PCBA加工成品有白斑的原因及解決辦法

日期:2018-05-27 / 人氣: / 來源:www.bcreader.com

什么是PCBA加工中常說的白斑

部分PCBA加工成品中可能會遇到白斑問題,白斑現象一般出現在焊接過程或焊后清洗過程中,主要表現為PCB表面、引腳及焊點表面或周圍出現白斑或白色殘留物,白斑物質的成分可能是結晶松香、松香變性物、有機和無機金屬鹽、組焊劑、助焊劑或清洗劑等反應物以及焊接高溫產生的其他化學物質,但大部分是來自于助焊劑中的松香或水溶性酸發生了化學變化,造成所產生的物質較其原組成更難溶于清洗劑。

一般比較疏松的樹脂殘留物,以相似相溶原理和溶解系數為理論基礎,,選用不同溶劑的組合來達到溶脹和溶解后即可清洗去除。但有機酸會和錫、鉛等金屬及其金屬氧化物發生金屬皂化反應形成羧酸鹽,且溫度越高,時間越長形成越多。這類質硬金屬鹽一般溶劑無法清除,需超聲波協助清理。因此工藝上可通過降低溫度和縮短時間來減少該類殘留物的形成。另外,焊后有機物的變性給清洗劑的成分配置帶來困難,再加上組焊劑的品種和PCB生產工藝中的化學干擾,焊劑中某些溶劑的介入破壞了組焊劑原有表面品質,使得白斑現象層出不窮,只有針對性地選擇清洗劑了。

PCBA白斑

鑒于白斑的種類比較多,且對PCBA加工產品質量會有一定影響,因此有必要找出不同種類白斑產生的原因,白斑現象在波峰焊接及再流焊工藝中均有發生,白斑成分非常復雜,成因也不易被預測。由于波峰焊接工藝控制較為復雜,白斑辨識也較困難,生產中一般可通過以下幾步加以確認。

PCBA白斑成份辨識方法

  1. PCB辨識
  2. 從問題批量中取出幾塊未插件的裸板,使用一般除助焊劑的清洗程序進行預洗。預洗后的裸板采用標準組裝工序后清洗。若預洗后的板子經過相同程序后無白斑出現,表示問題是裸板受到污染。確認裸板的制造過程是否有問題。
  3. 助焊劑辨識
  4. 從問題批量中取出幾塊未插件的裸板,不添加助焊劑,但按照標準組裝工序進行其他步驟。若無白斑出現,表示問題與助焊劑及焊錫有關。
  5. 焊接辨識
  6. 重復助焊劑辨識,但略過波峰焊步驟。若無白斑出現,表示問題與焊接溫度太高或時間太長有關。
  7. 清洗劑/清洗工藝辨識
  8. 標準組裝工序后的PCBA,延長焊后至清洗的間隔時間待溫度降至室溫后再進行清洗。若無白斑出現,表示問題與清洗工藝溫度有關。
  9. 其他成因辨識
  10. 其他原因造成PCBA表面殘留物,可通過光學方式來檢查其形態,也可通過滴入水或酒精等溶劑來觀察。若溶于水則表示為無機物殘留,若溶于酒精則表示為有機殘留物。

PCBA白斑種類及形成原因和清洗方法

常規PCBA清洗方法可能對本文涉及的部分頑固性白斑的效果有限。下面根據不同PCBA白斑出現的原因針對性介紹相關清洗方法。白斑大部分是來自于助焊劑中的松香或水溶性酸發生了化學變化。下面對兩種成分產生白斑原因進行簡單分析。

