Einfluss von Kontaminationsrückständen auf das Punktlöten von Leiterplatten und Diskussion über Reinigungsverfahren

Mit der Entwicklung der Elektronikindustrie und den gestiegenen Anforderungen an die elektronische Leistung entwickeln sich elektronische Bauteile in Richtung Miniaturisierung, feineren Abständen und hoher Integrität. Da der Abstand zwischen benachbarten Leitern kleiner wird, treten Rückstände und andere Verunreinigungen auf Leiterplatten (PCBs) hinsichtlich ihres Einflusses auf die Zuverlässigkeit von PCBs zunehmend in den Vordergrund. Obwohl das Lötverfahren mit geringen Rückständen und No-Clean von traditionellenOberflächenmontagetechnik (SMT)In Produkten mit hoher Zuverlässigkeit erschweren die Verdichtung der Produktstruktur und die Miniaturisierung der Bauteilmontage zunehmend das Erreichen eines geeigneten Reinigungsgrades, was zu einer Zunahme von Produktfehlern infolge von Reinigungsproblemen führt. Dieser Abschnitt wird kurz den Einfluss von Verunreinigungsrückständen auf Lötstellen von Leiterplatten sowie einige Probleme im Zusammenhang mit der Reinigung erörtern.

• Der Einfluss von Kontaminationsrückständen auf das PCB-Punktschweißen

a.Elektrochemische Migration

Elektrochemische Migration, kurz ECM, bezeichnet die Ionenwanderung mittels eines Mediums wie z. B. Flussmittelrückständen unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Feldes. Bei Leiterplattenprodukten (PCB) werden mit der Veränderung der Umgebungsfeuchtigkeit einige ionische Verunreinigungen in den Flussmittelrückständen, wie Aktivatoren und Salze, in Elektrolyte umgewandelt, was zu einer Veränderung der Eigenschaften von Lötstellen führt. Wenn diese Leiterplatten in Betrieb sind, können unter Spannungsbelastung Kurzschlüsse zwischen Lötstellen auftreten, die intermittierende Fehler verursachen und die Zuverlässigkeit der Leiterplatten verringern. Dieser Prozess umfasst drei Schritte: Pfadbildung, Initialisierung und Bildung baumförmiger Kristalle. Die Pfadbildung beginnt mit der Auflösung von Metallionen im Elektrolyten, der eine Art schwache Säure ist, die durch die Verbindung von Chlor- und Bromrückständen im Flussmittel mit dem Wasser in der Luft entsteht. Wenn Metall in der schwachen Säure gelöst wird, bilden sich Metallfilamente. Daher müssen für das Wirksamwerden des elektrochemischen Mechanismus die Elemente ionische Rückstände, Spannungsdifferenz und Feuchtigkeit gegeben sein. Darüber hinaus wird die elektrochemische Wirksamkeit auch von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, angelegter Spannung, Leitermaterial, Leiterabstand sowie Art und Menge der Verunreinigungen beeinflusst.

b.Kriechkorrosion

Kriechkorrosion bezeichnet das Phänomen, dass sich Sulfidkristalle von Kupfer oder Silber auf der Oberfläche von Leiterplatten (PCBs) bilden. Im Unterschied zur elektrochemischen Migration genügt für das Auftreten von Kriechkorrosion bereits das Vorhandensein einer Kontaminationsquelle und von Feuchtigkeit in der Umgebung, ohne dass eine Spannungsdifferenz erforderlich ist. Wenn sich der Schwefel in der Luft mit dem Kupfer oder Silber auf den Leiterplatten verbindet, entstehen Kupfersulfid oder Silbersulfid. Diese chemischen Verbindungen wie Kupfersulfid und Silbersulfid wachsen in beliebige Richtungen, wodurch feine Leiterbahnen unterbrochen werden oder Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leiterbahnen entstehen können, was letztlich zu einer schlechten Qualität der Leiterplatten führt. Mit der Verkleinerung der PCB‑Größe und der Miniaturisierung der Bauteile wird das Risiko dieser Art von Korrosion zwangsläufig zunehmen. Kriechkorrosion tritt überwiegend in den Bereichen Industrieelektronik zur Prozesssteuerung und Luft‑ und Raumfahrt auf, da in deren Umgebungsluft mehr kontaminierende Gase vorhanden sind. Ein weiterer Grund liegt in der früheren Verwendung von HASL‑Oberflächen auf Leiterplatten, bei denen die äußere Kupferfolie durch Zinn-Blei geschützt wurde. Mit der Entwicklung bleifreier Verfahren werden jedoch Materialien mit Kupfer oder Silber in der Leiterplattenherstellung, beim Löten und beim Beschichten eingesetzt. Sobald im Lötprozess die Benetzung nicht den Anforderungen entspricht, wird ein Teil des Kupfers oder Silbers der Luft ausgesetzt, und wenn sich die Umgebungsbedingungen durch Feuchtigkeit verschlechtern, steigt das Risiko von Kriechkorrosion erheblich.

