壓力變送器PCB腐蝕失效分析案例研究

錢雨鑫，鐘鳴，袁保玉，李曉倩

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610；2.寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，浙江寧波315040；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇蘇州215011）

壓力變送器PCB腐蝕失效分析案例研究

錢雨鑫1，2，鐘鳴1，2，袁保玉1，2，李曉倩1，3

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610；2.寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，浙江寧波315040；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇蘇州215011）

利用外觀檢查、X射線檢查、金相切片分析、掃描電子顯微鏡分析和光電子能譜分析等手段對壓力變送器的PCB的腐蝕失效現(xiàn)象進行了分析。結(jié)果表明，該PCB的失效原因為:三防漆與板面結(jié)合不良、內(nèi)部存在裂紋、涂覆不均勻和局部未見明顯的三防漆覆蓋等，導(dǎo)致其對空氣中水汽的防護能力減弱，造成了焊點在較高的殘留離子、持續(xù)電場和空氣中水汽的共同作用下發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，從而生成了焦黃色或藍綠色的腐蝕物。

印制電路板；腐蝕失效；失效分析；外觀檢查；X射線檢查；金相切片分析；掃描電子顯微鏡分析；光電子能譜分析

0 引言

近年來，由于成本原因、環(huán)境保護和清潔生產(chǎn)的要求，越來越多的電子廠商在PCBA生產(chǎn)制程中采用免清洗或簡單清洗的工藝，因而不能保證板面的離子殘留被徹底地清洗干凈，一些PCBA組件在儲存或在客戶端使用一段時間后更易出現(xiàn)板面腐蝕甚至電路開路等失效現(xiàn)象。此類問題往往會造成很大的影響和損失，因此，本文對壓力變送器的腐蝕失效現(xiàn)象進行了分析，以期引起PCBA相關(guān)制造單位的高度重視。

1 案例分析

1.1 背景

壓力變送器產(chǎn)品上機工作一年半后，內(nèi)部PCB板面出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。提供壓力變送器、三防漆，以及同批次的焊錫絲和助焊劑樣品用于分析。壓力變送器樣品由金屬封裝體與塑料接口件通過膠粘、壓合的方式封裝在一起，而據(jù)生產(chǎn)商反映，此封裝形式的密封性較差。接收到的樣品已由生產(chǎn)商將金屬封裝體與塑料接口分離，暴露出了內(nèi)部PCB板。PCB板上的SMD焊點采用回流，插裝焊點采用手工焊接（錫絲+低活性助焊劑）方式，焊后用酒精對板面進行擦洗，然后涂覆三防漆。據(jù)生產(chǎn)商反映，更換三防漆后，PCB板面依然存在腐蝕現(xiàn)象。樣品的外觀照片如圖1所示。

圖1 送檢樣品的代表性外觀

1.2 分析過程

1.2.1 外觀檢查

對失效樣品進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn):1）PCB板面均涂覆有透明的三防漆，其中，元器件處的三防漆較厚，并且呈焦黃色；2）在PCB板的插裝焊點區(qū)域，1#樣品可見藍綠色腐蝕物，2#樣品可見焦黃色腐蝕物，與它們對應(yīng)的塑料體內(nèi)亦可見藍綠色或焦黃色腐蝕物，另外，PCB板腐蝕處表面三防漆可見較多的裂紋；3）PCB板面未腐蝕處，1#樣品的三防漆涂覆厚度不均勻，局部未見明顯的三防漆覆蓋，另外，三防漆局部可見桔紋和裂紋，2#樣品的三防漆局部可見裂紋，特別是在插裝焊點附近，裂紋較多且較長。1#樣品和2#樣品的代表性光學(xué)外觀如圖2-3所示。

圖2 1#樣品的代表性光學(xué)外觀

圖3 2#樣品的代表性光學(xué)外觀

1.2.2 X-Ray檢查

對PCB進行X-Ray檢查，發(fā)現(xiàn)腐蝕均發(fā)生在焊點周圍，而阻焊膜覆蓋下的內(nèi)部導(dǎo)線未見腐蝕。PCB的代表性X-Ray照片如圖4所示。

圖4 PCB的代表性X-Ray照片

1.2.3 離子色譜分析

對1#樣品的腐蝕區(qū)域、手工焊接用的助焊劑、錫絲和三防漆進行離子色譜分析，結(jié)果顯示腐蝕區(qū)域有極高的Cl-和SO42-殘留，明顯地超出了行業(yè)要求，詳細的測試結(jié)果如表2所示。而手工焊接用的助焊劑中未檢出鹵素離子，依據(jù)IPC J-STD-004B標準，其屬于L0型低活性助焊劑；手工焊接用的錫絲中的助焊劑可檢測出含量很低的Br-，其屬于L1型低活性助焊劑（鹵素含量＜0.5%）；另外，三防漆樣品亦未檢測出鹵素離子，詳細情況如表3所示。

表2 離子色譜測試結(jié)果

表3 助焊劑、錫絲和三防漆的鹵素測試結(jié)果

1.2.4 切片和SEM&EDS分析

對腐蝕位置的表面進行SEM&EDS分析，發(fā)現(xiàn):1）PCB板面上的藍綠色或焦黃色腐蝕物中可檢測到較高含量的C、O、Sn和Cu元素，另外可檢測出少量的S元素；2）對應(yīng)的塑料體內(nèi)的腐蝕物中同樣可檢測到較高含量的C、O、Sn和Cu元素，詳細情況如圖5所示。

