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表面絕緣阻抗測試的幾個概念

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表面絕緣阻抗測試的幾個概念

發布日期:2019-08-12 作者: 點擊:

自從晶體管,線路板的誕生之日開始表面阻抗測試SIR/離子遷移測試就成爲一個常見的測試工具,我們可以用此工具進行以下的測試:來料檢驗,材料特性檢測和驗證,失效分析,品質一致性檢查,天天要壽命的預測分析等。

什麽是SIR測試

在电子制造领域,SIR被认为是评估用户线路板组装材料的有效评估手段。SIR測試可以用来评估金属导体之间短路或者电流泄露造成的问题。这些失效通常是由于材料的交互性,工艺控制上的疏忽,或者材料本身特性不能达到用户所需要的性能。通过加速温湿度的变化,SIR能够测量測試在特定时间内电流的变化。表面絕緣阻抗(SURFACE INSULATION RESISTANCE)可以定义为两个电路导体之间的电阻。方块电阻, 体电导率,和电解污染泄漏 极化污染都可以成为影响表面絕緣电阻变化的因素,我们也可以将表面电阻理解成为整个电路阻止引脚或者引脚表面短路的能力。

在電子制造領域電路板的清潔度也被普遍認爲是影響長期可靠性和性能的重要因素。所以監控其清潔度/汙染程度的手段也是必不可少的手段。表面絕緣阻抗(SIR)測試數據可以直接反映其清潔度。這也是爲什麽電路板制造商,助焊劑,塗覆材料和電子天天要組裝廠商也往往將SIR將作爲一個重要的工藝和天天要控制工具。

电化学迁移 :(Electrochemical Migration):

此定義不包括的現象如:在半導體中的場致金屬遷移和由金屬腐蝕引起的天天要汙染物的擴散。

電化學遷移可以定義爲在電路板上的導電金屬纖維在偏置直流電壓下生長。這個現象可能在電路板內部,外部,或者多層板材料間發生。由于陽極離子會溶于溶液中,通過電場的作用,從而在陰極上沈積最終造成金屬纖維的生長。

印刷電路板表面受外在離子汙染或因腐蝕後銅焊盤表面所産生的離子,將從印刷電路板表面的陽極透過印刷電路板的內層向陰極沈積造成漏(導)電現象。

電化學遷移通常造成兩種現象。當汙染存在時,在一定的電壓的作用下,在陽極和陰極之間形成表面的晶枝生長。當接觸面爲錫鉛焊錫時,鉛晶枝會形成樹狀結構內部,而錫晶枝多爲雪花結構。如果偏置電壓足夠高,在陽極和陰極之間的晶枝會凸出,造成本地的破碎結構。第二種常見的電化學現象就是發生導電陽極絲現象(CAF)。

當一種材料或材料體系在一個潮濕的環境中進行測試時,水蒸汽可以結合離子或無機汙染物,生産電解液。隨後金屬通過表面的電解液作爲移動離子的載體,從陽極遷移到陰極。這實質上是一種微觀的電鍍過程。電化學金屬遷移發生的速率依電解液的PH值,離子的遷移率,陽極-陰極距離,相關的金屬特性和電勢的大小不同而不同。電化學金屬遷移測試的典型做法是使用範圍從10至100伏的直流電電壓進行測試。

電化學金屬遷移特別是與金屬離子遷移、導電陽極絲的生成相關的都是不可不免的。如果存在一個電解液,離子(如氯離子)可以從陰極流向陽極,産生漏電流,但金屬遷移不一定會同時發生。在SIR/表面絕緣阻抗測試中,您通常不能區分出金屬離子遷移引起的漏電流與非金屬離子遷移的漏電流之間的區別。

