前工艺的保留物,尚未从这个返修工位清除。其他消除污染的措施就都会无效。纠正措施必须要根据调查期间所收集的证据。而如果用散弹法(shotgun approach)消除氯化助焊剂,则可能不会在单个返修工位发现这瓶助焊剂,而无法消除问题。

EDX如何工作?

在样品内,当电子改变其能量而填充原子内的空位时,EDX系统会捕获到其所产生的X射线。它会计算每个能量水平下所捕获的X射线的数量。原子内原子核周围的每个电子都有特定的能量,这些能量因元素的不同而异。由于这些能量不同,便可以确定样品的原子组成。

SEM发射到样品上的电子会与每个原子的电子相互作用。在某些情况下,这种相互作用会导致原子的电子逃逸出原子,从而留下空位。如果原子有第二个具有更高能量的电子填补此空位,则必须要释放一定的能量。释放的能量会表现成特定能量或波长的X射线形式。通过捕获和测量这些X射线,就可以汇总出所存在元素的列表。EDX系统的软件就会将数据显示在图表上——X射线的能量会显示在横轴上,而计算的X射线的数量则显示在纵轴上。

(原文刊登于EDN美国版,参考链接Corrosives on a PCB: Finding the source,由赵明灿编译)

责编:Yvonne Geng

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