离子污染与电化迁移.ppt

按一下以編輯母片標題樣式,To learn more about Delta,please visit,按一下以編輯母片標題樣式,To learn more about Delta,please visit,*,Delta Confidential,按一下以編輯母片標題樣式,To learn more about Delta,please visit,离子污染与电化迁移,PFA Lab/Mar.,2012,Agenda,一、离子污染,二、电化迁移基础,(ECM),三、表面迁移,(Dendrite),四、内部迁移,(CAF),五、,Dendrite,与,CAF,之比对,自电路板问世以来，残留在印刷电路板上的离子污染物一直是避无可避的问题。无论是裸电路板还是电路板组装件成品，污染物可能会使整个绝缘表面出现,电流泄漏,，从而引起,短路,，尤其是在高密度微间距封装中，常常能看到这种现象。离子残留物中含有导电分子，一旦溶解在溶液中就能够导电。一些常见的离子残留物的来源包括电镀材料、助焊剂催化剂、汗水、离子表面活化剂和乙醇胺。如果嚗露在潮湿的环境中，离子污染物会明显加快电路和组装件性能下降的速度。,一、离子污染,3,案例一：产品输出电压偏低,产品输出电压偏低，此类问题均发生在湿气较重的时候。可能引起电压偏低的位置有,C59,、,IC51,、,R62,。,R62,C59,IC51,C59,用烙铁润焊后，产品输出电压恢复正常，向测试,OK,的产品上吹湿气后测试，则出现输出电压偏低的不良，可推断，湿气会影响产品的性能。,一、离子污染,4,IC51 pin,之间有异物存在，主要为沾到锡渣的零件,pin,细屑,及助焊剂,(C,、,O,、,Br),。,产品正常过炉后，将,flux,清洗干净、免清洗以及涂覆过量,flux,，产品性能均无下降。,金属,或,离子物质的存在,以及,潮湿的环境,是产生离子污染的关键。,IC51 pin5,&,pin6,IC51 pin6,&,pin7,一、离子污染,5,当,pin6,、,pin7,脚间有离子污染时，两,pin,之间,漏电流,，即使很小的漏电流，,R62,阻值为,82K,，其电压也会很大，从而拉高,p,in6,处的电压，,pin7,由正常工作时的高电位变成低电位，造成,OCP,误动作。,将,R62,由阻值从,82K,变为,5.1 K,后降低漏电流对产品的影响，未再发生此类输出电压偏低的情况。,一、离子污染,6,案例二：电阻阻值偏低,NG 4(366V),OK(381V),N,G,品,PWB,表面较,OK,品表面赃，电阻周围可见黄色异物。,R812A,R801A,清洗前,:,R812A:970k,R801A:1001k,清洗后,:,R812A:999k,R801A:1001k,将,清洗后的电阻表面沾水，电阻的阻值立刻降低，并随着水分的挥发，阻值逐渐增大，,3mins,后电阻阻值恢复到,初始值。,一、离子污染,7,电阻表面,protective coating,均可见小,空洞,，可吸附空气中的,灰尘或微小杂质，易吸水,，尤其当材料的孔隙率越大，吸水率也随之越大。当灰尘或微小杂质加上水汽，并以离子形式出现时即形成,离子污染,，从而产生漏电，导致电阻阻值偏低，高压加剧了失效的产生。,内部玻璃保护层与电阻层完好，与,OK,品没有明显差异。,OK,NG,一、离子污染,8,电子产品在潮湿的环境中工作，离子污染物的存在还可能会导致电路板腐蚀、枝晶的生长以及导电阳极细丝发生，即所谓的电化迁移。,电化迁移会造成整个电路出现电流泄漏，从而引起短路，尤其在高密度微间距封装中，常常能看到这种现象。,一、离子污染,9,2.1,电化迁移,(,E,lectro-,C,hemical,M,igration),概念,因电场、湿气的影响，金属离子从一金属电极向另一金属电极移动，析出金属和化合物并显示导电性的现象称为,离子迁移,。