导电阳极丝(CAFs)现象和其他电化学迁移的不一样的地方如下:Conductive AnodicFilaments

(1 )迁移的金属是铜,不是铅或锡。

(2) 导电阳极丝是从阳极向阳极方向生长。

(3) 导电阳极丝是由金属盐类构成的,而不是由中性金属原子构成的。

在導電陽極絲(CAF)生長中,在錫/鉛焊料下面的銅基底金屬是金屬離子的主要來源,該金屬離子會在陽極産生電化學反應並沿著玻璃樹脂界面進行遷移。在導電陽極絲(CAF)生長中,最常見的陰離子是氯離子(可通過SEM掃描電鏡/EDX能量色散X熒光光譜儀來測定),溴離子也可能被觀測到。測試模型必須依靠于對溫度,相對濕度和電壓的失效率來研發(見參考文獻11)。導電陽極絲(CAF)的形成可通過較低的電壓如50V的直流電來觀測。

標准和測試載具

由IPC(美国电子工业联接协会),贝尔实验室和日本工业标准来制定的多个业内标准,该些标准用于界定助焊剂,残余物和敷形涂料。标准的使用,測試的条件和SIR模型的布局由被测材料本身特性来决定。天天要认可的測試模型作为Gerber/光绘文件可以通过IPC或者贝尔实验室查询到。多数裸板制作商都熟知SIR測試模型Gerber/光绘资料可以降低天天要測試样品的成本。表1-1列出了一些常见測試模型的典型应用。最常见的測試之一是使用IPCTM -650 -2.6.3.3。在85%相对湿度和温度85?C下,使用一个标准梳装模型,此类型的測試适用于表征助焊剂。

SIR/表面絕緣阻抗是否適合您?

如果您計劃改進您的制造工藝,那麽SIR/表面絕緣阻抗是您需要考慮購買的設備。

?變動電路板設計或布局

?更改清潔材料或工藝

?變更助焊劑和/或錫膏

?變更回流焊或波峰焊工藝

?使用新色敷形塗料或工藝

?考核裸板供應商資質

?基于可靠性的天天要標定

常見的測試夾具

測試夾具 測試對象 注解

IPC-B-24 液體助焊劑,錫膏,塗覆材料 波峰焊工藝評估

IPC-B-36 助焊劑,錫膏,清洗材料,清洗工藝,塗覆材料 評估工藝

IPC-B-25IPC-B-25A 阻焊膜,塗覆材料

BELLCORE測試夾具 助焊劑,錫膏,清洗材料,清洗工藝,塗覆材料

低残留焊接工作组測試夾具 助焊劑,錫膏 用于評估高可靠性,免洗工藝的評估

測試夾具

測試對象

注解

IPC-B-24

液體助焊劑,錫膏,塗覆材料

波峰焊工藝評估

IPC-B-36

助焊劑,錫膏,清洗材料,清洗工藝,塗覆材料

評估工藝

IPC-B-25

IPC-B-25A

阻焊膜,塗覆材料

BELLCORE測試夾具

助焊劑,錫膏,清洗材料,清洗工藝,塗覆材料

低残留焊接工作组測試夾具

助焊劑,錫膏

用于評估高可靠性,免洗工藝的評估

溫濕度對不同助焊劑表面絕緣阻抗值的影響

一、前言

表面絕緣阻抗(简称 SIR)被广泛用来评估污染物对组装件可靠度的影响。与其他方法比较,SIR的优点是除了可侦测局部的污染外,亦可测得离子及非离子污染物对印刷电路板(PCB)可靠度的影响。

在 PCB组装製程中,目前使用几种不同的助焊剂。而且在hot air solderlevelling(HASL)製程喷锡时也使用助焊剂,这些助焊剂大都含有PEG(polyethylene)或 PPG(polypropyleneglycol),当这些glycol物质被吸附在PCB基材时,即不容易被去除。因此若有少量助焊剂残留在PCB上,那SIR值就会明显下降,导致絕緣效果不良,电性容易失效。

现今助焊剂複杂的化学特性需要任何对组成灵敏且可侦测到助焊剂中不同组成间任何整合效应的任何方法,因此測試条件必须对助焊剂稳定性灵敏,特别是羧酸(carboxylic acid)的残留,它们对高温測試是没有抗力的。

本文主要探討不同助焊劑、助焊劑塗佈量、溫度及濕度等因素對SIR的影響。

二、原理

SIR是一個測定基材表面兩個金屬導體間導電性方法。爲了讓一個絕緣電路板表面的導電電極間産生電化學移動,必須同時具備以下三個條件:

(1)必須有電荷載體(如離子)存在;

(2)有水存在以溶解離子物質,並維持離子物質在移動離子狀態;

(3)在兩個電極有電壓以促成水層中的電子流。

有其他阴离子存在,如来自松香、弱有机酸或金属複离子等残留助焊剂中的Cl —和C6H9O4—等。如有残留助焊剂的话,就会产生较多离子,因而增加梳状形表面之电荷流动,造成SIR下降。

电解金属移动的步骤,可由图 1来说明:

1、電解溶解:水中金屬在陽極氧化成離子。

2、離子流動:金屬離子借電子遷移及擴散而流動。

3、電解沈積:金屬離子在陰極還原,産生樹枝狀金屬。

若基材表面兩個金屬導體間有樹枝狀金屬産生,那PCB板可能就會電性失效。要探討樹枝狀金屬的生長條件,必須要考量整個離子流動速率,因爲上述電解溶解、離子流動及電解沈積等三個步驟是一串聯之步驟,其中電流是由最慢的反應步驟來控制。SIR值主要是由離子在導體間移動的速率來控制,在不同測試溫度及濕度下,使用不同助焊劑及測試板上助焊劑塗布量的多少都會影響離子流動速率。由實驗結果發現金屬離子流的臨界電流密度是産生樹枝狀金屬之主因。由于鎳比金容易氧化,依據動力學的考量,主要的反應該是在陰極將鎳離子還原成金屬鎳,在此測試條件下就會産生樹枝狀之鎳。

三、實驗

1、樣品制備

使用由英国国家物理实验室(National Physical Laboratory,简称NPL)设计的两个梳状形之Au/ Ni电镀測試板。此測試板面积为25.5×26.5mm,有0.64mm和0.32mm梳状形測試区,约2,800个方格。測試板先置入Ionograph 500M设备中,以75% IPA 及25% 去离子水于45℃下清洗之,直至最后的导电度小于0.01ms/cm才可。

本文使用4種助焊劑、每種助焊劑有3種不同塗布量。上助焊劑時將測試板放在60℃之加熱板上,以確保滴下去的助焊劑均勻塗布在SIR測試梳狀形上,不擴散到外部,而且助焊劑要滴在梳狀形中間,面積約1.6cm2,上完助焊劑之測試板置于室溫16小時讓助焊劑幹燥。

2、助焊劑及測試條件

四種助焊劑的成份如下:

(1 )RMA助焊剂:松香类,以0.5%卤素活化过,商品名Actiec 5,由multicore公司提供,是IEC68-2-20规定的一种标准測試助焊剂。

(2 )WOA助焊剂;弱有机酸,每升含1.6gadipicacid之IPA溶剂。

(3)PEG助焊劑;含glycol,溶劑爲IPA,每升含有1.6g之PEG400,主要用在SMD錫膏之助焊劑及HASL噴錫之助焊劑。

(4 )混合助焊剂(WOA+PEG):混合adipic acid和PEG之助焊剂。

在此实验中混合助焊剂的涂布量(分别为6, 15, 30 ml)与其他三种助焊剂的涂布量不同(分别为30, 100, 300 ml),主要是因为混合助焊剂的SIR值对助焊剂涂布量相当敏感,所以采用较低的涂布量来測試其对SIR之影响。

3、SIR测定SIR测定是用5V DC偏压,测定时间为48小时。利用Concoat AutoSIR仪器监测16 个频道,每10分钟自动测得一次SIR值。该仪器的电流灵敏6度为2×10 -12A,在每一个测定频道连接一个10 Ω电阻。每个測試条件有2片測試板,每片測試板有2种測試型式,因此每个測試条件有4组測試数据,最后结果以平均值表示之。

