涨知识 :残留物与电子PCBA 的可靠性 SMT人速速围观

电子信息业的发展趋势对PCBA的组装工艺的要求越来越高，而电子整机产品的可靠 性和质量主要决定于PCBA的可靠性和质量水平，在工艺实践以及PCBA的失效分析中， 作者发现PCBA上的残留物对PCBA的可靠性水平影响极大，但不为人们特别是工艺工程 师或相关的品质控制人员的重视，尽管这种状况目前正在发生变化。但由于PCBA的可靠 性问题常常是用户使用一段时间后才发生，同时各厂家的技术手段所限，没有能够将这些失 效现象与残留物的存在联系起来，也就无法了解和评估残留物对PCBA的可靠性的影响。而在残留物中，无机残留物会减小绝缘电阻，增加焊点或导线间的漏电流，在潮湿空气条件 下，会使金属表面腐蚀，有机残留物（如松香、油脂等）会形成绝缘膜，这会防碍连接器、 开关、继电器等的接触表面之间的电接触，这些影响会随环境条件的变化及时间延长会加剧， 引起接触不良甚至开路失效。

因此，为了 PCBA 的可靠性和质量，必须严格控制残留物的存在，必要时必须彻底清 除这些污染物。本文首先介绍残留物的来源、分析方法、然后详细分析残留物对PCBA 可 靠性的影响并提出对残留物的控制措施与方法。

1.    残留物的类型及来源

PCBA 上残留物主要来源于组装工艺过程，特别是焊接工艺过程。如使用的助焊剂残 留物，焊剂与焊料的反应副产物，胶粘剂，润滑油等残留。其他一些来源的潜在危害性相对 较小，比如元器件及 PCB 本身生产运输等带来的污染物、汗渍等。这些残留物一般可以分 为三大类。一类是非极性残留物，主要包括松香，树脂，胶，润滑油等。这些残留物只能用 非极性溶剂进行清洗方可较好地除去。第二类是极性残留物，也叫离子性残留物，主要包括 焊剂中地活性物质，如卤素离子，各种反应产生的盐类，这些残留物需要较好地除尽，必须 使用极性溶剂，如水，甲醇等。还有一类残留物为弱极性地残留物，主要包括来自焊剂中的 有机酸碱，这些物质的去除要获得良好地效果，则必须使用复合溶剂。下面具体地介绍残留 物基本类别。

1.1   松香焊剂的残留物 

含有松香或改性树脂的焊剂，主要是由非极性的松香树脂及少量的卤化物与有机酸，有

机溶剂载体组成，有机溶剂在工艺过程中会因高温而挥发除去。卤化物有机酸（如己二酸）等活性物质主要是去除被焊表面的氧化层，改进焊接效果，但是在焊接中，复杂的化学反应过程改变了残留物的结构。产物可以是未反应的松香、聚合松香、分解的活性剂以及卤化物等活性剂，同锡铅的反应产生的金属盐，未发生变化的松香及活性剂比较易于除去，但具有 潜在危害的反应物清除比较困难。

1.2   有机酸焊剂残留物 

有机酸焊剂（OR）一般是指焊剂中的固体部分是以有机酸为主的焊剂，这类焊剂的残

留物，主要是未反应的有机酸，如乙二酸、丁二酸等以及其金属盐类。现在市面上绝大多数所谓无色免清洗助焊剂就是这一类，它主要由多元有机酸组成，也包括常温下无卤素离子， 而焊接高温时可以产生卤离子的化合物，有时也包括极少量的极性树脂，这类残留物中，最 难除去的就是有机酸与焊料形成的盐类，它们的有较强的吸附性能，而溶解性极差。当PCBA 的组装工艺使用水溶性焊剂时，更大量这类残留物及卤化物盐类会产生，但由于及时的水性 清洗，这类残留物可以得到很大程度的降低。

