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PCBA厂家焊剂残留物在不同的条件下形成不同的形态,如图所示。一般再流焊接完成后,焊膏中焊剂残留呈玻璃态,但如果焊点形成的环境比较封闭,就会形成粘稠状的松香膜,我们称之为“湿”的焊剂残留物。如果焊点在高温高湿环境下存放时间比较长,有可能形成白色粉状结晶物。不管是“湿”的还是白色粉状结晶状态,这些残留物吸潮后,活化剂中的游离离子(H+)释放出来并在偏压作用下迁移,从而使绝缘电阻能降低到106Ω以下。
焊点在敞开环境下,再流焊接时,焊膏中的溶剂、部分活化剂等会完全挥发掉,形成“干”,的松香膜,它将未反应完全或未分解、未挥发的活化剂“固”住,起到了防止焊剂残留物腐蚀的作用。但是,随着元器件封装的底部面阵化,特别是QFN、LGA封装,焊膏再流时排气通道越来越不畅通,有可能造成焊膏中的溶剂、活化剂等难以充分挥发,形成“湿”的焊剂残留物,使得残留物中的离子态物质能够自由移动。如果存在于有压差的两个引出端,将发生漏电甚至电迁移现象,其绝缘电阻将小于106Ω。
Indium公同的李宁成博士对“湿”的爆剂残留物的绝缘性能做过系统研究。采用在梳状图形上刷图助焊剂并覆盖玻璃的方法制作试件并过炉, 获得了“湿”的焊剂残留物。按照IPC的试验条件进行SIR的测试, 发现“湿” 的焊剂残留物表面绝缘电阻(SIR)都出现下降,下降到106Ω以下。试验初期,直接采用焊背印刷到梳状图形上没有模拟出“湿的残留物。
某公司于2014年11月出现一例LGA焊接后短路的案例,扒开LGA,焊剂残留呈 “湿”的状态。事实上,该公司也采用了类似方法对湿的焊剂残留物进行绝缘电阻测试,复现了产品中看到的短路现象,也看到了枝晶现象。
对于LGA与QFN,一般条件下,焊剂中的溶剂能够挥发干净,上述案例主要因为LGA比较重、尺寸比较大。
通常情况下,对于QFN,不需要做特别的设计考虑,由于其尺寸比较小,一般不会形成“湿”焊剂残留物现象;对于LGA,可以采用焊盘周导通孔不塞孔或焊盘不阻焊的设计。原则上,如果不是因为尺寸的限制,尽可能不选用LGA封装。开发LGA封装,主要是IC厂家出于对降成本的考虑,对焊接而言没有任何好处,不仅焊接良率不高,焊点的可靠性也不高。
( 1)印刷时的焊膏结块现象,主要见于密封印刷头的印刷过程,是由于焊膏焊粉受到四周的摩擦,焊粉表面的氧化物容易被去掉,焊膏越来越干所造成的。对于焊膏,我们希望印刷操作周期内能够保持性能稳定,焊剂与焊粉不发生反应。
(2)焊锡飞溅主要是焊膏中溶剂沸点比较低所引起的。
(3)对于LGA的焊接,可以采用无卤焊膏(活性比较低,湿的残留物也能够满足SIR的要求),但焊接的缺陷如球窝比较高;选用含卤的焊膏,活性比较强,焊接良率比较高,但可能漏电。
( 4)水溶性焊膏/焊剂。设计水溶性焊膏,就是为了不用VOC类有机溶剂,而能够采用去离子水进行清洗。水溶性焊膏的配方是按清洗工艺设计的,增加了活化剂,因此使用后必须进行清洗。一般免洗焊膏不采用水溶性设计,因为没有意义,同时有危害。能够用水进行清洗,就一定吸潮, 吸潮就会降低绝缘电阻。
( 5 )免洗焊膏的三防涂覆。一些产品要求高的可靠性,需要进行三防涂覆。问题是,目前绝大多数产品使用了免洗焊膏,那么三防涂覆时还要不要进行清洗呢?不清洗有什么风险?这是业界一直争议的一个问题。AIM公司对此进行了研究(见Karl Sennlig、Timothy O' Neill等发表在SMT China 2014年6/7期的《在免洗助焊剂上涂覆表面涂料》一文),通过对各种涂料绝缘电阻、涂层黏合强度的对比测试,表明可以直接在免洗单板上进行三防涂覆,但是需要做涂料与焊剂残留物的兼容性测试。
AIM的研究还发现:
①溶剂基丙烯酸涂料性能优于紫外固化的聚氨酯涂料。研究者的解释是溶剂使得残留物与涂层黏合得更紧密,减少了CTE不匹配带来的影响。
②软的残留物有利于解决三防涂层的分层问题,但对SIR影响明显(软的焊剂残留物也是焊剂中溶剂挥发不充分的结果,只是挥发程度比湿的焊剂残留物稍充分而已,绝缘电阻同样不能满足绝缘要求)。研究者的解释是水分进人湿的焊剂残留物会引起腐蚀。
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