PCBA器件自行脱落原因及改善措施

摘要：针对某电源模块服役一段时间后个别器件自行脱落的问题，利用超景深数码显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪等对脱落失效器件和残余物质进行了分析。发现模块脱落原因是三防工艺不当，三防胶存在孔洞。此产品在沿海城市使用，外界的水汽和盐雾等物质由孔洞进入器件引脚与三防胶界面，造成离子污染。工作时，在电场的作用下，金属引脚焊点发生电化学腐蚀，出现腐蚀孔洞，随着时间的推移，腐蚀孔洞增大，导致器件脱落。对失效原因和机理进行了系统的分析，并提供了相应的解决方案。

关键词：器件脱落；三防工艺；异物残留；失效分析；电化学腐蚀

电子电气设备在使用时会受到环境中灰尘、潮湿、霉菌、盐雾和腐蚀性气体等的侵蚀，引起线路板及其元器件腐蚀、软化、变形和霉变等问题[1]，导致漏电、短路和器件失效等故障，影响产品质量。

目前常采用三防工艺进行防护，提高产品的性能稳定性及质量可靠性。在印制线路板及其相关分立器件、集成电路的表面涂覆一层三防胶，固化后形成一层透明的聚合物涂覆层，将电子线路板元器件与其工作环境有效地隔离，使其免遭恶劣环境的侵蚀，达到长期防潮、防霉和防盐雾侵蚀的作用，延长设备的使用寿命，确保使用的安全性和可靠性[2]。三防胶工艺厚度控制不良、工艺过程中卤素残留造成的失效，不仅会造成时间和经济损失，还存在很大的安全隐患[3]。

本文对鲜见的涂覆三防后仍发生腐蚀，导致器件脱落的案例进行了分析，并提出了相应的改进意见，对于相关问题的解决有一定的指导意义。

1 背景及问题排查

某公司电路板于2016年生产组装，通过了各种试验，检验合格后交付使用。用于某沿海地区产品中，在使用两年后发现产品出现故障，经过拆卸排查，发现印制板上一SOP（Small Out-Line Package，小外形封装）封装器件脱落，引脚附近残留黄色颗粒状异物。

根据以上观察到的特征，初步怀疑是腐蚀造成的，但是该器件已涂覆三防胶，腐蚀是如何发生的？经了解，该批次电路板是按照先回流焊表面贴装器件，后波峰焊插装器件的工序生产。推测腐蚀物有以下几种可能的来源：1）锡膏残留；2）助焊剂残留；3）三防胶引入；4）波峰焊焊接过程引入。经检查，所用锡膏是无卤素免洗锡膏，并且其他器件无腐蚀脱落的现象，因此锡膏残留物导致的可能性很小。对生产所用的三防胶及助焊剂进行了成分检测，并未发现异常元素超标。排除前三种可能。对于可能的原因4，为判断器件腐蚀脱落是否与波峰焊工艺有关，取相同印制板与器件，采用手工焊工艺进行器件焊接。模拟失效印制板工作环境，对手工焊印制板（实验板）进行循环使用实验，发现实验板也出现腐蚀情况，不同焊接工艺均出现腐蚀现象，排除波峰焊焊接过程引入腐蚀物的可能。为找到腐蚀原因，对发生腐蚀的实验板和器件脱落失效印制板（故障板）一同进行检测观察。

图1 故障板焊盘多余物处宏观及局部放大图

2、宏观检查

对故障板脱落器件焊盘处进行表面观察，可以看到焊盘处有明显残留的多余物。实验板对应器件

引脚处也存在黄绿色多余物。用超景深数码显微镜分别对故障板脱落器件焊盘多余物处和实验板对应器件引脚多余物处进行放大立体观察，如图1和图2所示。

由图1可以看出，故障板脱落器件焊盘处多余物呈盐粒状，淡黄色。图2中实验板SOP器件引脚处也发现黄绿色多余物，在多余物聚集处发现三防胶孔洞，多余物分布在三防胶孔洞周围。初步判断异物的出现与三防胶孔洞有关。三防胶出现孔洞，未能实现预期防护功能，导致腐蚀现象发生。

图2 实验电路板对应器件引脚多余物处宏观及局部放大图

3、微观观察及成分分析

为分析腐蚀机理，对多余物进行进一步观察分析。用扫描电子显微镜对故障板焊盘多余物和实验板器件引脚多余物进行放大观察，配合能谱仪进行多余物成分分析。故障板和实验板多余物成分含量表分别见表1和表2。