,ECM,是由溶液和电位等相关的电化学现象引起，特别是在高密度电子产品中，材料与周围环境相互影响导致离子迁移发生。,二、电化迁移基础,10,2.2,电化迁移的条件,在与金属接触的电绝缘体表面或内部存在湿气以及存在持续的电动势。,(,离子迁移一般存在的条件如下,),a.,温度：,100,；,b.,湿度：高时明显,(,湿度为影响离子迁移的最重要因素,)，吸入水份；,c.,电动势,(,偏压,),：低压，两导体间出现偏压；,d.,可供迁移的通道：板体不洁而带有电解质、内部玻纤中有,gap,。,二、电化迁移基础,11,2.3 产生机理,ECM,根据其发生形态和发生状况被分为枝晶生长（,Dendrite,）和导电阳极细丝（,C,onductive,A,nodic,F,ilament,）两大类。,Dendrite,是根据绝缘表面导体间析出的金属和其化合物呈树枝状而命名（图,2.1,）。,ECM,针对,PWB,板面导体之间，会出现,Dendrite,之绝缘性不良。,CAF,是根据沿着,PWB,的绝缘基板内部的玻纤束所析出的金属或其化合物呈纤维状延伸状态而命名的（图,2.2,）。,ECM,针对玻纤束中会发生,CAF,之绝缘性不良。,图,2.1,、,Dendrite,图,2.2,、,CAF,二、电化迁移基础,12,离子迁移发生过程可分为阳极反应（金属溶解）、阴极反应（金属或金属氧化物析出）和电极间发生的反应（金属氧化物析出），其中阳极反应和阴极反应是枝晶生长的发生机理，而阳极反应、阴极反应和电极间发生的反应是导电阳极细丝的发生机理。,-,+,二、电化迁移基础,13,2.4,影响因素,表,2.1,、离子迁移发生的加速因子,表,2.2,、金属的,标准,电极电位,离子迁移发生的影响因素较多，如下表所示。,二、电化迁移基础,14,同样的条件下，银的迁移率是铜的,1000,倍，不同金属物质的迁移速率比较为：,银,铜铅锡金。,影响迁移率的主要因素：,a.,金属是否易形成阻止起始过程的重复稳定和钝化的氧化膜；,b.,离子氧化还原反应自由能的高低；,c.,在发生迁移的两极间电解质的量。,二、电化迁移基础,15,2.5 失效成因,基板的构成,a.,树脂方面，树脂的组成，官能团，固化程度，离子浓度（杂质、水解性能,等），吸湿性；,b.,纤维方面：玻璃纤维的密度，有机纤维的吸潮性；,c.,加工条件方面：通孔的条件（有无电镀液残留），层积条件,（树脂间粘合性），加工工艺残留物（粗化、电镀等的残液）。,二、电化迁移基础,16,线路和结构的设计线路板上的电场分布和易氧化金属材料所带的电的极性,。,其它基板上所安装的组件和金属构件在电镀孔隙中留下的未能洗净的,电解质，焊料，胶类，易发生电解的物质，灰尘等离子污染，结露等。,二、电化迁移基础,17,3.1,表面迁移,(Dendrite),概念,当完工的电路板或组装板，长久处于高温高湿之恶劣环境中，且其相邻导体间又出现偏压,(Bias),的情况下，会逐渐发生金属离子性物体的迁移，并在板面出现树枝状盐类生长的痕迹者，称为,Dendrite,。,如图,3.1,、图,3.2,所示。,图,3.2,、,Ag dendrite-,水滴试验,图,3.1,、,Cu dendrite,潮,湿环境,-,+,-,三、表面迁移,(Dendrite),18,在实际,PWBA,中，由于各导线之间均有,电位差异,，就形成阴极和阳极。在无铅工艺中，由于焊接温度较高，加之非挥发水溶性性焊剂和灰尘导电物等具有一定的活性，在,潮湿,的环境中水和焊剂残余就形成,电解质,，导线上金属就在电解质中变成离子进行迁移并形成枝状晶，导致漏电、短路产品失效。,有铅钎料中一般发生,Pb,析出，无铅钎料中一般发生,Sn,析出，如果出现润湿不完全，有,裸露的,Cu,焊盘,，则会发生如图,Cu,析出。