  1. 松香樹脂殘留物
  2. 含有松香或改性樹脂的助焊劑,主要是由非極性的松香樹脂及少量的鹵化物有機酸和有機溶劑組成。鹵化物有機酸(如乙二酸)等活性物質在焊接過程中經過復雜的化學反應過程,產物可以是未反應的松香、聚合松香、氧化松香、分解的活性劑及鹵化物以及與金屬反應產生的金屬鹽等。未反應的松香較易除去,但具有潛在危害的反應物不容易清除。
  3. 氧化松香殘渣
  4. 松香樹脂主要由松香酸組成,由于其分子中有不飽和的雙鍵,很容易被氧化。焊接受熱時,松香酸迅速氧化成過氧化物和酮類化合物,比原樹脂更不容易溶于溶劑,清洗后在PCB表面就會出現明顯不規則分布的白斑,而且在PCB受熱較厲害的部分更加明顯。
    這類白斑不能用普通的含氯、含氟溶劑清洗干凈,酒精溶劑或被皂化的水也不能將它清除。常采取兩種辦法:適當的擦洗方法;用加熱的原始助焊劑將其溶解,然后再用正常的清洗溶劑將它清除。
    另外,為了提高松香的抗氧化性,部分助焊劑配方中使用了改性后的氫化松香予以改善。但由于焊接過程中復雜的化學反應,此方法并未有效防止白色殘余。
  5. 聚合松香殘渣
  6. 松香型助焊劑在焊接過程中發生聚合反應,原因與氧化松香成因一樣。當松香聚合時,會形成一些長鏈分子,頑固地牢牢附著在PCB表面,不溶解于任何普通溶劑。值得注意的是,聚合松香形成需焊料表面的錫氧化物做催化劑,去除辦法一般采用和氧化松香同樣的辦法。
  7. 水解松香殘渣
  8. 松香本身不溶于水,但在儲存和使用過程中,會吸收空氣中的潮氣,再用水清洗方式和含水酒精溶劑進行清洗時,同樣會與水結合,發生水解反應。松香中被水解的部分一般不溶于清洗溶劑,但其形成本身是個可逆過程,給水解松香緩慢加熱到100 ℃,水解松香將會分解,然后用常規溶劑將其去除。但若加熱控制不當,將導致其發生不可預料的復雜化學反應,形成更難清洗的其他殘留。
  9. 有機酸焊劑殘留物
  10. 含有機酸的助焊劑殘留物,主要是未反應的有機酸(如乙二酸、丁二酸等)及其金屬鹽類。大多數無色免清洗助焊劑就是這一類,主要由多元有機酸組成,也包括常溫下無鹵素離子而焊接高溫時產生鹵離子的化合物,有時也包括極少量的極性樹脂。有機酸與焊料形成的鹽類有較強吸附性能,且溶解性極差。使用水溶性助焊劑時,更大量的這類殘余物及鹵化物鹽類會產生,但由于及時的水清洗,這類殘留物可以得到很大程度的降低。
  11. 免清洗助焊劑造成的殘渣
  12. 免清洗助焊劑焊后,焊點表面一般有一層透明的膠膜將殘渣緊緊包裹,但若進行清洗破壞了這層透明物質,暴漏的殘渣將以難溶白色斑塊表現出來,其基本成分和上述殘渣類似。
  13. 水清洗工藝造成的殘留
  14. 水清洗過程中,皂化劑過于集中或活性過強,會引起PCBA焊料表面的氧化,形成白色的氧化錫膜。若水清洗過程中使用了鋁或鋅的夾具(如清洗籃),或將其用磷化工藝電鍍,鋁或鋅將首先被氧化而形成氧化鋁或氧化鋅薄膜,或者是混合磷/鋅薄膜,污染焊錫表面。鋁夾具還會和水溶液中的皂化劑發生反應,在鋁的表面形成白色殘留,通過水轉移到PCBA表面,造成污染。
    另外,若清洗用水為硬水,將富含鎂、鐵或鈣,當PCBA清洗干燥后,也會留下白色的殘留。正常情況下,水會被強制從板面吹走,以免水溶性白色殘留在板面,但此方法往往不怎么有效,即使是軟水,清洗后也常常有白色的鈉鹽留在板面。
  15. PCBA材料兼容性不佳造成的殘留
    • PCB+松香助焊劑+焊料殘渣
    • PCB層壓結構中未反應完全的環氧氯丙烷會引起松香助焊劑的聚合反應,不過焊料氧化物的存在是其聚合反應的先決條件。要解決此問題,首先要保證PCB層壓材料的完全固化。
    • PCB+助焊劑殘留
    • PCB層壓結構中的環氧樹脂由環氧氯丙烷和四溴雙酚A熱固化而成,其中溴是作為阻燃劑而添加的。環氧樹脂由于種種原因,有時并不能完全固化,其中的溴苯酚在高溫下(135℃)發生分解反應,形成溴離子并與富鉛的焊料表面發生化學反應,形成白色的溴化鉛,并與金屬的氯化鹽混合,不溶于任何酒精和水,但溶于稀鹽酸。要根本上解決此問題,PCB制造商必須控制好其制造工藝。
    • 焊料+松香助焊劑殘渣
    • 焊接過程中焊料、元器件引腳的Sn、Pb、Cu、Fe等元素會和助焊劑中的酸發生復雜的化學反應,形成一系列復雜的化合物,其中以Sn和Pb的松香酸脂和海松酸甲酯為多。要解決此問題,需通過一些預防性措施,比如對焊接工藝進行優化,減少松香受熱時間等。
    • 焊料+鹵化物活性劑殘渣
    • 焊接過程中助焊劑里活性劑和各種成分發生復雜的反應,形成金屬鹵酸鹽,通常是Sn、Pb、Cu的氯化物,被固化的松香類樹脂緊緊包裹,活性難以發揮,主要表現為半透明的高絕緣性物質,在一定程度上影響了外觀。一旦進行清洗,膠膜被破壞,氯化物會進一步與空氣中水分和二氧化碳形成碳酸鹽,主要為白色碳酸鉛和氫氧化鉛。圖11為有鉛焊點存放一段時間后出現白斑的現象及成因。要避免此類問題發生,可選用低活性助焊劑或不做任何清洗,或徹底清洗。
    • 焊料+清洗劑殘渣
    • 含氯含氟的清洗劑常用來清洗焊后PCBA表面殘留物,清洗劑中各種鹵化物離子與金屬發生復雜的化學反應,形成難容的化合物,最常見的依然為氯化鉛和碳酸鉛。要避免此類問題出現,最好用干凈未過時的清洗劑,同時避免產品吸潮。

