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PCBA 烧毁失效原因分析及预防对策

2022-11-08  浏览量:112

 

引言

 

PCBA在生产、存储、加工等过程中,因外来污染物、板子受潮、助焊剂残留等原因时常导致PCBA烧毁、电迁移失效的问题,降低产品可靠性、提高企业生产成本。本文以PCBA烧毁失效为例,通过外观检查、表面分析、切片分析等方法,分析其失效原因与机理,并提出预防对策。

 

一、案例背景

 

某PCBA在生产后半年喷涂三防漆,上电后10多小时,V相与W相铜皮之间爬电打火,压差为380VAC。现分析确认PCBA烧毁原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

对PCBA烧毁区域及其周围区域进行外观检查。烧毁区域明显发黑,局部碳化明显。烧毁位置周边区域,三防漆下面发现较多黄色异物,疑似助焊剂残留现象。

 

烧毁区域及周围外观检查照片

图1. 烧毁区域及周围外观检查照片

 

2. 表面分析

为了观察烧毁区域微观形貌及确认该区域所含元素成分,利用SEM+EDS对其进行分析。

烧毁区域表面形貌观察及成分分析如下:①烧毁区域局部位置发现较高含量的Sn元素(P1-2)及Cu元素(P1-3),放大后,未发现明显迁移枝晶形貌;②烧毁区域多处位置发现异常元素存在,推测烧毁区域存在外来污染影响。

 

烧毁区域表面SEM图片及EDS能谱图

图2. 烧毁区域表面SEM图片及EDS能谱图

 

3. FTIR分析

为了确认烧毁位置及三防漆化学成分,利用FTIR对两处位置进行测试分析。

FTIR测试结果:

1. 三防漆的主要成分为醇酸聚氨酯漆;

2. 烧毁位置处的主要成分为羧酸盐,1564cm-1及1411cm-1处来自羧酸盐COO-伸缩振动吸收。黑色物质在3391cm-1及1460cm-1处出现水的特征吸收。

以上结果显示,烧毁位置发现羧酸盐及水成分,羧酸盐为助焊剂中活性成分羧酸(酸性)与金属氧化物反应后产物,故烧毁位置存在酸性助焊剂残留现象。水分的存在说明烧毁位置较为潮湿。三防漆成分为醇酸聚氨酯漆,属于热固性树脂,化学性能较稳定。

 

烧毁位置及三防漆FTIR谱图

图3. 烧毁位置及三防漆FTIR谱图

 

4. 剖面分析

为了观察烧毁位置及周边未烧毁位置截面状况,对其切片后进行形貌观察及成分分析,结果如下。

Row1:①烧毁区域(P1)表层玻纤及绿油被碳化,表层局部位置除发现Sn、Cu金属元素外,还发现Na、Cl、K异常元素;②未烧毁区域(P2),三防漆下面发现大量助焊剂残留,成分测试显示,残留助焊剂中含有较高的Sn及少量Br元素,局部位置Sn含量高达61.6%wt及72.4%wt;③助焊剂未残留位置(P3),三防漆与绿油贴附完好。

 

烧毁区域及周边区域切片后(row1)SEM图片及EDS能谱图

图4. 烧毁区域及周边区域切片后(row1)SEM图片及EDS能谱图

 

Row2:①未烧毁区域(P1、P2),三防漆下面同样发现较多助焊剂残留,助焊剂中Sn含量偏高,局部高达63.6%wt及85.8%wt,还发现Na、Cl、K异常元素存在;②未烧毁区域(P3),因助焊剂残留影响,导致三防漆局部位置厚度过薄。

 

周边区域切片后(row2)SEM图片及EDS能谱图

图5. 周边区域切片后(row2)SEM图片及EDS能谱图

 

以上结果可知,①烧毁区域局部位置发现Sn、Cu金属元素及Na、Cl、K异常元素;②烧毁区域周边区域,三防漆下面发现较高助焊剂残留现象,残留助焊剂含有较高Sn元素及少量Na、Cl、K异常元素;③局部位置助焊剂残留较多,也影响了该位置三防漆的涂敷效果,无较多助焊剂残留的区域,三防漆涂层良好,三防漆与绿油贴附完好。

 

三、总结分析

 

通过对烧毁区域及周边区域外观检查发现,烧毁区域明显发黑,局部碳化明显。烧毁位置周边区域,三防漆下面发现较多黄色异物,疑似助焊剂残留现象。

 

烧毁区域表面进行形貌观察及成分分析发现:①烧毁区域局部位置发现较高含量的Sn及Cu元素,放大后,未发现明显枝晶形貌;②烧毁区域多处位置发现Na、Cl、K异常元素存在,推测烧毁区域存在外来污染影响。

 

FTIR分析结果显示:烧毁位置存在酸性助焊剂及水分残留现象,而三防漆成分为醇酸聚氨酯漆,属于热固性树脂,化学性能较稳定。

 

为了进一步确认烧毁区域截面状况及周边三防漆下面异物成分,对烧毁区域及周边区域进行切片分析,结果显示:①烧毁区域局部位置发现Sn、Cu金属元素及少量Na、Cl、K元素;②烧毁区域周边区域,三防漆下面发现较高助焊剂残留现象,残留助焊剂含有较高Sn元素及少量Na、Cl、K元素;③局部位置助焊剂残留较多,也影响了该位置三防漆的涂敷效果,无较多助焊剂残留的区域,三防漆涂层良好,三防漆与绿油贴附完好。

 

综上所述,PCBA烧毁主要与三防漆涂层下面Sn含量较高的助焊剂残留有关。当助焊剂残留后,助焊剂属于极性物质,在三防漆涂覆之前的储存过程中极易吸潮,吸潮后的助焊剂然后被三防漆覆盖,这样助焊剂中较高含量的金属成分(助焊剂中活性成分与金属氧化物反应后产物)及杂质在潮湿及酸性环境(助焊剂呈酸性)共同作用下产生出活性离子,活性离子在电场作用下定向移动而产生漏电,最终导致PCBA烧毁。

 

四、结论与建议

 

导致PCBA烧毁的原因:涂覆三防漆之前,烧毁区域残留Sn含量较高的助焊剂,而助焊剂有吸潮现象,吸潮后的助焊剂被覆盖在三防漆下面,这样助焊剂中较高含量的金属成分(助焊剂中活性成分与金属氧化物反应后产物)及杂质在潮湿及酸性环境(助焊剂呈酸性)共同作用下产生出活性离子,活性离子在电场作用下定向移动而产生漏电,最终导致PCBA烧毁。

 

改善建议

1. 涂覆三防漆之前对PCBA进行局部清洗处理,去除助焊剂残留及杂质;

2. 如无法进行清洗处理,建议对来料锡膏及所用到的焊料进行SIR(表面绝缘电阻测试)及ECM(电化学迁移测试)评估;

3. 涂敷三防漆前,避免PCBA受到外来污染,同时避免储存受潮。

 

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