pcba的失效模式

金鉴实验室

文章摘要：pcba的失效模式夏国俊 李星 什么是电子产品制程污染？该如何应对？ 根据电子制造业长期以来的品质管控数据统计结果来看，整个生产制造过程中，约有50%~70%的品质不良，都是由产品被污染所致。早在上...

                                               
                                                       
                            夏国俊 李星
什么是电子产品制程污染？该如何应对？
根据电子制造业长期以来的品质管控数据统计结果来看，整个生产制造过程中，约有50%~70%的品质不良，都是由产品被污染所致。早在上世纪七十年代，电子制造业就有了专门针对金属及其离子污染的“ROSE——电阻率的溶剂萃取法”检测标准。
清洗作业是目前去除产品污染唯一有效方式，因此从半导体芯片制造、封装，到后面的PCAB封装环节，几乎每完成一道加工工序，都紧接着会有一道清洗作业。
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如清洗步骤数量是芯片制造工艺步骤占比最大的工序，约占所有芯片制造工序步骤的30%以上。伴随半导体制造技术节点的进步，清洗工序的数量和重要性将继续提高。在半导体芯片工艺技术节点进入28nm、14nm以及更先进等级后，工艺流程的延长且越趋复杂，产线成品率也会随之下降。
造成这种现象的一个原因就是先进制程对杂质污染物的敏感度更高，小尺寸污染物的高效清洗更困难。解决的方法主要是增加清洗步骤，以及采用清洗效率更高的水基型清洗技术。每个晶片在整个制造过程中需要甚至超过200道清洗步骤，晶圆清洗变得更加复杂、重要及富有挑战性。
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实际上为了保障产品的良率及性能，在电子产品制造过程中需将表面的各种污染物控制在工艺要求的范围之内。除制造过程都必须在严格控制的净化环境中开展外，同时还需要评估在进行每一步工序前产品表面特征是否满足该工序的要求。现阶段，芯片技术节点不断提升，从55nm、40nm、28nm至14nm、7nm及以下，电子产品表面污染物的控制要求越来越高，在功能性加工工序前都需要一步清洗工序。
根据清洗的介质不同，清洗技术可以分为湿法清洗和干法清洗两种。湿法清洗是指利用溶液、酸碱、表面活性剂、水及其混合物等液体，通过腐蚀、溶解、化学反应等方法，使产品表面的杂质与清洗剂发生化学反应或界面反应，氧化、蚀刻和溶解产品表面污染物、有机物、金属及其离子污染物，生成可溶性物质、气体或直接脱落，以获得满足洁净度要求的产品。
到了后摩尔时代，制造技术对于环境气氛的要求越来越严，会污染特种电子气体和电子化学品的溶剂型清洗技术快速淘汰，与自然环境更亲和的水基型清洗技术成为了行业主流。
在所有电子电路产品生产制程的品质管控过程中，最怕就是离子污染改变产品的电性能，造成产品的总体性能下降及产品可靠性不达标，导致返工作业增加或产品直接报废。如芯片和电池生产过程中，由于离子污染造成的漏电、短路、容值飘移等致命缺陷。因此针对离子污染物的水基型清洗技术，是所有清洗作业的必不可少的环节之一。
离子污染危害？
在电子制造业中，污染物是各种表面沉积物或杂质以及被表面吸附或吸收的一种能使其性能降级的物质。
这些污染物首先会降低电子产品工艺良品率：在一个污染环境中制成的电子产品会引起多种问题。污染会改变电子产品的尺寸，改变表面的洁净度，和造成有凹痕的表面等。
其次一个更为严重的问题是在工艺过程中漏检的小问题。在工艺步骤中的不需要的化学物质可能改变电子产品尺寸或材料质量。
