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(duì)3/53自電路板問(wèn)世以來(lái)，殘留在印刷電路板上的離子污染物一直是避無(wú)可避的問(wèn)題。無(wú)論是裸電路板還是電路板組裝件成品，污染物可能會(huì)使整個(gè)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(dǎo)電分子，一旦溶解在溶液中就能夠?qū)щ姟Ｒ恍┏Ｒ?jiàn)的離子殘留物的來(lái)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(huì)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(lèi)問(wèn)題均發(fā)生在濕氣較重的時(shí)候 。可能引起電壓偏低的位置有C59、IC51、R62 。R62C59IC51C59用烙鐵潤(rùn)焊后，產(chǎn)品輸出電壓恢復(fù)正常，向測(cè)試OK的產(chǎn)品上吹濕氣后測(cè)試，則出現(xiàn)輸出電壓偏低的不良，可推斷，濕氣會(huì)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(xì)屑及助焊劑(C、O、Br)。 產(chǎn)品正常過(guò)爐后，將flux清洗干凈、免清洗以及涂覆過(guò)量flux，產(chǎn)品性能均無(wú)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(dāng)pin6、 pin7腳間有離子污染時(shí)，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(huì)很大，從而拉高pin6處的電壓，pin7由正常工作時(shí)的高電位變成低電位，造成OCP誤動(dòng)作。將R62由阻值從82K變?yōu)?.1 K后降低漏電流對(duì)產(chǎn)品的影響，未再發(fā)生此類(lèi)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?chē)梢?jiàn)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(fù)到初始值。一、離子污染8/53電阻表面protective coating均可見(jiàn)小空洞，可吸附空氣中的灰塵或微小雜質(zhì)，易吸水，尤其當(dāng)材料的孔隙率越大，吸水率也隨之越大。當(dāng)灰塵或微小雜質(zhì)加上水汽，并以離子形式出現(xiàn)時(shí)即形成離子污染，從而產(chǎn)生漏電，導(dǎo)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(hù)層與電阻層完好，與OK品沒(méi)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(huì)導(dǎo)致電路板腐蝕、枝晶的生長(zhǎng)以及導(dǎo)電陽(yáng)極細(xì)絲發(fā)生，即所謂的電化遷移。電化遷

5、移會(huì)造成整個(gè)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(chǎng)、濕氣的影響，金屬離子從一金屬電極向另一金屬電極移動(dòng)，析出金屬和化合物并顯示導(dǎo)電性的現(xiàn)象稱(chēng)為離子遷移。ECM是由溶液和電位等相關(guān)的電化學(xué)現(xiàn)象引起，特別是在高密度電子產(chǎn)品中，材料與周?chē)h(huán)境相互影響導(dǎo)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(dòng)勢(shì)。(離子遷移一般存在的條件如下)a.溫度：100；b.濕度：高時(shí)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(dòng)勢(shì)(偏壓)：低壓，兩導(dǎo)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(jī)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(zhǎng)（Dendrite）和導(dǎo)電陽(yáng)極細(xì)絲（Conductive Anodic Filament）兩大類(lèi)。 Dendrite是根據(jù)絕緣表面導(dǎo)體間析出的金屬和其化合物呈樹(shù)枝狀而命名（圖2.1）。 ECM針對(duì)PWB 板面導(dǎo)體之間，會(huì)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(duì)

7、玻纖束中會(huì)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(guò)程可分為陽(yáng)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(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)是枝晶生長(zhǎng)的發(fā)生機(jī)理，而陽(yáng)極反應(yīng)、陰極反應(yīng)和電極間發(fā)生的反應(yīng)是導(dǎo)電陽(yáng)極細(xì)絲的發(fā)生機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(guò)程的重復(fù)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(shù)脂方面，樹(shù)脂的組成，官能團(tuán)，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(jī)纖維的吸潮性； c. 加工條件方面：通孔的條件（有無(wú)電鍍液殘留），層積條件 （樹(shù)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(xiàn)路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)線(xiàn)路板上的電場(chǎng)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(lèi)，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(dāng)完工的電路板或組裝板，長(zhǎng)久處于高溫高濕之惡劣環(huán)境中，且其相鄰導(dǎo)體間又出現(xiàn)偏壓(Bias)的情況下，會(huì)逐漸發(fā)生金屬離子性物體的遷移，并在板面出現(xiàn)樹(shù)枝狀鹽類(lèi)生長(zhǎng)的痕跡者，稱(chēng)為Dendrite。如圖3.1、圖3.2所示。圖3.2、Ag dendrite-水滴試驗(yàn)圖3.1、Cu dendrite潮濕環(huán)境-+-+-三、表面遷移 (Dendrite)19/53在實(shí)際PWBA中，由于各導(dǎo)線(xiàn)之間均有電位差異，就形成陰極和陽(yáng)極。在無(wú)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(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)上金屬就在電解質(zhì)中變成離子進(jìn)行遷移并形成枝狀晶，導(dǎo)致漏電、短路產(chǎn)品失效。有鉛釬料中一般發(fā)生Pb析出，無(wú)鉛釬料中一般發(fā)生Sn析出，如果出現(xiàn)潤(rùn)濕不完全，有裸露的Cu焊盤(pán)，則會(huì)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(jī)理 以銅為例，當(dāng)水氣充足時(shí)，外層板面兩導(dǎo)體間會(huì)先在陽(yáng)極生成銅離子，到達(dá)陰極處長(zhǎng)出樹(shù)枝狀的銅與氧化銅，并向陽(yáng)極方向不斷蔓延生長(zhǎng)。v-+陽(yáng)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(dòng)關(guān)機(jī) 產(chǎn)品在客戶(hù)端發(fā)生“自動(dòng)關(guān)機(jī)” ，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(qiáng)及含松香量低是導(dǎo)致dendrite短路的原因，助焊劑成份比對(duì)見(jiàn)表3.1。助焊劑化學(xué)性質(zhì)對(duì)