1.3白色残留物

白色残留物在 PCBA 上是常见的污染物，一般是在 PCBA 清洗后或组装一段时间后才 发现。PCB见 PCBA 的制装过程的许多方面均可以引起白色残留物（见图1）。

而PCBA 的白色污染物，一般多为焊剂的副产物，但PCB的质量不良，如阻焊漆的吸 附性太强，会增加白色残留物产生的机会。常见的白色残留物是聚合松香，未反应的活化剂以及焊剂与焊料的反应生成物氯化铅或溴化物等，这些物质在吸潮后，体积膨胀，部分物质还与水发生水合反应，白色残留日趋明显。，这些残留物吸附在PCB上除去异常困难。天然 松香在焊接工艺中易产生大量的聚合反应。若过热或高温时间长，出问题更严重，从焊接工艺前后的 PCB表面的松香及残留物的红外光谱分析结果证实这一过程（见图2～3）。

1.4胶粘剂及油污染

PCBA 的组装工艺中，常会使用到一些黄胶，以及红胶，这些胶用于固定元器件。但由 于工艺检测的原因，常常粘污了电连接部位，此外焊盘保护胶带后撕离的残留物会严重影响 电接性能。另外，部分元件，如小型电位器常涂有过多的润滑油，也会污染PCBA 板面， 这类污染的残留，经常是绝缘的，主要影响电连接性能，一般不会造成腐蚀，漏电等失效问 题。

2    残留物的分析方法

按最近的 EIA/IPC J－STD－001C（电子电气焊接技术要求，2000年2 版）的标准，对 PCBA 组装前各配件表面的残留量以及焊后的 PCBA 的残留量的要求，则首先必须保证各配 件的可焊性的要求，PCB 裸板必须外观清洁，且等价离子残留量小于1.56mgNaCl/cm2（溶 剂萃取法）。而对 PCBA 除了离子残留量不大于1.56mgNaCl/cm2 以外，还规定了松香树脂焊 剂残留量的要求，以及外观的要求，具体情况见表 1。

表 1   电子组装工艺残留物与清洁度要求与分析方法

PCBA 上残留物或清洁度的分析检测方法主要包括外观状况检查，离子性残留物，松香或树

脂性残留物，以及其他有机污染物的鉴别等。其主要的检测标准见表1，下面逐个简要介绍。

2.1外观检查 一般可通过目测方式检查，必要时使用放大镜或显微镜，主要观察固体残留物，通常要求PCBA表面必须尽可能清洁，无明显的残留物，但这是一个定性的指标，通常以用户的要求为目标，自己制定检验判断标准，以及检查时使用放大镜的倍数。

2.2   离子性残留物分析方法

离子性残留物通常来源于焊剂的活性物质，如卤素离子，酸根离子，以及腐蚀产生的金

属离子，结果以单位面积上的氯化钠（NaCl）当量数来表示。即这些离子性残留物（只包 括那些可以溶入在溶剂）的总量，相当于多少的NaCl的量，并非在 PCBA 的表面一定存在 或仅存在 NaCl。测试一般都是采用 IPC方法（IPC-TM-610.2.3.25），其中包括手工萃取法， 动态（仪器）萃取法以及静态（仪器）萃取法。冲洗（或萃取）溶剂（一般是75±2％V/V 异丙醇与 DI 水，或者 50±2％V/V异丙醇与DI 水，后者少用）冲洗 PCBA 表面，将离子残 留物溶解于溶剂中，小心收集溶剂，后测量其电导率（电阻率），如果使用仪器则自动进行。利用离子浓度的高低与电阻率变化的关系求得离子总量，然后除以PCBA的表面积，由此 获得单位面积PCBA上的离子污染值。（mgNaCl/cm2）这种测试一般事先用基准的NaCl配 成溶液，进行校准得到标准曲线。