而最令人担心的莫过于污染对电子产品可靠性的失效影响。小剂量的污染物可能会在工艺过程中进入电子产品内部，而未被通常的电子产品测试检验出来。然而，这些污染物会在电子产品内部移动，最终停留在电性敏感区域，从而引起电子产品失效。这一失效模式成为车/船载、航天工业和国防工业的首要关注点。
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而污染物在环境中存在的形式主要为离子型和非离子型。离子型污染源主要来自如蚀刻、镀膜、掺杂、氧化和阻焊层等制程污染，以及元器件封装材料、助焊剂、设备油污、人员指印及环境灰尘等接触污染，表现为各种有机或无机酸及盐。因此，在加工制造过程中，需要严格进行极性离子污染物的控制。
离子污染物分子具有偏心的电子分布，容易吸潮，在空气中二氧化碳作用下产生正、负离子，导致产品腐蚀，引起表面绝缘电阻下降，在有电场存在的条件下还会发生电迁移，产生枝状结晶，导致漏电和短路。极性污染物的低表面能还可使其穿透阻焊层，在产品表层下生长枝晶。还有部分极性污染物也可能是非离子的，在偏置电压、高温或其他应力存在时，各种负电性分子就自行排成行形成电流。
在电子产品生产制程中，几乎所有参与产品制造的金属元素，都会释入出各种金属颗粒和金属化合物，形成铵（Amonium）、钙（Calcium）、锂（Lithium）、镁（Magnesium）、钾（Potassium）、钠（Sodium）等阳离子，另外还残留有大量的“酸性离子”，如氯离子(Chloride)、溴离子（Bromide）、弱有机酸离子（WOA）、硫酸盐离子（Sulfate）、Flux（助焊剂）等各式酸性负离子，这些由阳离子和负离子组成的污染物都属于极性污染物。
其中金属颗粒物和阳离子里面的金属离子超标，很容易造成电子元器件绝缘降低，电容值飘移和电信号干扰，甚至造成电子线路直接短路，此外，活性较强的金属颗粒物和金属阳离子，还会置换掉一些组成电子电路导电物质里活性较低的贵金属给置换出来，造成电子电路的性能下降。
而污染物里的负离子中，如氯离子主要来源于HASL阻焊剂、汗渍、自来水、焊接助焊剂（活性或轻度活性松香阻焊剂中高，树脂基或松香基水溶性焊剂和免清洗焊剂中低）等，氯离子与潮气中的水分化而形成的离子电极电位，会造成漏电、侵蚀和金属物质的电离。
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在PCB和PCBA制程中，氯离子的含量受PCB材质情况的影响。PCB板材的材质情况（包括其绝缘基底和附着的金属）决定了组装过程中可容许的氯离子的含量。陶瓷混合物基材或其他在耐熔物质上形成的材料，例如铅等，就比有机基材例如环氧玻璃布基材对氯离子的存在两更加敏感，这是由于表面集成分布已达到微观范围的程度。就表面金属层来说，镍/金表面本身就比铅/锡表面要干净得多。
而溴离子影响比氯小，做为环氧玻璃布中阻燃剂添加到阻焊油墨、字符油墨和某些以溴为活性材料的阻焊剂残留物。溴含量的多少与板材疏松程度或者组焊层的空隙率有关，所以板材或组焊层的情况反映了溴含量的高低外。板子高温清洗的次数也对溴含量起作用，溴化物影响的大小与印制板的工艺过程，特别是组装件焊接前对热风整平阻焊剂的清洗有关。
硫酸根离子与氯、溴离子所起作用一样，硫酸盐来自加工过程中的许多工艺，其中包括了各种牛皮纸，塑料材料和蚀刻所用的酸等。硫酸根离子很多时候是来自漂洗或清洗所用的自来水。
中基磺酸通常在许多电镀工艺中要用到，有时候被用来在一些HASL阻焊剂中被作为活性剂的替代品。如果没有被充分中和或清洗干净，其腐蚀作用将是氯的许多倍。
清洁程度要求
电子制造商面临着对生产可靠的硬件所需的清洁等级程度难以抉择。“多干净才算足够干净”这个问题给越来越窄的导线和线路带来更多的挑战。在工业中某一领域可接受的洁净度（如一个玩具进行了SMT波峰焊后），对于另外的领域或许就是不可接受（例如倒装芯片封装）。