,a.SnPb37,b.Sn3.5Ag0.75Cu,c.Sn3.5Ag0.75Cu,图,3.3,焊料中枝晶析出图片,三、表面迁移,(Dendrite),19,3.2,失效机理,以铜为例，当水气充足时，外层板面两导体间会先在阳极生成铜离子，到达阴极处长出树枝状的铜与氧化铜，并向阳极方向不断蔓延生长。,v,-,+,阳极：,Cu Cu,2+,+2e,-,；,2,H,2,O 4H,+,+O,2,+4e,-,阴极：,Cu,2+,+2e,-,Cu；2H,2,O+4e,-,H,2,+2OH,-,Cu,2+,+2OH,-,Cu(OH),2,CuO+H,2,O,三、表面迁移,(Dendrite),20,3.3,典型案例一：自动关机,产品在客户端发生“自动关机”，经分析为,IC7501 pin7&8,之间产生,dendrite,短,路所致，如下图,3.4,所示：,a.dendrite，6.7X,b.dendrite，20X,图,3.4 IC7501 dendrite,三、表面迁移,(Dendrite),21,失效原因：,H,商家的,助焊剂酸性腐蚀性强及含松,香,量低是导致,dendrite,短路的原因，助焊剂成份比对见表,3.1,。,助焊剂化学性质对绝缘电阻与发生电化迁移的影响有如下：,a.,酸性、腐蚀性强,的助焊剂,离子含量较高，其表面易产生电化迁移；,b.,松香含量低,的助焊剂，因其残留物更缺乏了松香树脂的包覆，所以其表面绝,缘电阻较低。,表,3.1,：助焊剂成份比对,厂商,型号,固体含量,酸值,腐蚀等级,松香含量,H,LFB838,3.6wt%,28mg KOH/g,M,1.2,wt%,A,RF800T3,4.0wt%,18mg KOH/g,L,2,wt%,三、表面迁移,(Dendrite),22,3.3,典型案例二：漏电与白斑,(,赛宝,),OK,线路,A,和,B,绝缘电阻值大于,10,10,欧，板面无白斑、锡珠，而,NG,线路,A,和,B,绝缘电阻值,45K,欧，板面有白斑、锡珠，产品出现漏电现象。,白斑,有缝隙,无缝隙,NG,OK,三、表面迁移,(Dendrite),23,白斑处剥离绿漆后,对策：绿漆前处理要保持板面清洁,失效原因：,PWB,在绿漆前处理清洗不净造成局部区域处理液残留，导致该处基材与绿漆之间结合不良，产品组装使用时，相邻导线在偏压影响下发生金属离子迁移，在板面上出现,dendrite,导致绝缘阻值降低甚至短路。,三、表面迁移,(Dendrite),24,4.1,内部迁移,(CAF),概念,当板内出现,细微通道,又存在,水气,与,电解质,，再加上纱束两端铜导体之电压不等时（,偏压,），将有可能在阳极发生出现铜离子，延着玻纤纱束中的空隙（,通道,），往阴极产生电化性迁移。同时阴极端的电子也会往阳极移动，于是两者相逢后即出现铜金属的还原，并在两端延着纱束逐渐搭成了短路的漏电，特称为,CAF(,C,onductive,A,nodic,F,ilament),。,图,4.2 CAF,实际失效图,图,4.1 CAF,示意图,四、,内部迁移,(CAF),25,4.2 CAF,种类,发生,CAF,的主要种类：孔,-,孔、孔,-,线、线,-,线等,孔,-孔,孔,-,线,线,-,线,玻纤纱束彼此之搭连,相邻两导线之跟部恰巧踩在同一束玻纤纱上,导线之跟部与孔壁之间经过玻纤纱相接,四、,内部迁移,(CAF),26,4.3 CAF,失效机理,绝缘物中含有纤维时，迁移沿着纤维从阳极向阴极成长,CAF Growth,的发生可分为两阶段：,Stage 1,：高温高湿的影响下，树脂与玻纤之间的附着力劣化，玻纤表面硅烷处理层水解，形成了铜金属腐蚀的环境。烘烤可改善。,Stage 2,：铜腐蚀的水解反应，并形成铜盐的沈积产物。