PCBA 失效原因分析

王新娟，饶丹丹

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏苏州215011）

PCBA 失效原因分析

王新娟，饶丹丹

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏苏州215011）

院对长期在沿海地区使用的某电表的PCBA上的部分元器件出现腐蚀现象的原因进行了分析，通过分析发现，该PCBA上的部分元器件被腐蚀是由于三防工艺不当尧电化学腐蚀尧银迁移和卤素污染造成的遥对各种失效现象的机理进行了详细的解释，并提出了相应的改进意见，对于该产品可靠性和使用寿命的提高具有一定的指导意义遥

院失效分析曰失效机理曰三防漆曰银迁移曰电化学腐蚀曰卤素

0 引言

随着电子产品的功能向集成化尧智能化的方向不断发展，其电子元器件尧电子组件的尺寸也在向微型化尧集约化的方向不断发展，这就相应地对PCBA的制程工艺尧三防工艺提出了更高的要求遥近年来，三防漆工艺厚度控制不良造成的器件腐蚀失效尧工艺过程中的卤素残留造成的腐蚀失效甚至电化学腐蚀失效尧银迁移导致的失效等案例屡见不鲜，造成了时间和金钱的双重损失[1]遥因此，本文对PCBA的各种失效现象进行了分析，并提出了相应的改进意见，对于提高其质量和可靠性具有一定的指导意义遥

1 背景及失效现象

某品牌的电表，因长期在沿海地区使用，经过一段服役时间后其内部组件PCBA样品上的部分元器件出现了腐蚀现象，样品外观如图1所示遥

图1 样品外观图片

对失效样品进行外观检查，结果发现失效样品上的部分元器件存在腐蚀现象，加电且表面涂有三防漆的元器件腐蚀程度严重曰未加电但涂三防漆的区域的元器件未见腐蚀，并且三防漆涂覆得较厚的区域的元器件的腐蚀程度更严重，样品外观检查的代表性图片如图2-3所示遥

图2 样品外观检查图片

图3 样品外观检查及对比图片

2 失效机理解析

2.1 三防漆工艺

三防漆是一种特殊配方的涂料，涂覆在被保护电路板和相关设备的表面时，可以使其免受环境中的有害因素的影响与侵蚀，从而延长组件和设备的使用寿命，确保使用的安全性和可靠性，主要用于防水尧防尘和防霉遥三防漆工艺在军用装备和可靠性要求较高的电子产品组件中的使用较为常见，是避免产品可靠性降低或劣化的一种有效的防护手段，但是，使用不当时，其不仅不会提高产品的可靠性，而且还会为后期返工带来诸多的不利因素遥

首先，利用扫描电镜（SEM）技术对腐蚀的器件进行观察，所得的结果如图4所示遥从图4中可以看出，器件焊点表面的三防漆有开裂的现象遥

图4 焊点腐蚀及器件的SEM形貌

三防漆的涂覆一般有两种方式，一种是机器喷涂，另外一种是手工喷涂遥无论采用哪种方式，为了增加三防漆的流动性，通常都会增加稀释剂来降低三防漆的黏度遥涂覆后，在重力的作用下三防漆会在器件的表面流动，若因某些因素导致涂覆不均匀或涂覆过薄的话就不可能形成理想的保护层曰若涂覆过厚，又会因三防漆的固化放热等因素带来不良的内部应力，同时影响产品的介电性和散热性遥通常，三防漆的涂覆厚度应控制在20～200滋m[1]之间为宜，本实验样品的三防漆的厚度显然控制得不均匀，部分表面涂覆得较厚，部分表面涂覆得较薄遥长期使用后，厚的部分在内外应力的作用下出现开裂，外来的水汽或其他杂质进入器件与三防漆界面，水汽与游离态的离子（如Cl-）构成具有导电能力的离子导体，在外加电场的情况下阳极端发生电化学腐蚀遥

2.2 电化学腐蚀机理

对腐蚀的样品进行金相切片分析，发现部分焊点的焊料已被完全腐蚀，代表性金相截面的SEM图片如图5所示遥

图5 部分腐蚀焊点的金相截面SEM图

下面，我们将对焊点部位发生电化学腐蚀的原因进行解释遥如图6所示，当合上开关，在通电流的情况下，直流电源（高电位）电流经过导线（可以是铜线/铜焊盘）流向焊点（锡或铅），当导线与焊点接触良好，即导线接触点处不存在电解装置时，电流通过锡/铅金属导体后流向阴极，但当焊锡与阴极（可以是锡或铜或铅）接触部位内残存杂质尧气体或吸潮时，导线接触点处容易形成电池装置，此时，锡等金属作为阳极被腐蚀掉，而阴极部位则因牺牲阳极保护效应（电位低于阴极金属放电子电位）而得到了保护遥

图6 加速阳极腐蚀示意图

2.3 银迁移机理

能谱仪（EDS）分析发现器件边缘有银迁移现象，如图7-8所示遥

图7 器件边缘板面区域SEM图

众所周知，银具有优良的导电性尧导热性尧可焊性和低接触电阻，普遍地应用在电子电气产品及其组件的互联工艺中，同时，银也是所有可能发生迁移的金属（包括银尧铅尧铜尧锡和金等）中最易迁移且迁移速率最高的金属遥在与银接触的电绝缘体的表面或内部，只要存在湿气和持续电压的条件，就足以诱发银发生迁移遥银迁移的机理[2]如下所述遥

