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印制板组件清洁度的工艺控制
  2022-06-28      437

赵 萍   程 雷 陕西烽火电子股份有限公司

摘要:论述了关于印制板组装件清洁度的工艺控制。行业内关于清洁度测试方法解析;离子残留物测试不能代表清洁度的原因;如何建立生产过程中PCBA的清洗工艺控制。

关键词印制板组装件,清洁度,工艺控制,离子残留物,SIR测试

1.引言

电子产品向着更细间距、更高密度封装方向发展,PCBA上的污染残留物增加了失效的风险问题,腐蚀缩短了产品的寿命。随着元器件密度的增加,电路对离子污染的敏感度也随之增加。现代电路组件的元器件密度比过去大得多,对70年代元器件技术影响最小的残留物可能对现在的元器件可靠性产生重大影响。

自从2020年10月《IPC-J-STD-001》H版发布以来,取消了1.56ug/ cm2NaCl当量的限值。取消不代表不需要离子残留物的测试。只是现代组件上的残留物过于复杂,不可能有一个“通用型”的测试标准。如何鉴定合格的清洗制造工艺?何为清洗工艺中可接受的客观证据?如何建立生产过程中PCBA清洗工艺控制?本文通过以下方面阐述如何做好PCBA清洁度的工艺控制。

2.关于清洁度测试评估标准及其测试方法

国内参考的各标准中关于清洁度测试方法及要求见表1,各测试方法的解析见表2。目前松香助焊剂残留物测试(参照IPC TM-650-2.3.27)和表面有机污染物测试(参照IPC TM-650-2.3.39)都已经被新版《IPC TM-650》标准取消且没有替换。松香助焊剂残留物测试最初是在1980年代后期针对高固体(>15%)松香助焊剂开发的。只有在使用高固体助焊剂时才真正适用。这个测试要求不适用于水溶性助焊剂、低或中等固体含量松香助焊剂或免清洗助焊剂。在《IPC-J-STD-001H》保留的原因在于还有个别组装公司使用高固态含量松香助焊剂。但作为公司选择清洁度测试依据时应该清楚的知道标准中的哪种测试适合本公司的产品。

image.png

3.为什么基于萃取的测试都不能表征清洁度?

3.1基于萃取的测试

查阅参考的试验标准《IPC TM-650》和《GB/T 4677-2002》,表面离子残留物测试、离子色谱测试、松香助焊剂残留物测试、表面有机污染物测试等都是基于萃取测试的方法。任何基于萃取的测试,都是基于溶解能力、时间及温度的变化量而进行的。具体原因入如下:

1)如果残留物不溶于异丙醇或水,不影响萃取液的电导率,则无法检测到。

2)如果残留物在萃取时间内不溶解,在萃取温度下不溶解,则无法检测到。

3)只能测试溶解到测试液中的离子类残留物,如阴离子、阳离子、弱有机酸等离子类。非离子类的残留物也很多,如助焊剂添加剂(现在很多都是非离子型表面活性剂);油脂类、金属氧化物、指纹、松香脂(白色残留物);颗粒类,如锡渣、玻璃纤维碎屑等。从电化学角度来看,这些非离子类的残留物也会导致产品失效。

3.2表面绝缘电阻测试

萃取类的测试不能预测电化学可靠性。那目前只有SIR测试从电化学角度来确定电子产品是否在服役过程中足够可靠。SIR测试与有机或无机成分无关,与是否是离子物质也无关。但SIR测试不能作为日常生产时的清洁度测试工具。因为SIR测试既不快速也不简单,需要在不同的条件(温度、湿度、时间)下测试的SIR才有实际意义。《IPC 9201A》规定的测试时间最短也达到168小时。用于SIR测试的板子一般采用专用测试板,故SIR测试并不能用于日常生产过程中对清洁工艺的监控。那如何监控日常合格的清洗工艺?

4. 如何建立生产过程中PCBA的清洗工艺控制?

