ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

технологии
Г.Швайгарт, Х.Вэк
(Helmut Schweigart, Harald Wack)
www.circuitassembly.com
Влияние влажности и загрязнений
на печатные узлы с бессвинцовой пайкой
Э
лектромеханическая миграция и токи утечки представ­
ляют два основных источника климатически зависимых
отказов печатных узлов. Анализ этапов электромехани­
ческой миграции и причин токов утечки позволит пред­
отвратить возникновение дефектов.
В недавнем исследовании современного состояния автомобильной электроники [1] подчеркивается, что к самым
распространенным механизмам отказов в печатных узлах,
смонтированных бессвинцовой пайкой, относятся электромеханическая миграция и токи утечки, которые вызываются
коррозией. Как было установлено, присутствие серебра в
обычных бессвинцовых сплавах критично для долговременной надежности собранных узлов. Для создания электромеханической миграции совершенно достаточно наличия пленки влаги в несколько монослоев. Число слоев, необходимое
для начала процесса коррозии при комнатной температуре,
формируется при уровне относительной влажности от 60 до
70%, в зависимости от полярности подложки и ее поверхностной энергии [2, 3]. Таким образом, даже в условиях офиса
компьютеры, например, подвергаются опасности нарушения
нормальной работы.
При постоянных климатических условиях впитывание
влажности на основании ПП (т.е. эпоксидным полимером)
с пайкой оловянно-свинцовым припоем концентрируется в
основном на поверхности полимера (т.е. упорядоченной эпоксидной смоле). Пыль, частицы солей и впитанный диоксид
серы – части промышленной атмосферы – служат затравкой
для конденсации. В чистой конденсированной воде тенденция к миграции может быть установлена путем измерения
водородного показателя рН [4]. В присутствии хлоридов и
других сложных лигандов даже устойчивые металлы, такие
как золото, индий, палладий и платина, могут мигрировать.
18
ПЕЧАТНЫЙ МОНТАЖ 3/2007
Основные механизмы
электрохимической миграции
Анодное растворение металла. Анодные растворенные
металлические ионы передаются к катоду, где они оседают.
Воздействие на растворение оказывает электролиз влажной
пленки при рабочем напряжении обычно между 2 и 5 В.
Кинетика металлического растворения имеет место непосредственно на уровне кристаллической решетки. Загрязнение ПП способствует образованию и росту перемычек. Вредные газы, такие как H2S, SO2 и CO2, растворяются в пленках
влажности и оказывают аналогичный эффект. Для миграции
серебра (составной части сплава на основе SnAgCu305)
достаточно водорастворимого Ag(OH), который легко образуется в водных растворах. Напротив, золото растворяется,
только если формируется тетрахлорид золота. Миграционные процессы существенно усиливаются в присутствии
связующих загрязнений.
Диффузия металлических ионов. Диффузию растворенных металлических ионов определяет электрическое
поле. Если градиент потенциала мал относительно градиента
концентрации мигрирующих ионов, ионы диффундируют в
соответствии с градиентом концентрации. Если градиент концентрации достаточно велик, фактически возможна диффузия
ионов против электрического поля, и образуются пятнистые
перемычки. Рабочее напряжение и размер проводника определяют градиент потенциала. Градиент концентрации определяется плотностью тока, активной площадью анода и скоростью диффузии сольватированных металлических ионов.
Колонтитул
Осаждение металлических ионов. Осаждение
доминирует в местах с высокой напряженностью поля.
Если проводимость раствора мала, например из-за малой
концентрации ионов, силовые линии поля концентрируются
по краям. Рост дислокации решетки на поверхности ведет
к образованию микрошероховатостей. В случае высокой
концентрации ионов обычно формируется более гладкая
структура.
Токи утечки, вызванные коррозией
Токи утечки возникают при загрязнении воздуха, особенно
диоксидом серы. Дефекты паяльной маски, такие как трещины и расслоение, вызывают расщелины и коррозию.
Вызванные коррозией токи утечки являются вторым
основным механизмом отказов электронных узлов. Эти
токи можно обнаружить на медных контактах и металлических поверхностях (определяемых бессвинцовым сплавом)
в атмосфере промышленного сернистого газа и относительной влажности 60%. В противоположность электромеханической миграции образуется мало перемычек. Раствор
сульфата меди повышает проводимость влажной пленки,
и происходит замыкание.
Во влажной атмосфере электромеханическая миграция
и токи утечки вызывают большинство отказов компонентов. Установлено влияние типа металлизации и рабочего
напряжения. Кроме того, заслуживает внимания, что серебро – компонент большинства распространенных бессвинцовых спла­вов – основной участник электромеханической
миграции.
Сокращение расстояний между проводниками увеличивают риски коротких замыканий, особенно в датчиках и
схемах управления. С помощью электронного микроскопа
теперь можно проследить путь утечки тока, даже в случае
остатков чрезвычайно тонкой пленки влаги.
Литература
1.Study conducted at Zestron Analytical Centers in North
America and Europe, 2005.
2. S. Lee and R.W. Staehle. Adsorption Studies of Water
on Copper, Nickel, and Iron Using the Quartz-Crystal
Microbalance Technique: Assessment of BET and F Models
of Adsorption.– Materials and Corrosion, №48,
Wiley-Interscience, 1997.
3. Helmut Schweigart. Functional Safety of Conformally
Coated Assemblies When Exposed to Moisture/
Climatic Stressors. – Hieronymus, 1997.
4. Umut Tosun. Is Climatic Reliability Endangered by LeadFree Assemblies? –
SMTA Boston chapter meeting, November 2005.
ПЕЧАТНЫЙ МОНТАЖ 3/2007
19