將被腐蝕區(qū)域制成切片，并對截面進行SEM&EDS分析，發(fā)現(xiàn):1）部分插裝焊點處被腐蝕，腐蝕處O元素的含量較高，另外還可檢測到少量的Cl和S元素；2）焊點被腐蝕處，表面的三防漆可見明顯的缺口，三防漆內(nèi)部的局部可見裂紋，腐蝕區(qū)域的板面處，表面三防漆與阻焊膜之間可見明顯的縫隙；3）未被腐蝕的PCB板面位置，表面三防漆厚度不均勻，部分區(qū)域未見明顯的三防漆覆蓋，另外，三防漆與阻焊膜局部結(jié)合不良，可見明顯的縫隙，三防漆內(nèi)部還可見裂紋。詳細情況如圖6-8所示。

2 結(jié)果與討論

圖5 腐蝕處表面代表性SEM&EDS結(jié)果

圖6 腐蝕處截面代表性SEM&EDS結(jié)果

圖7 腐蝕處截面代表性SEM照片

圖8 未腐蝕處三防漆截面代表性SEM照片

樣品在插裝焊點的附近可見藍綠色或焦黃色腐蝕物，腐蝕處表面的結(jié)構(gòu)疏松，并且可檢測到較高含量的C、O和少量的S、Cl元素。離子色譜結(jié)果顯示腐蝕區(qū)域極高的Cl-和SO42-殘留量遠高于行業(yè)規(guī)范的要求。板面較高含量的Cl-、SO42-在潮熱、通電的情況下會增加板面被腐蝕的風(fēng)險。另外，手工焊接用的助焊劑中未檢測出鹵素離子，錫絲樣品也只檢測出含量很低的Br-離子，依據(jù)IPC J-STD-004B可知，兩者均屬于低活性助焊劑，可見手工焊接時的助焊劑殘留并不是板面離子殘留量較高的主要原因，而板面較高的離子殘留可能來源于PCB上的電鍍殘留液、PCBA制程中的清洗液殘留、油污、人體污染和外界空氣中的鹽霧等。

分析還發(fā)現(xiàn)焊點腐蝕處可見三防漆缺口，三防漆內(nèi)部的局部可見裂紋，腐蝕區(qū)域的板面處，三防漆與阻焊膜結(jié)合不良，之間可見明顯的縫隙。而未被腐蝕的PCB板面處，亦可見三防漆涂覆不均勻、局部未見明顯的三防漆覆蓋、三防漆與阻焊膜局部結(jié)合不良和三防漆存在裂紋等現(xiàn)象。三防漆的上述不良現(xiàn)象，降低了自身的防護能力，導(dǎo)致空氣中水汽、鹽霧等極易通過三防漆滲透進PCB板面。

另外，據(jù)生廠商反映，樣品在上機工作約一年半后（通電的狀態(tài)下）發(fā)生腐蝕失效，其工作環(huán)境的溫濕度較高?？梢娙榔崤c板面結(jié)合不良、內(nèi)部存在裂紋、涂覆不均勻和局部未見明顯的三防漆覆蓋等不良現(xiàn)象，導(dǎo)致了樣品對空氣中水汽的防護能力減弱，造成焊點在較高的殘留離子、持續(xù)電場和空氣中水汽的共同作用下發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，生成了焦黃色或藍綠色腐蝕物。

綜上所述，在此案例中，樣品失效的原因為:三防漆與板面結(jié)合不良、內(nèi)部存在裂紋、涂覆不均勻和局部未見明顯的三防漆覆蓋等不良現(xiàn)象，導(dǎo)致了樣品對空氣中水汽的防護能力減弱，造成焊點在較高的殘留離子、持續(xù)電場和空氣中水汽的共同作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而生成了焦黃色或藍綠色腐蝕物。

3 結(jié)束語

PCB作為各種元器件的載體，其質(zhì)量的好壞與可靠性水平?jīng)Q定了整機設(shè)置的質(zhì)量與可靠性水平。本文利用外觀檢查、X-Ray檢查、金相切片分析和SEM&EDS分析對壓力變送器的PCB的腐蝕失效現(xiàn)象進行了分析，找到了PCB失效的原因，對于PCB相關(guān)制造商改善PCB的制造工藝，提高其可靠性具有一定的參考和借鑒作用。

[1]羅道軍，賀光輝，鄒雅冰.電子組裝工藝可靠性技術(shù)與案例研究[M].北京:電子工業(yè)出版社，2015.

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[4]張衛(wèi)民.電子設(shè)備的三防設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2008（27）:33.

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Case Study on Corrosion Failure Analysis of PCB for Pressure Transmitter

QIAN Yuxin1，2，ZHONG Ming1，2，YUAN Baoyu1，2，LI Xiaoqian1，3
（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China；2.Ningbo CEPREI IT Research Institute Co.，Ltd.，Ningbo 315040，China；3.CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

The corrosion failure phenomenon of PCB for pressure transmitter is analyzed by means of visual inspection，X-ray inspection，microsection analysis，SEM and EDS. The results show that the reasons for the failure of PCB are as follows:the poor bond between conformal coating and board，internal crack，uneven coating and the lack of obvious conformal coating in local position result that the protective ability of PCB to water vapor in the air is weakened，and then cause that the electrochemical reaction of the solder joint occurs under the coaction of high content of residual ions，the continuous electric field and the water vapor in the air，which results that the yellow or blue-green corrosion forms.

PCB；corrosion failure；failure analysis；visual inspection；X-ray inspection；microsection analysis；SEM；EDS

TN 41.06；TG 115.21+5

A

：1672-5468（2017）02-0019-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.005

2016-07-26

2017-03-14

錢雨鑫（1986-），男，浙江建德人，寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司工程師，主要從事材料表征、可靠性工程相關(guān)工作。