很多的工艺专家们可能对清洁度并不十分了解，挑战仍然存在于与残留相关的某个或者某些长期可靠性方面的问题，或者是决定残留对硬件的功能性影响有多大。
需要考虑的有如下几方面的因素：
⑴终端使用环境（航天、医疗、军事、汽车、信息科技等）
⑵产品的设计/服役周期（90天、3年、20年、50年、保质期+1天）
⑶涉及的技术（高频、高阻抗、电源）
⑷失效现象与标准所定义的终端产品1、2、3级相对应的产品（例如：移动电话、心率调整器）。
清洗效果通过洁净度指标来评估
（1）洁净度等级标准
按中华人民共和国电子行业军用标准SJ20896-2003有关规定，根据电子产品可靠性及工作性能要求，将电子产品洁净度分为三个等级，如表所列。
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在实际工作中，根除污染实际上几乎是不可能的，一个折中的办法就是确定产品的污染可以和不可以接受的程度。如在PCB和PCBA行业，按照IPC-J-STD-001标准助焊剂残留三级标准规定＜40ug/cm2，离子污染物含量三级标准规定≤1.5（Nacl)ug/cm2，萃取电阻率＞2×106Ω.cm。另外随着PCBA的微型化，几乎可以肯定这个含量还是太高了达不到产品真正的性能需求，现在常用的离子污染物要求大约≤0.2（Nacl)ug/cm2。
清洗考虑要点
在PCB和PCBA行业，清洗考虑要点主要有以下内容（其中也包括了电子产品半导体元件清洗）：
1、焊后/清洗后残留物的检测和分析是组件清洗过程重要的一部分，影响组装线路板清洗过程效果的因素如下图所示。
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2、元器件几何形状
3、器件托高高度及对清洗的影响
4、夹裹的液体
5、元器件问题及残留物
6、来自元器件的污染物
7、元器件退化
8、其它元器件清洗考虑要点
9、表面的润湿
10、表面张力和毛细力
11、填充间隙对比未填充间隙
12、助焊剂残留物可变性
13、清洗剂效果
水基型清洗技术的优势！
水基清洗剂的清洗原理
水基清洗剂是与水相溶，可以加水稀释使用的清洗剂，清洗原理是借助其表面活性剂、乳化剂、渗透剂中成分含有的润湿、乳化、分散、渗透、溶解等特性来对工件表面进行强力清洗。没有底部端子器件的PCBA和半导体电子元器件，可以采用喷淋式水基清洗剂或清洗设备清洗；有底部端子器件的PCBA，则宜采用具有浸泡、超声波震动、空气搅拌和涌流（射流）技术的水基清洗设备来清洗。
乳化水基清洗技术，是利用清洗剂中的有机溶剂，润湿、膨胀污染残余物，并借助清洗剂中的表面活性剂的渗透作用，以及清洗剂的冲刷（击）作用，使成片的污染物如助焊剂等残余膜产生许多小裂缝；再借助清洗剂（机）持续不断的上述冲刷（击）、膨松、渗透效应，使成片状的助焊剂残余膜上的裂纹越来赿多，并越来越来深。当裂纹抵达产品表面后，清洗剂进一步的冲刷（击）、膨松、渗透作用，就会沿小片状污染残余膜的底部发展，最终将污染物剥离下来。
水基清洗剂的优势
在上述“清洗”过程中，清洗剂中的有机溶剂和表面活性剂，以及PH（酸碱度）调节剂，才是真正的“清洗剂”；而水，只是清洗剂动态作用助焊剂残余物的载体；水温，则是清洗效率的加速剂。
如广州正普化工有限公司（以下简称正普公司）水基型清洗剂都具备以下优点：
（1）去污清洗能力强，对清洗工件无损伤，不腐蚀。
（2）不燃不爆，使用安全，不污染环境。水基清洗剂无闪点，不会燃烧和爆炸；水基清洗剂废液中和后可直接排放不污染环境。
（3）水基清洗剂不会像三氯乙烯、三氯甲烷、氟里昂等ODS类溶剂会因有机溶剂的挥发造成对大气的臭氧层的破坏以及对操作工人身心健康的伤害。