使用的混合剂电阻率必须大于 6MΩ.cm.。冲洗萃取PCBA 的残留物时，使用的混合剂的 量一般为 1.5ml/cm2,最多不超过 10ml/cm2，在操作时，收集的溶剂的体积是不严格的，但总 的用于清洗的体积必须严格记录，同时，由于温度对清洗效果及电阻率的测量影响极大，需 说明测量时的温度条件。此外对 PCBA 及 PCBA 面积的测量及计算统一为：未插装元器件 的裸板PCB：长×宽×2，而PCBA由于元件的缘故，表面积的另外最大增加到50％，但一 般情况增加的量为原表面的 10％。

因此PCBA的结果中表示时同时应注明a.溶剂组成b.静态溶剂所用的溶剂体积或动态溶 剂所用的流速，C.测试温度。D.校准情况，E.面积（计算方法）F.测试时间，G   所用仪器。另外静态法与动态法使用的仪器，主要仪器有 IonChaser,Ionognagh以及 OmegaMeter等。它们与用手工萃取法获得的结果的数分别为  3.2/2.0/1.4,因此测量结果必须指明到仪器设 备,此外动态法是可以计录仪器仪器萃取残留物过程电阻率的变化情况，对了解残留物的溶解过程有清晰的了解,并对选择清洗工艺有帮助.

许多情况下,由于各种离子的残留,对 PCBA的可靠性影响是不一样的.不仅需要知道残 留物离子的总量或当量是不够的。我们还需要知道影响较大的卤素离子或其他离子时,就采 用另外一种方法来分析,即按IPC-TM-610.2.3.28规定,使用离子色谱仪对混合溶剂清洗（80

℃，1h）下来的离子,逐个进行测量分析.然后在换算成单位表面的离子残留量,表2为美国 某著名电器公司对空调主板表面的离子清洁度的要求.

表 2   GE公司对PCB &PCBA 表面残留离子的测试要求

2.3   松香残留量的分析

电子与电气生产线焊接工艺技术要求中，特别是SMT工艺对 PCBA松香残留量有明确的 要求（见表 1），纯松香的残留对Class2以下的产品一般不会带来显著的可靠性问题，因为 他本身的电绝缘性较好，但是另一方面它可导致接触件的接触电阻增加，增加损耗甚至引起 开路。何况它包裹的离子性物质在松香表面老化后有溢出的可能性，因此从保证PCBA及至 整机可靠性的角度，松香残留物越少越好。

该项目的分析采用 IPC－TM－610。2.3.27规定的标准方法。首先将使用的焊膏或松香焊剂的松香提取出来。配制成不同浓度的溶液，用紫外分光光度计测量吸光度，然后做成标 准曲线。用同样的溶剂浸泡清洗PCBA样品，然后用紫外分光光度计测其吸光度，查标准曲

线获得残留松香的浓度，最后获得单位面积上的残留量。

2.4   其它有机才能残留物的测试

PCBA上除松香外的其它有机物，通常为有机酸以及一些油脂类物质一般采用IPC－TM

－6502.3.39  规定的标准方法，即用高纯乙腈将残留物转移到MIR测试盘的表面，等乙腈 挥发后，用 FT－IR方法测量，根据红外光谱的特征吸收，鉴别各有机物的组成。

3  残留物对 PCBA 可靠性的影响

过多的残留物除了影响PCBA 的外观外，更重要的是造成功能失效，因此残留物对 PCBA 的可靠性可能造成的影响是可以足够严重的。另外，残留物的类型不同对PCBA 的影 响程度与方式都不一样，树脂性残留物主要会引起接触电阻增大，甚至引起开路；而离子性 的残留物除了会引起绝缘性能下降外，还会引起PCBA 的腐蚀，引起开路或短路，使整个 PCBA 失效。