表1 故障板焊盘多余物元素成分含量表

表2 实验板器件引脚处多余物元素成分含量表

在故障板和实验板多余物中都检验出了Cl元素。进行元素分布分析，如图3所示，发现Cl元素存在区域的形状轮廓与多余物轮廓相吻合。说明多余物的出现很可能与Cl元素有关。

对实验板多余物所在引脚截面进行微观观察及成分分析。如图4所示，可以看出多余物覆盖处引脚出现腐蚀形貌，在引脚表面区域出现纵深发展的腐蚀孔，其余区域腐蚀轻微，这是典型的点蚀形貌。

用能谱仪对腐蚀孔处元素成分进行分析，元素成分含量见表3。

腐蚀孔处Cl元素含量很高，提供了点蚀发生所需的活性阴离子Cl-，这些活性阴离子首先被吸附在金属表面某些点上，使金属表面钝化膜发生破坏。一旦这层钝化膜被破坏又缺乏自钝化能力时，金属表面就发生腐蚀。这是因为在金属表面缺陷处易漏出机体金属，使其呈活化状态，而钝化膜处仍为钝态，这样就形成了活性-钝性腐蚀电池。器件使用过程中，电流通过引脚，在电场作用下，引脚处形成电解池，Cu引脚发生电解腐蚀反应。反应原理图如图5所示。

图5 引脚腐蚀处电化学反应原理图

暴露出来的活化状态的铜作为阳极，在电场作用下发生氧化反应：Cu-2e- →Cu2+，Cu-e-→Cu+形成铜离子Cu2+和微量的亚铜离子Cu+。

Cu2+离子与游离在附近的Cl-离子反应，生成CuCl2：Cu2++2Cl-→CuCl2

同时，在海水提供的碱性环境中，亚铜离子也会发生反应：

图5 引脚腐蚀处电化学反应原理图Cu++OH-→CuOH；

2CuOH＝Cu2O+H2O（氢氧化亚铜易分解为氧化亚铜）CuCl2和絮状Cu2O混合在一起，构成引脚腐蚀处的多余物。如图3中元素分布情况所示，Cu、Cl均分布在引脚多余物处，O含量在多余物处也较多，印证了这一结论。

由于暴露出来的活化状态铜阳极面积比钝化状态阴极面积小得多，阳极电流密度很大，所以腐蚀

往深处发展，金属表面很快就被腐蚀成小孔。腐蚀状况不断加深，孔深度和面积增加，连成大孔。引脚力学性能降低，直至断裂，造成器件脱落。

4 结论与建议

结合宏观、微观放大观察及多余物元素成分分析，可以确定模块脱落原因是三防胶存在孔洞，没

有对焊接处达到防潮、防霉和防盐雾的效果。此产品在沿海城市使用，外界的水汽、盐雾等物质由孔洞进入器件引脚与三防胶界面，造成离子污染。工作时，在电场的作用下，水汽与游离态的离子（如氯离子Cl－）构成具有导电能力的离子导体。金属电极及离子（Cl-）导体（电解质）形成了电解池，铜引脚发生电化学腐蚀，滋生异物，金属引脚表面被腐蚀成小孔。腐蚀状况加深，小孔连成大孔，引脚力学性能降低、断裂，最终导致模块脱落。

三防胶产生气泡的原因有如下几种[4]：

1）涂覆之前，混合时剧烈搅拌形成的气泡未完全消失；

2）炉温曲线不合理，由于炉温太高，表层快速结皮，太多的溶剂留在漆膜中，表层之下的溶剂快

速挥发；

3）流平挥发区域排风不合理；

4）三防胶黏度过高或厚度过厚，导致气泡无法迅速释放；

5）基材表面有残留溶剂、水分或杂质。

针对以上情况，为避免脱落失效再次发生，建议：

1）混合搅拌后静置足够时间再涂覆；

2）优化炉温曲线，降低炉温曲线爬坡坡度；

3）采取措施增加固化前溶剂挥发量，如增加烘

烤前自干的时间；

4）涂覆时合理控制三防胶黏度及涂覆厚度，减少重叠涂覆区域；

5）涂覆前彻底清洁烘干基材与器件，去除残留物与水分；

6）在三防漆涂覆工序之后增加外观检测环节，及时发现涂覆孔洞问题，进行处理。