怎么避免PCBA白斑的產生

  1. 控制PCB及元器件清潔度
  2. PCB與元器件來料應保證表面無明顯污染物,元器件表面的污染物也會因工藝原因帶到PCB上。一般PCB的離子污染應控制在1.56 mg/cm 2 (NaCl)以下,元器件在保持可焊性的同時,保證同樣的清潔度。
  3. 防止PCBA轉移過程污染
  4. 組裝好的PCBA隨意堆放,車間環境未達到無塵車間要求,人員操作不合規范等,極易引起PCBA板面的污染,因此應采取必要的措施,保證作業條件清潔度要求。
  5. 焊劑或焊膏的選擇
  6. 選用低固含量或免清洗的焊劑或焊膏,并盡量優化工藝,保持PCBA板面清潔度最佳。一般新焊材的應用最好通過工藝試驗驗證,然后再確定。
  7. 加強工藝控制
  8. PCBA板面殘留物主要來自于焊劑,因此在保證焊接質量條件下,盡可能提高焊接時的預熱溫度及焊接溫度,以及必要的焊接時間,使盡可能多的離子殘余會隨著高溫分解或揮發。另外,采用防潮樹脂保護等措施,也能間接地防治或降低離子殘留物的影響。
  9. 使用清潔新工藝
  10. PCBA板面的離子污染絕大部分在清洗前難達到標準。要么與客戶協商降低要求,要么進行嚴格的清洗工序。目前由于環保要求,許多性能好的溶劑可能不被使用,必須選用清潔工藝,又不對環境造成新的污染,這是件非常不容易的事情。

焊后殘余物是直接影響產品質量極為重要的一環,離子性殘余易引起電遷移造成絕緣性下降,松香樹脂性殘余易吸附灰塵或雜質引起接觸電阻增大甚至開路失效,焊后需進行嚴格的清洗。隨著電子產品對可靠性要求的重視,清洗工藝將會得到推廣與應用,尤其是在航天、航空等電子設備中。電子產品制造商應當根據產品類型和自身條件,合理選擇清洗工藝,從而提高產品質量。

關于PCBA加工清洗怎樣才算合格,可以參考PCBA外觀檢測標準中相關內容的介紹

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作者:PCBA加工


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