3.1残留物造成对PCBA的腐蚀

图4是某著名公司的PCBA上失效焊点的外观，该PCBA使用不到半年，失效部位的 焊点已经发白变色且多孔。

引起PCBA 电迁移

在PCBA组装成整机，使用一定时间后，特别是在南方的湿热环境下，如果在PCBA

表面有离子存在，极易发生电迁移现象，即在 PCBA 工作时焊点（盘）间有电场，有水份，

离子就会形成定向迁移，最后形成电流通道，造成绝缘性下降，最常见的例子就是不少显示器或电视机在开机时图象模糊或延迟。如果 PCBA 上使用了含银的焊料，在银腐蚀成银离子后，电迁移更易发生，电迁移失效的 PCBA 在进行必要的清洁后功能常常恢复正常。

3.3电接触不良

在 PCBA 的组装工艺中，一些树脂比如松香类残留物常常会污染金手指或其它接插件，在PCBA工作发热时或炎热气候下，残留物会产生粘性，易于吸附灰尘或杂质，引起接触电阻增大甚至开路失效，这就是不少通讯设备（如交换机）和高压电房设备需要定期清洁保养的缘故。

4    PCBA上残留物的控制

通过对PCBA的残留物来源以及残留物可能对PCBA产生的可靠性问题的分析，总结 出控制 PCB残留物的提高其清洁度的基本方法。

4.1控制PCB及元器件清洁度

来料 PCB 与元器件应保证表面无明显污染物，元器件表面的污染物也会因工艺原因带到 PCB 上。一般 PCB 的离子污染应控制在 1.56mgNaCl/cm2以下，元器件在保持可焊性的 同时，要保证同样的清洁度要求。

4.2防止PCBA 转移过程污染。

在不少企业，组装好的PCBA 随意堆放，车间环境差，无抽风设备，人员赤手空拳行 事，极易引起PCBA 版面的污染，汗渍污染却不可避免，因此必须采取必要的措施，保证作业条件必要的清洁度要求。

4.3焊料焊剂的选择 主要包括选用低固态或免清型焊剂，理想的焊剂在工艺中由于预热及焊接热，还有锡波

的清洗，会使焊剂中的活性物质得到充分地利用，将清洁度保持到最佳。此外，SMT使用 的锡膏也一样。部分焊膏的残留物极多，而且去除极难，因此选用非常重要，最好从通过检测的产品中选择进行必要的工艺试验，后再确定。

4.4加强工艺控制

PCBA 的主要残留物来自焊剂。因此在保证焊接质量的条件下，尽可能提高焊接时的预热及焊接温度，以及必要的焊接时间，使尽可能多的离子残留会随高温分解或挥发，从而得 到清洁的 PCBA。此外，其他控制措施，比如采用防潮树脂保护PCBA的表面，间接地防止 或降低离子残留物的影响，这也不失一个好办法。

4.5使用清洁工艺

目前，绝大部分的 PCBA 的离子污染在清洗前难达到小于1.56mgNaCl eq./cm2。要么与 用户协商降低要求，否则许多要求高的 PCBA，必须经过严格的清洗工序。清洗时既要针对 松香或树脂，又要针对离子性的残留，根据化学上的相似相溶原理清洗。清洗就是残留物的 溶解过程，因此必须使用极性与非极性的混合溶剂，才能有效的去除 PCBA 的残留。目前 由于环保呼声的膨胀，许多性能好的溶剂可能不被使用（如氟氯烃系列溶剂）。必须选用清洁工艺时，又不能对环境造成新的污染。这对许多厂家而言，确实不是一件容易的事。

5    结束语

残留物对PCBA可焊性的影响是严重的，所以许多的PCBA失效，都是由于残留物造 成的。在我们要给客户解决的许多个案中有深刻的体会；除了建议生产厂家加强工艺与物料 控制以外，要加强新工艺新技术的研究。我们目前也尽力完善检测的技术手段，为广大厂家或用户分析问题根源，提供改进的措施办法，共同努力减少PCBA 由于残留物导致的失效， 从而提高 PCBA 的可靠性水平。