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正普公司是一家专业从事水基型清洗剂产品及水基型清洗解决方案的高新科技企业，其自主研发的水基型清洗剂产品，是完全中性的清洗剂，其自主研发的产品成份，除了能充分清洗产品表面的各种异物污染外，还能去除产品表面的静电，防止产品在后续的作业中继续吸附环境中的异物，杜绝二次污染意外发生。
水基清洗剂的水洗是溶剂类清洗的有效替代技术；使用范围十分广泛。正普公司生产的ZP-380能配合高压喷淋清洗和高频超波清洗等自动化在线式清洗工艺，经济实用，简单方便。具有良好的安全性及可靠性，槽液寿命长。
ZP-380离子污染水基清洗剂以中性、去离子专业走俏电子、军工、航天市场
ZP-380离子污染水基清洗剂是针对印制电路板和半导体封装行业的离子污染超标问题，特制研发的一款去除产品表面离子污染残留物的专用清洗剂。适用于有铅/无铅喷锡和电/化金表面、化锡、化银、OSP等制程处理工艺的PCB产品，能有效清除印制电路板和半导体芯片在制程上污染上的，具有腐蚀性的“酸性离子”，如氯离子(Chloride)、溴离子（Bromide）、弱有机酸离子（WOA）、硫酸盐离子（Sulfate）等各式酸性负离子的残留，还可以清除铵（Amonium）、钙（Calcium）、锂（Lithium）、镁（Magnesium）、钾（Potassium）、钠（Sodium）等阳离子污染物。针对HASL板上，最难清除Flux（助焊剂）之残留，清洗后有显著功效。能有效清除因最后清洗人员所易留下指印（Finger-printOils）、油脂和其他污染物。满足印制电路板产品更低离子污染的要求。
ZP-280超声波清洗剂是专为水性超声波清洗设备设计的清洗剂，这款清洗剂是由可溶水的溶剂，特殊皂化剂和抑制腐蚀剂混合而成。ZP-280可以有效去除各个主流锡膏的助焊剂残渣，如AIM、阿尔法/库克森、贺利氏、凯斯特、Qualitek、千住和Umicore。ZP-280提供了与电子封装清洗应用中大多数基材和材料极好的兼容性，不破坏臭氧层，其材料成分都是为全球应用和符合环保标准而经过精心挑选的。ZP280拥有全球最先进的清洗技术支持，能够解决行业最困难的清洗难题，是电子、军工、航天市场的首选高效清洗剂。
水基型清洗剂的市场前景
目前，我国正在根据和《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》要求开展含氢氯氟烃（HCFCs）的逐步淘汰工作。随着HCFCs淘汰工作进入攻坚阶段，各行业、各地方迫切需要替代品方面的指导意见，以确保行业和国家的持续履约，其中在行业中推广水基型清洗剂是重中之重。
工业清洗剂近几十年来取得快速发展，由单一溶剂型清洗剂发展到水基型性清洗剂、碳氢清洗剂等多样化市场，清洗的技术也逐渐多元化。随着全球环境的恶化，开发新型环保、无污染、低成本的绿色清洗技术已经成为清洗业必然发展趋势和竞争条件，环保型清洗剂需求市场正在加速增长。目前在工业清洗市场中，由于水基型清洗剂环保、无毒、中性的特性，其在工业清洗领域中已逐渐成为风潮。
工业清洗剂的发展演变

时间	发展演变	缺点
二十世纪50年代	以汽油，煤油，柴油为主力的传统溶剂清洗剂被广泛应用于清洗行业	这些传统溶剂清洗剂的毒性很大，对工人造成极大的健康隐患并破坏环境
二十世纪60年代	市场上开始涌现大量的水性清洗剂	水性清洗剂对某些油类污渍的去污能力有限，并且对水能消耗极大，造成水资源浪费
二十世纪70-80年代	由于强大的去污能力及可回收性，氯化溶剂开始大规模应用到清洗行业	氯化溶剂的排放会消耗臭氧层，形成臭氧空洞，多国的法律法规对其进行了使用和生产上的限制
二十一世纪初	水基型清洗剂由于其优异的去油污能力，中性、低毒、低害、对人体的安全性，可回收及高效环保的特征成为新一代理想型清洗剂