,四、,内部迁移,(CAF),27,CAF,的成因说明，当五种失效条件皆具备完全时,（,1.,水气,2.,电解质,3.,露铜,4.,偏压,5.,通道）,，则居高电位阳极的铜金属会先氧化成,Cu,或,Cu,2+,，并沿着已存成不良通道的玻纤纱束向阴极慢慢迁移，而阴极的电子也会往阳极移动，路途中铜离子遇到电子时即会还原出铜金属，并逐渐从阳极往阴极长出铜膜，故又称为”铜迁移”。一旦完成通路导电时却又遭到高电阻的焦耳热所烧断，且在原因未消失前，还将会一再重复出现,CAF,。,四、,内部迁移,(CAF),28,4.4 CAF,发生原因,CAF Growth,发生的主要原因是在偏压下，玻纤与树脂界面附着力较弱、板材吸,水、,PWB,制程不良、通孔跨距过近。其细部原因约有：,基材板原料与制程之不良,a.,玻纤束之表面硅烷处理,(,Silane,Treatment),层有问题：如耦合性,(Coupling),不佳，或亲,胶,性不良，甚至硅烷层本身容易水解等缺失。,b.,树脂本身纯度不良，如杂质太多而招致附着力不佳，或吸水率较高，或界面,间出现杂质或外来夹杂物等。,四、,内部迁移,(CAF),29,c.,树脂之硬化剂不良，如,Dicy,之容易吸水。,d.,胶片含浸造成气泡残存。,e.,薄基板或多层板之压合不良，常使玻纤束中之气泡难以全数赶光。,四、,内部迁移,(CAF),30,f纤布难免会存在断丝的纱束，此种通道亦将成为,CAF,的隐忧。,四、,内部迁移,(CAF),31,g.,无铅化或无卤化的板材为了减少,Z,膨胀降低爆板起见，均需加入,重量比,25%,左右的粉料,(Fillers),，但如此一来也增大了黏度平添了,含浸的困难，进而留下通道与,CAF,的隐忧。,四、,内部迁移,(CAF),32,h.,铜箔棱线起伏太大时，使直接踩压在同一玻纤束的机会增加，形,成线与线间,CAF,之病灶。,四、,内部迁移,(CAF),33,电路板制程不良,a.PWB,制程之钻孔太过粗糙，造成玻纤束被拉松或分离而出现,Gap,。,四、,内部迁移,(CAF),34,b.PWB,制程之,PTH,中,Desmear,ing,过度，或化学铜浸入玻纤束发生,灯芯效应,(Wicking),等。,crack,灯芯,效应,四、,内部迁移,(CAF),35,c.PWBA,后制程或后续使用环境之多次高低温变化,(Thermal Cycling),中，由于,CTE,(,C,oefficient of,T,hermal,E,xpansion),之差异与板材之持续劣化所致,crack,。,厚铜厚板回焊强热内部微裂,Tg150,的,HF,板材,112,次,IST,温度循环微裂,Tg150,的,HF,板材,400,次,IST,温度,开裂,四、,内部迁移,(CAF),36,减少吸水性,将,FR-4,原有的硬化剂,Dicy,(,Dicyanidiomide,),换成,PN,(,PhenalNovalac,),，可使,FR-4,板材的吸水率由,0.4%,左右降到,0.2%,附近。因两种硬化剂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,生长的途径,四、,内部迁移,(CAF),37,增强接口之接着力，减少在水气中劣化程度,a.,选择良好的硅烷耦合剂，以加强玻纤之亲胶性，降低其本身之水解劣化效果。,b.,增加胶含量，减缓胶片含浸时移动速度，加强树脂渗入玻纤的能力。压合过,程中的温度及压力等条件的控制，决定树脂芯板间结合是否良好与,CAF,发生的,机率。,硅烷耦合剂,玻璃丝,树脂,新式处理,传统处理,填充料与耦合皮膜示意图,四、,内部迁移,(CAF),38,c.,采用压扁玻纤布，或打散式玻纤，使液态树脂更容易渗入玻纤纱束中。,开纤布含浸良好者可降低通道,。