4、電子顯微鏡之能量分散光譜儀分析利用電子顯微鏡之能量分散光譜儀(SEM-EDX)來分析SIR測定失敗之測試板,發現在兩個線路中間有樹枝狀金屬産生。

四、結果

使用RMA、WOA和PEG等助焊劑的測試板,在開始一段時間後,其SIR值隨著時間而緩緩增加,但WOA+PEG助焊劑並無此趨勢,在某些條件下其SIR值改變快速。

RMA助焊劑在4種不同溫度及濕度條件下,其SIR值變化趨勢非常相似,而PEG助焊劑亦有類似情形。

WOA助焊剂的SIR值随助焊剂涂布量及測試条件改变(图2),针对涂布量少的WOA助焊剂而言,其SIR值随着温度升高而增加,可能是因为助焊剂蒸发而清洁了測試板。在本实验设定的所有測試环境中,若增加PEG助焊剂的量,则其SIR值会有明显的下降,RMA助焊剂在较温和的条件下也有类似的情况发生,但若在较严苛的条件下,其SIR值与涂布量无关,会趋近于10 8Ω。

图3为WOA+PEG助焊剂在各种不同参数及环境下所测得SIR变化结果。图4显示干净之基板置于各种不同的温湿度环境中之SIR值,很明显可看出其SIR值与助焊剂种类无关但会随測試温度及湿度而改变。当做控片用且未加任何助焊剂之清洁板在50℃/85%RH和65℃/65%RH之測試条件下其SIR最高,65℃/85%RH之SIR居中,在85℃/85 %RH之SIR值最低,这些情况可能是因板子在较高測試湿度下,因吸水性较多,较容易吸附离子,所以当測試时间增长则其SIR会变得更小。

图3显示WOA+PEG混合助焊剂在50℃/85%RH和65℃/85%RH之測試条件且助焊剂涂布量为15 ?l和30 ?l时,其SIR值会有急速的改变,当这些SIR值急速发生变化时,在阴极都可发现有树枝状结构之金属物。RMA及PEG助焊剂随着时间拉长其SIR值有增加趋势,主要原因为离子吸附在电极上致无电流产生,SIR值就会增加。但WOA助焊剂和WOA +PEG混合助焊剂在85℃时其SIR值随着时间增加,远比65℃时快,主要原因为WOA助焊剂在高温较易蒸发,如图2可明显看出WOA含量30 ?l在85℃/85%RH下測試15小时后其SIR值就和清洁板相同;同样在100μl之WOA助焊剂其SIR值也随时间增加而增加很快,但在300μl之WOA助焊剂随着时间增加其SIR值增加较缓慢。

WOA+PEG混合助焊劑塗布的基板,測試溫度爲50~60℃/濕度85%&

五、結論

1、SIR值与温湿度的关系密切,即增加温湿度会使SIR值下降,但对于含有adipic acid的助焊剂或较易挥发的助焊剂而言,温度增加可能造成SIR值上升,亦即对此类助焊剂而言,85℃的測試环境将是过高的。

2、PEG和RMA助焊劑被證實是較不易隨著測試環境的改變而改變的助焊劑,但PEG+WOA及WOA兩型助焊劑的SIR值較不穩定,雖然混合型助焊劑在商業上的使用較不常見,但對于了解助焊劑的特性及樹枝狀金屬結構的形成原因則是非常有幫助的。

3、每10分钟监测1次SIR值可以清楚追踪树枝状结构的形成。 SIR值的快速改变可能是脆性结构形成的结果,但若以现今规范所订的条件,即置于温湿柜后1天、4天、7天来量测SIR值时,则可能会错失一些重要的数据改变点,因一旦树枝状结构产生便会造成SIR值的急速改变,所以SIR值的急速改变可视为测定失败的判定准则。

4、測試板涂有adipicacid + PEG400的助焊剂且其量为15及30μl时,并将

之置于65℃/85%和50℃/85%的環境中,發現有樹枝狀結構形成。樹枝狀結構的形成與助焊劑的塗布量有關,因若使用WOA助焊劑而又有殘留時,則會使測試板的線路因樹枝狀結構形成而造成不良。

5、WOA助焊劑之SIR值對濕度的變化相當明顯,所以使用此型助焊劑時應小心控制其濕度,由于目前大部份的溫濕櫃皆使用幹、濕球方法,所以高濕時若有小量的溫差將會造成很大的濕度誤差。

6、SIR值與濕度的關系相當密切,所以超過85%時,操作應非常小心。

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關鍵詞:絕緣,測試

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