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(qiáng)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(shù)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(duì)廠商型號(hào)固體含量酸值腐蝕等級(jí)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(xiàn)路A和B絕緣電阻值大于1010歐，板面無(wú)白斑、錫珠，而NG線(xiàn)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(wú)縫隙NGOK三

13、、表面遷移 (Dendrite)24/53白斑處剝離綠漆后對(duì)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(dǎo)致該處基材與綠漆之間結(jié)合不良，產(chǎn)品組裝使用時(shí)，相鄰導(dǎo)線(xiàn)在偏壓影響下發(fā)生金屬離子遷移，在板面上出現(xiàn)dendrite導(dǎo)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(dāng)板內(nèi)出現(xiàn)細(xì)微通道又存在水氣與電解質(zhì)， 再加上紗束兩端銅導(dǎo)體之電壓不等時(shí)（偏壓），將有可能在陽(yáng)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(shí)陰極端的電子也會(huì)往陽(yáng)極移動(dòng)，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(chēng)為CAF (Conductive Anodic Filament) 。 圖4.2 CAF實(shí)際失效圖圖4.1 CAF示意圖四、內(nèi)部遷移 (CAF)26/534.2 CAF種類(lèi) 發(fā)生CAF的主要種類(lèi)：孔-孔、孔-線(xiàn)、線(xiàn)-線(xiàn)等孔-孔孔-線(xiàn)線(xiàn)-線(xiàn)玻纖紗束彼此之搭連相鄰兩導(dǎo)線(xiàn)之跟部恰巧踩在同一束玻纖紗上導(dǎo)線(xiàn)之跟部與孔壁之間經(jīng)過(guò)玻纖紗相接四、內(nèi)部遷移 (CAF)27/534.3 CAF失效機(jī)理 絕緣物中含有纖維時(shí)，遷移沿著纖維從陽(yáng)極向陰極成長(zhǎng)CAF Growth的發(fā)生可分為兩階段：Stage 1：高溫高濕的影響下，樹(shù)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(shuō)明，當(dāng)五種失效條件皆具備完全時(shí)（ 1.水氣 2.電解質(zhì) 3.露銅 4.偏壓 5.通道），則居高電位陽(yáng)極的銅金屬會(huì)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(huì)往陽(yáng)極移動(dòng)，路途中銅離子遇到電子時(shí)即會(huì)還原出銅金屬，并逐漸從陽(yáng)極往陰極長(zhǎng)出銅膜，故又稱(chēng)為”銅遷移”。一旦完成通路導(dǎo)電時(shí)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(huì)一再重復(fù)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(shù)脂界面附著力較弱、板材吸水、 PWB制程不良、通孔跨距過(guò)近。其細(xì)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(wèn)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(shù)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(lái)夾雜物等。四、內(nèi)部遷移 (CAF)30/53c. 樹(shù)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(huì)存在斷絲的紗束，此種通道亦將成為CAF的隱憂(yōu)。四、內(nèi)部遷移 (CAF)32/53g. 無(wú)鉛化或無(wú)鹵化的板材為了減少Z膨脹降低爆板起見(jiàn)，均需加入重量比25%左右的粉料(Fillers)，但如此一來(lái)也增大了黏度平添了含浸的困難，進(jìn)而留下通道與CAF的隱憂(yōu)。四、內(nèi)部遷移 (CAF)33/53h. 銅箔棱線(xiàn)起伏太大時(shí)，使直接踩壓在同一玻纖束的機(jī)會(huì)增加，形成線(xiàn)與線(xiàn)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(guò)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(guò)度，或化學(xué)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(qiáng)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(kāi)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(zhǎng)的途徑四、內(nèi)部遷移 (CAF)38/53增強(qiáng)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(qiáng)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(shí)移動(dòng)速度，加強(qiáng)樹(shù)脂滲入玻纖的能力。壓合過(guò)程中的溫度及壓力等條件的控制，決定樹(shù)脂芯板間結(jié)合是否良好與CAF發(fā)生的機(jī)率。硅烷耦合劑玻璃絲樹(shù)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(shù)脂更容易滲入玻纖紗束中。 開(kāi)纖布含浸良好者可降低通道。扁纖開(kāi)纖布無(wú)鹵板材，100X粉狀填料扁纖傳統(tǒng)開(kāi)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(shí)例中可清楚見(jiàn)到開(kāi)口的大小，開(kāi)口愈少則透氣度愈少。樹(shù)脂含浸效果越好。1080NY1080AST1080TG四、內(nèi)部遷移 (CAF)41/53改善PWB設(shè)計(jì) a. 采用棱線(xiàn)較低(Low Profile)之銅箔，減少直接踩壓玻纖紗束的機(jī)會(huì)。 如下圖所示意：Cu LineCu LineLaminateLaminate標(biāo)準(zhǔn)銅箔無(wú)棱線(xiàn)銅箔四、內(nèi)部遷移 (CAF)42/53b. 增加PTH之間跨距一般對(duì)電源板來(lái)說(shuō)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(cuò)開(kāi)陰陽(yáng)通孔之串行是順著玻纖紗而制作容易發(fā)生CAF兩排陰陽(yáng)孔串卻是互相錯(cuò)開(kāi)，使得兩孔間的玻纖紗束對(duì)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(duì)策1進(jìn)刀量變化過(guò)大維持固定的進(jìn)刀量2進(jìn)刀速率過(guò)快調(diào)整進(jìn)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(dāng)更換蓋板材料4固定鉆頭所用真空度不足檢查鉆孔機(jī)臺(tái)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)