现在的水基型清洗技术与电子产品制造活动密切相关，已经成为产品生产工艺的一个组成部分。清洗不提供最终的产品，而是许多工业生产过程中的一个局部工序，工艺或辅助活动，清洗的好坏却决定最终产品的性能和质量，特别是在当今的高科技产业中，水基型清洗剂与其清洗工艺的作用尤为突出，越来越受到行业的重视。
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尤其随着全球环境的恶化，开发新型环保、无污染的绿色清洗技术已经成为清洗业必然发展趋势和竞争条件，环保型清洗剂需求市场正在加速增长。目前在工业清洗市场中，环保的特性，其在工业清洗领域中已逐渐成为风潮。
行业咨询公司IHSMarkit称，全球清洁剂市场按2017年出厂价计算总值为442亿美元，预测2017~2022年，这一市场将以3.5％的年均增长率稳定增长。
中国市场快速发展！
北美仍然是清洁剂最大消费市场，中国则已超过西欧成为世界清洁剂第二大消费市场，2017年消费总值达72亿美元，占全球市场的16.3％。值得期待的是，未来5年中国市场将以“非常有吸引力”的年均8.2％的速度继续增长，其中工业部门的需求所占份额最大。
IHSMarkit称，在法规趋严和民众的健康和卫生意识持续增强等因素推动下，水基型清洗剂市场具有较好的发展潜力。在这些积极因素影响下，人们对开发和使用更加环保的清洁产品越来越注重，市场对绿色解决方案的需求将不断扩大。
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引领清洗技术发展 开创环保清洗时代
广州正普化工有限公司（公司官网：www.zphg168.com）是一家集研发、生产、销售水基系列清洗剂的专业公司。产品主要应用于：集成电路板制造（PCB），集成电路板封装（PCBA），封装及晶圆清洗，半导体元器件制造，摄像头模组生产，通讯，光学，汽车零部件制造等领域的超精密清洗。服务客户遍及电子电气，仪器仪表，塑胶，五金机械，医疗器械，航空航天等行业。
正普公司是《中华人民共和国电子制造用水基清洗剂行业标准》主要起草单位。公司拥有全球最先进的清洗技术支持，能够解决行业最困难的清洗难题。公司产品采用国内外优质的原料，结合世界先进的技术，配合经验丰富的工程师、化验师，使得产品从研制、原料采购、生产制作等每个环节都处在严格的管控之下，确保了产品优良的品质。
正普公司坚持科学的管理和严格的质量监控，秉承”创新与环保并重”的经营理念，致力于环保清洗剂和环保水基清洗剂的研制与开发，确保了公司产品的各项技术指标均达到国际同类产品水准。正普公司自创办以来，以其产品良好的品质稳定性、功能可靠性赢得了众多客户的信赖和支持。今后我们将会更加努力，以优良的品质和优惠的价格、竭诚服务每一位新老客户，您的需求就是我们全体员工努力发展的方向，期待与您携手创造美好的明天。
——广州正普化工有限公司 联系邮箱：zhengpuxgj@163.com 公司官网：www.zphg168.com
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...............”顶自己的帖，让别人说去吧“”我顶故我在“坚持顶帖一百年不动摇”，如此的好贴，如此清新的
风格，如此独特的视角，我们还能说什麽呢，我们还能做什麽呢，不要再犹豫了，让你的回复就这样贴上去吧
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我希望是“一万篇”............................
这篇不是我写的,在下还没得那水平.这是几年前一个叫“我顶故我在”的大作,觉得移花接木偷梁换柱借花献佛
给楼主再合适不过了.还望楼主笑纳!
向楼主学习!向楼主致敬!楼主不是别人,楼主就是楼主!

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