,扁纤开纤布,无卤板材，,100X,粉状填料,扁纤,传统,开纤与布洞弥合透气率降低,四、,内部迁移,(CAF),2116,7628,1080,39,下图三种玻纤布放大实例中可清楚见到开口的大小，开口愈少则透气度愈少。,树脂含浸效果越好。,1080,NY,1080,AST,1080,TG,四、,内部迁移,(CAF),40,改善,PWB,设计,a.,采用棱线较低,(Low Profile),之铜箔，减少直接踩压玻纤纱束的机会。,如下图所示意：,Cu Line,Cu Line,Laminate,Laminate,标准铜箔,无棱线铜箔,四、,内部迁移,(CAF),41,b.,增加,PTH,之间跨距,一般对电源板来说,PTH,板边跨距应在,0.5mm,以上，如下图所示：,0.5,mm,四、,内部迁移,(CAF),42,c.,密集处小孔错开,阴阳通孔之串行是顺着玻纤纱而制作容易发生,CAF,两排阴阳孔串却是互相错开，使得两孔间的玻纤纱束对铜迁移形成了迂回，不容易发生,CAF,四、,内部迁移,(CAF),43,孔壁粗糙原因,改善对策1,进刀量变化过大,维持固定的进刀量,2,进刀速率过快,调整进刀速率与钻针转速关系至最佳状况,3,盖板材料选用不当,更换盖板材料,4,固定钻头所用真空度不足,检查钻孔机台真空系统，检查主轴转速是否有变异,5,退刀速率异常,调整退刀速率与钻头转速之关系至最佳状况,6,尖针之切削前缘出现破口或损坏,上机前先检查钻针情况，改善钻针持取习惯,7,主轴之偏转太大,针对主轴、筒夹以及筒夹座进行检查与清洁,6,3,COVER,PWB,7,4,1,2,Drill,5,改善钻孔参数,四、,内部迁移,(CAF),44,防火墙厚度低于,20mil,者，发生,CAF,的机率加大，钻孔参数必须提高规格到,C.L.,(进刀量,)0.5mil/R,，,T I R(,钻孔偏移,)0.4mil,，且刀刃应锐利以避免板材的拉扯。,磨损,刃破,正常,四、,内部迁移,(CAF),45,4.6,典型案例一：,OVP,电压偏高,失效定位：经工程分析，,3,号孔位存在异常,OVP,电压偏高，约为,2.4V,，,OVP,线路正常工作电压为,1.6V,，更换掉所有零件后仍是,2.4V,左右。初步判定为,PWB,的,OVP,线路部分有问题。,1 2,3,4,四、,内部迁移,(CAF),46,玻纤纱已被拉断,有渗铜现象,3,4,3,4,玻纤纱破坏,2,孔之间的绝缘性会降低,有渗铜现象，,2,孔之间的绝缘性会降低,四、,内部迁移,(CAF),47,两孔之间的间距为：,254um,第,3,个孔与第,2,个孔及第,4,个孔之间因间距小且有渗镀的原因，缩小了孔间距，引发,CAF,现象，降低了孔间的绝缘阻抗。,四、,内部迁移,(CAF),48,4.6,典型案例二：手机自动拨号,(,赛宝,),失效模式：,手机开机固定的键开始自动拨号,6,、,7,、,8,号键,四、,内部迁移,(CAF),49,通过电路对失效点定位，电性能测试发现失效品的总线,R366,与,6,、,7,、,8,号键间的阻值为,0.01 M,，而正常品,R366,与,6,、,7,、,8,号键间的电阻值为,4.68M,，即失效品,R366,与,6,、,7,、,8,号键有短路。,四、,内部迁移,(CAF),50,铜的,CAF,导致通孔间绝缘性能下降,四、,内部迁移,(CAF),51,类型,De,ndrite,CAF,条件,高湿、偏压、电解质,高湿、偏压、通道,位置,分析方法,可目视,须切片,状态,树枝状沈积物,铜盐沈积物,沈积方向,阴极到阳极,阳极到阴极,典型图片,外部,内部,五、,Dendrite,与,CAF,之比对,52,参考文献,To learn more about Delta,please visit,白蓉生,基材板玻纤纱漏电之探讨,白蓉生,CAF,的真因，失效模式与改善,THE END!,Q&A?,