金属Ag因电极间的电位差及从周围环境吸附的水而发生电离:

AgOH分解，在阳极端形成Ag2O:

2AgOH≒Ag2O+H2O

生成的Ag2O和水反应，生成Ag+，向阴极移动，析出后再次形成阴沉积:

2.4 卤素的污染及控制

2.4.1 EDS分析

通过EDS分析，可以发现腐蚀焊点的表面含有Cl元素，具体的SEM形貌和EDS谱图如图9-11所示遥

图9 腐蚀焊点和异常区域SEM图

图10 焊点EDS结果图

图11 异常区域EDS结果图

2.4.2 离子色谱法分析

分别对腐蚀区域和未腐蚀区域整体进行离子色谱分析，结果如图12-13所示遥对比图12-13可以看出，腐蚀区域Cl-的含量比未腐蚀区域的高遥

图12 腐蚀区域的离子色谱分析结果

图13 未腐蚀区域的离子色谱分析结果

腐蚀焊点的表面之所以含有Cl元素，是因为:在印制电路板的制程中，不可避免地要使用助焊剂，几十年来，在电子产品的锡焊工艺过程中，一般多使用含卤化物组成的松香树脂系助焊剂，这类助焊剂可焊性好尧成本低，但焊后残留物的含量高，其残留物中的卤素离子是元器件腐蚀尧电气绝缘性能下降和短路的必要因素，所以，使用此类助焊剂后必须对电子印制板进行清洗遥但是，清洗后也不代表一劳永逸，电子电气组件的微型化及其结构的复杂化，使其本身具有较多的微细结构，残留离子存在于这些结构中时就很难被清洗干净遥在这些结构中，若毛细管的半径在3滋m以下，当空气湿度为70%时就易在其中形成水膜，也就是所谓的野结露冶现象曰若此时金属表面再有尘埃尧污物等杂质存在，则其对水汽的吸附就会更快遥那么，卤素离子，如Cl-便很容易水化成强酸性的HCl水溶液，也就是大家熟知的盐酸，腐蚀也就随着时间的推移成为了必然遥一般来说，金属表面水膜厚度在1滋m时[3]，腐蚀最严重遥

3 结束语

PCBA上的部分元器件被腐蚀的原因为:1）三防漆工艺喷涂不均匀，某些部位明显地偏薄，局部过厚，过厚部位的三防漆在应力释放不良时开裂，从而导致该部件的元器件因失去三防漆的保护而被腐蚀曰2）金属电极和离子（Cl-）导体（电解质）形成了电解池，锡等金属作为阳极被加速地腐蚀掉曰3）银电容本体在存在湿气和持续电压的条件下发生了迁移现象，外观表现为金属银的枝晶状生长曰4）外界环境的大气吸附或制程过程中残留含Cl的元素遥

综上所述，PCBA的三防工艺控制尧工艺辅料尧元器件的选择和产品的使用环境等因素均是促成PCBA被腐蚀的原因遥要想提高该产品的可靠性和使用寿命，就必须从源头把好关，合理地设计三防工艺和制程工艺曰制定有效的措施来规避制程工艺中的离子污染尧化学迁移等现象的发生曰做好来料控制，降低银迁移的发生几率，从而降低产品的失效率遥

院

[1]朱旺.海洋性气候条件下的三防工艺研究[J].电子工艺技术，2010，31（1）:54-57.

[2]嵇永康，胡培荣，卫中领.银镀层中银离子的迁移现象[J].2008，27（8）:18-20.

[3]苑国良.电子元器件发生腐蚀的原因[J].电气时代，2008（2）:104-105.

[4]楼倩.PCBA失效分析案例解析[J].电子产品可靠性与环境试验，2012，30（S1）:171-174.

[5]罗道军，汪洋.PCBA异常爆板失效案例的研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2009，27（S1）:94-98.

[6]饶丹丹，楼倩，杨文静.PCB&PCBA-PTH失效原因分析[J].电子产品可靠性与环境试验，2015，33（1）:11-14.

Failure Cause Analysis of PCBA

WANG Xinjuan，RAO Dandan
（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

The reasons for the corrosion of some components on the PCBA of a meter long-term used in coastal area are analyzed，and through the analysis，it is found that the corrosion of the components is caused by improper anti-corrosion technique，electrochemical corrosion，silver migration and halogen pollution.The mechanism of all kinds of failure phenomena is explained in detail，and the corresponding improvement measures are put forward，which has certain guiding significance for the improvement of the reliability and service life of the product.

failure analysis曰failure mechanism曰three-proofing lacquer曰silver migration曰electrochemical corrosion曰halogen

院TN 41

院A

院1672-5468（2017）03-0007-07

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.03.002

院2016-09-26

院王新娟（1978-），女，山东莱州人，工业和信息化部电子第五研究所华东分所工程师，主要从事可靠性分析检测技术的客户服务和管理工作。