4.1 鉴定合格清洗工艺

   按照《IPC-J-STD-001H》第8章节,鉴定合格的清洗工艺首先要能提供可接受的客观证据。那什么是合格的“客观证据”呢?见表3。

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满足以上任何一条都可以作为可接受的的“客观证据”,只能证明现有清洗生产工艺能满足电化学可靠性的要求。

4.2 确定离子残留物测试的阈值

   前面章节已论述过SIR测试并不能用于日常生产过程中对清洁工艺的监控。离子残留物测试依然是生产过程中对清洁工艺最有效的监控手段。《IPC-J-STD-001》H版取消了1.56ug/ cm2NaCl当量的限值,是基于目前PCBA的复杂性和多样性。作为日常工艺控制,我们仍然需要一个确定的阈值,只是这个阈值需要我们根据产品的实际情况来确定。

1)符合“客观证据”的阈值确定

对符合4.1章节和4.2章节客观证据要求的,在没有制造材料或工艺参数变化的情况下,组装公司不需要额外做SIR测试。按照生产历史测试规定的Rose阈值,进行日常的离子污染度监控即可。测试数据不合格时,及时查找生产过程出现导致数据不合格的原因。

   2)不符合“客观证据”的阈值确定

   这种情况下产品历史数据或湿热测试是不合格的,那我们必须根据实际生产选用的材料组合进行SIR测试。测试板选择的依据是PCBA上元件之间的最小间距及BTC器件焊接后本体与PCB板最小间隙。建议选择IPC-B-52测试板作为材料组合验证试验板。可参照IPC-9202《材料和制程清洁度鉴定/评估测试规范和IPC-9303《IPC-B-52用户指南》来设计组合试验。,在规定的温湿度环境下根据产品分级特性长时间的加电SIR测试。对所有合格的试样取氯化钠当量最大值X.XX ug/cm2,为此产品(产品组)在生产工艺控制离子残留物测试时所需的上限值(最低限制)。

4.3确定测试频率

最常用的抽样频率是每个生产班次抽样一次,也可以按照实际生产情况确定离子残留物测试频率。

4.4 对不合格离子残留物测试的措施

  1)再次进行相同的离子测试(同时间段或同类型样品);

2)再次的测试结果合格,不需要采取工艺措施;

3)再次测试超出控制ROSE阈值,进行随机抽样测试并查找问题并记录或重新评估鉴定。

4.5 制造材料或工艺参数变更的情况

  由于制造材料或工艺参数的变化可能对最终产品残留物状况和产品可靠性产生影响,从而导致需要从新鉴定。变更分为两类:主要变更和次要变更。主要变更需要按新材料组合重新进行一次SIR验证,次要变更需要提供客户同意的证据(或试验)。对清洁度影响的主要及次要变更见下表4:

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5.PCBA清洗工艺生产控制实例

5.1 某公司建立合格清洗工艺流程图

image.png

5.2  离子残留物测试观测统计表

以下图表为我公司产品在清洗工艺中每天对PCBA离子残留物检测的SPC统计表。PCBA的a类与b类,按照PCBA元件间的最小间距、BTC器件与PCB板最小间隙及密集程度来分类测试,PCBA面积也尽量按相近选择分类测试。从图4的统计结果可以看出,离子残留物测试结果对相似组装方式的PCBA是有规律的,对超出规律值的测试我们会考虑哪些因素变化会导致测试值异常。所以离子残留物测试对于监控合格的清洗工艺生产是切实可行的一项监控方法。

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6.总结

建立合格可控的清洗工艺才是保证产品清洁度的关键所在。无论是基于萃取测试的离子残留物测试,还是SIR测试,都是为了建立生产过程中对清洗工艺的监控的一种或几种测试手段。流程如下图5

image.png

对印制板组件的清洁度最可靠的是SIR测试。但实际生产过程进行每批次或每天的SIR测试是不现实的。我们通过SIR测试找到产品的Rose控制阈值,需要工艺工程师清醒的认识到,并不存在一个确定数值可以满足所有清洁度要求。电子产品的密度和使用环境决定了Rose测试不应是一个数值。Rose测试方法是一种切实可行的生产过程控制工具,用于测量组件上平均的离子污染度。对于测试超出阈值的PCBA,我们重点关注的是生产过程中到底是哪出现变化导致测试值超标。工艺或质量人员在理解离子污染度测试值的实际意义后,那在生产中更需要我们加强生产过程控制监控,才能更好地保证产品的电化学可靠性。

参考文献

[1] J-STD-001H CN,焊接的电气和电子组件要求 [S], 2020年9月

[2]IPC-CH-65B CN, 印制板及组件清洗指南[S],2011年7月

[3] IPC-WA-019ACN,综述全球离子洁净度要求的变更 [S],2018年9月

[4] I-Connect007.圆桌会议共同探讨工艺离子污染测试(PICT)标准 [J].PCB007,2020.6,79-97.

作者简介:赵萍(1983-),女,本科,毕业于华北工学院,主要从事军用通信电装工艺技术工作。

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