c.Zinnfaden

Zinn‑Whisker sind die Hauptsorge von Fachleuten. Durch eine große Anzahl von Untersuchungen, die auf den chemischen und physikalischen Parametern beruhen, die von Zinn‑Whiskern erzeugt werden, weisen Experten darauf hin, dass die Legierung mit Zinn unter dem Einfluss von hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit mit anderen Metallen proliferiert, was die Bildung intermetallischer Verbindungen (IMC) begünstigt. Unter diesen Bedingungen, bei schnell ansteigendem Spannungsstress in der Zinnschicht, proliferieren Zinnionen entlang der Korngrenzen und bilden Zinn‑Whisker, die das Risiko von Kurzschlüssen erhöhen. Daher spielen im Reflow‑Prozess, wenn die Zinnlegierung erstarrt, einige Halide und Bromide im Flussmittel, das aus der Lötpaste austritt, die Rolle ionischer Verunreinigungen und führen zur massenhaften Bildung von Zinn‑Whiskern. Außerdem neigen Zinn‑Whisker dazu, vom Grad der ionischen Verunreinigung beeinflusst zu werden, woraus geschlossen werden kann: Je höher der Grad der ionischen Verunreinigung ist, desto höher ist die Dichte der Zinn‑Whisker.

• Einige Probleme bei der Reinigung

a.Kontaminanten

Die Objekte, die nach dem Löten gereinigt werden müssen, sind hauptsächlich die Rückstände, die auf Leiterplatten (PCBs) zurückbleiben. Entsprechend ihren chemischen Eigenschaften lassen sich diese Rückstände in drei Kategorien einteilen: wasserlösliche polare Rückstände, wasserunlösliche unpolare Rückstände und wasserlösliche, aber unpolare Rückstände, die nicht in ionische organische Verbindungen umgewandelt werden können. Diese Verunreinigungen gelten als Hauptursache für Veränderungen oder sogar Ausfälle der PCB-Leistung. Daher ist es äußerst notwendig, die Rückstände vollständig zu entfernen. Darüber hinaus entwickeln sich Leiterplatten in Richtung hoher Packungsdichte und feiner Leiterabstände, wodurch die Reinigung von PCBs besonders wichtig wird.

b.Flüsse

Flussmittelrückstände machen den größten Teil aus inLeiterplattenherstellungweshalb das Flussmittelrückstand bei der Auswahl eines Reinigungsverfahrens zuerst berücksichtigt werden muss. Entsprechend den chemischen Eigenschaften können Flussmittel gemäß J-STD-004 in vier Kategorien eingeteilt werden: Kolophonium, Harz, organisch und anorganisch, von denen jede wiederum nach der Aktivitätsstufe des Flussmittels/Flussmittelrückstands und dem Halidgehalt klassifiziert wird. Dies zeigt zugleich, dass alle Flussmittel weltweit in der Lage sind, Oxide zu entfernen und die Benetzungsfähigkeit des Lots zu erhöhen. Im Prozess der Leiterplattenherstellung werden Flussmittel beim Wellenlöten, Reflow-Löten und manuellen Löten eingesetzt, und es ist am besten, nur eine Art von Flussmittel zu wählen. Bei der Reinigung der gesamten Leiterplatte handelt es sich dann lediglich um den Prozess der Entfernung eines einzigen Flussmitteltyps. Wenn viele Arten von Flussmitteln verwendet werden, führt die Kompatibilität dieser Flussmittel zu Schwierigkeiten bei der Reinigung, da diese Flussmittel komplexe Eigenschaften besitzen, was die Kombination dieser Flussmittel zusätzlich verkompliziert.

c.Reinigungshandwerk

In der Leiterplattenreinigung werden üblicherweise drei Arten von Reinigungsverfahren eingesetzt: Lösungsmittelreinigung, Halbwassereinigung und Wasserreinigung. Die Lösungsmittelreinigung bezeichnet den Prozess, bei dem ein lösungsmittelbasiertes Medium zur Reinigung von Leiterplatten verwendet wird. In diesem Prozess erfolgt das Trocknen in einer separaten Anlage. Die Halbwassereinigung bezeichnet den Prozess, bei dem Leiterplatten mit einem Lösungsmittel gereinigt werden und das organische Lösungsmittel anschließend mit Wasser von der Leiterplatte entfernt wird, um Flussmittel und andere Verunreinigungen auf den Leiterplatten zu beseitigen. Die Wasserreinigung bezeichnet den Prozess, bei dem Leiterplatten ausschließlich mit Wasser gereinigt werden. Entsprechend den Eigenschaften der Anlagen und Produkte sollte ein geeignetes Reinigungsverfahren ausgewählt werden, damit die Zuverlässigkeit der Leiterplatte erheblich erhöht wird.

d.Reinigungsmittel

Je nach Flussmitteltyp sollte ein Reinigungsmittel ausgewählt werden, das mit den Rückständen des jeweiligen Flussmittels kompatibel ist. Es gibt verschiedene Arten von Reinigungsmitteln und unterschiedliche Bestandteile von Reinigungsmitteln. Auf Grundlage der Vorschriften des Japan Industry Cleaning Committee (JICC) werden Reinigungsmittel anhand des Spülprozesses als Standard klassifiziert. Daher werden Reinigungsmittel in zwei Typen eingeteilt: wasserlösliche Reinigungsmittel und nicht wasserlösliche Reinigungsmittel. Ein Reinigungsmittel, bei dem im Spülprozess Wasser verwendet wird, wird als wasserlöslich bezeichnet, und eines, bei dem kein Wasser verwendet wird, als nicht wasserlöslich.

e.Reinigungsgeräte und Reinigungsmethode

Heutzutage werden Reinigungsgeräte hauptsächlich in Chargentyp und Zellentyp eingeteilt, während die Reinigungsverfahren Ultraschall, Sprühen, Eintauchen, Strahlen, Blasen usw. umfassen. Übliche Reinigungsmethoden werden durch Sprühen oder Dampfphase durchgeführt, ergänzt durch einige mechanische Reinigungsverfahren wie Rühren, Drehen usw.

f.Reinigungsstandards

Verschiedene Reinigungsobjekte haben unterschiedliche Reinigungsstandards. Daher ist es naheliegend, dass die geeigneten Reinigungsstandards mit den betreffenden Branchen und Produkteigenschaften kompatibel sein müssen, da verschiedene Produkte unterschiedliche Einsatzumgebungen, Lebensdauern und unterschiedliche technische Parameter aufweisen. Gemäß den IPC-Normen ist die allgemein höchste Reinigungsstufe:
Ionische Verunreinigungen < 1,56 μg NaCl/cm²;
oder Flussmittelrückstände < 40 μg/cm²;
oder Isolationswiderstand > 2x10²Ω.

Alles in allem wird, sofern der Ausfallmechanismus von Punktverschweißungen auf Leiterplatten im Hinblick auf die schädlichen Auswirkungen von Rückständen vollständig verstanden ist und geeignete Reinigungsmittel sowie -verfahren entsprechend der Auslegung des Reinigungsprozesses ausgewählt werden, das physikalische und chemische Ausfallrisiko erheblich verringert, sodass die Zuverlässigkeit der Leiterplatte verbessert wird.

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