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表面绝缘阻抗测试的几个概念

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表面绝缘阻抗测试的几个概念

发布日期:2019-08-12 作者: 点击:

自从晶体管,线路板的诞生之日开始表面阻抗测试SIR/离子迁移测试就成为一个常见的测试工具,我们可以用此工具进行以下的测试:来料检验,材料特性检测和验证,失效分析,品质一致性检查,产品寿命的预测分析等。

什么是SIR测试

在电子制造领域,SIR被认为是评估用户线路板组装材料的有效评估手段。SIR测试可以用来评估金属导体之间短路或者电流泄露造成的问题。这些失效通常是由于材料的交互性,工艺控制上的疏忽,或者材料本身特性不能达到用户所需要的性能。通过加速温湿度的变化,SIR能够测量测试在特定时间内电流的变化。表面绝缘阻抗(SURFACE INSULATION RESISTANCE)可以定义为两个电路导体之间的电阻。方块电阻, 体电导率,和电解污染泄漏 极化污染都可以成为影响表面绝缘电阻变化的因素,我们也可以将表面电阻理解成为整个电路阻止引脚或者引脚表面短路的能力。

在电子制造领域电路板的清洁度也被普遍认为是影响长期可靠性和性能的重要因素。所以监控其清洁度/污染程度的手段也是必不可少的手段。表面绝缘阻抗(SIR)测试数据可以直接反映其清洁度。这也是为什么电路板制造商,助焊剂,涂覆材料和电子产品组装厂商也往往将SIR将作为一个重要的工艺和产品控制工具。

电化学迁移 :(Electrochemical Migration):

此定义不包括的现象如:在半导体中的场致金属迁移和由金属腐蚀引起的产品污染物的扩散。

电化学迁移可以定义为在电路板上的导电金属纤维在偏置直流电压下生长。这个现象可能在电路板内部,外部,或者多层板材料间发生。由于阳极离子会溶于溶液中,通过电场的作用,从而在阴极上沉积最终造成金属纤维的生长。

印刷电路板表面受外在离子污染或因腐蚀后铜焊盘表面所产生的离子,将从印刷电路板表面的阳极透过印刷电路板的内层向阴极沉积造成漏(导)电现象。

电化学迁移通常造成两种现象。当污染存在时,在一定的电压的作用下,在阳极和阴极之间形成表面的晶枝生长。当接触面为锡铅焊锡时,铅晶枝会形成树状结构内部,而锡晶枝多为雪花结构。如果偏置电压足够高,在阳极和阴极之间的晶枝会凸出,造成本地的破碎结构。第二种常见的电化学现象就是发生导电阳极丝现象(CAF)。

当一种材料或材料体系在一个潮湿的环境中进行测试时,水蒸汽可以结合离子或无机污染物,生产电解液。随后金属通过表面的电解液作为移动离子的载体,从阳极迁移到阴极。这实质上是一种微观的电镀过程。电化学金属迁移发生的速率依电解液的PH值,离子的迁移率,阳极-阴极距离,相关的金属特性和电势的大小不同而不同。电化学金属迁移测试的典型做法是使用范围从10至100伏的直流电电压进行测试。

电化学金属迁移特别是与金属离子迁移、导电阳极丝的生成相关的都是不可不免的。如果存在一个电解液,离子(如氯离子)可以从阴极流向阳极,产生漏电流,但金属迁移不一定会同时发生。在SIR/表面绝缘阻抗测试中,您通常不能区分出金属离子迁移引起的漏电流与非金属离子迁移的漏电流之间的区别。

导电阳极丝(CAFs)现象和其他电化学迁移的不一样的地方如下:Conductive AnodicFilaments

(1 )迁移的金属是铜,不是铅或锡。

(2) 导电阳极丝是从阳极向阳极方向生长。

(3) 导电阳极丝是由金属盐类构成的,而不是由中性金属原子构成的。

在导电阳极丝(CAF)生长中,在锡/铅焊料下面的铜基底金属是金属离子的主要来源,该金属离子会在阳极产生电化学反应并沿着玻璃树脂界面进行迁移。在导电阳极丝(CAF)生长中,最常见的阴离子是氯离子(可通过SEM扫描电镜/EDX能量色散X荧光光谱仪来测定),溴离子也可能被观测到。测试模型必须依靠于对温度,相对湿度和电压的失效率来研发(见参考文献11)。导电阳极丝(CAF)的形成可通过较低的电压如50V的直流电来观测。

标准和测试载具

由IPC(美国电子工业联接协会),贝尔实验室和日本工业标准来制定的多个业内标准,该些标准用于界定助焊剂,残余物和敷形涂料。标准的使用,测试的条件和SIR模型的布局由被测材料本身特性来决定。行业认可的测试模型作为Gerber/光绘文件可以通过IPC或者贝尔实验室查询到。多数裸板制作商都熟知SIR测试模型Gerber/光绘资料可以降低生产测试样品的成本。表1-1列出了一些常见测试模型的典型应用。最常见的测试之一是使用IPCTM -650 -2.6.3.3。在85%相对湿度和温度85ºC下,使用一个标准梳装模型,此类型的测试适用于表征助焊剂。

SIR/表面绝缘阻抗是否适合您?

如果您计划改进您的制造工艺,那么SIR/表面绝缘阻抗是您需要考虑购买的设备。

•变动电路板设计或布局

•更改清洁材料或工艺

•变更助焊剂和/或锡膏

•变更回流焊或波峰焊工艺

•使用新色敷形涂料或工艺

•考核裸板供应商资质

•基于可靠性的产品标定

常见的测试夹具

测试夹具 测试对象 注解

IPC-B-24 液体助焊剂,锡膏,涂覆材料 波峰焊工艺评估

IPC-B-36 助焊剂,锡膏,清洗材料,清洗工艺,涂覆材料 评估工艺

IPC-B-25IPC-B-25A 阻焊膜,涂覆材料

BELLCORE测试夹具 助焊剂,锡膏,清洗材料,清洗工艺,涂覆材料

低残留焊接工作组测试夹具 助焊剂,锡膏 用于评估高可靠性,免洗工艺的评估

测试夹具

测试对象

注解

IPC-B-24

液体助焊剂,锡膏,涂覆材料

波峰焊工艺评估

IPC-B-36

助焊剂,锡膏,清洗材料,清洗工艺,涂覆材料

评估工艺

IPC-B-25

IPC-B-25A

阻焊膜,涂覆材料

BELLCORE测试夹具

助焊剂,锡膏,清洗材料,清洗工艺,涂覆材料

低残留焊接工作组测试夹具

助焊剂,锡膏

用于评估高可靠性,免洗工艺的评估

温湿度对不同助焊剂表面绝缘阻抗值的影响

一、前言

表面绝缘阻抗(简称 SIR)被广泛用来评估污染物对组装件可靠度的影响。与其他方法比较,SIR的优点是除了可侦测局部的污染外,亦可测得离子及非离子污染物对印刷电路板(PCB)可靠度的影响。

在 PCB组装製程中,目前使用几种不同的助焊剂。而且在hot air solderlevelling(HASL)製程喷锡时也使用助焊剂,这些助焊剂大都含有PEG(polyethylene)或 PPG(polypropyleneglycol),当这些glycol物质被吸附在PCB基材时,即不容易被去除。因此若有少量助焊剂残留在PCB上,那SIR值就会明显下降,导致绝缘效果不良,电性容易失效。

现今助焊剂複杂的化学特性需要任何对组成灵敏且可侦测到助焊剂中不同组成间任何整合效应的任何方法,因此测试条件必须对助焊剂稳定性灵敏,特别是羧酸(carboxylic acid)的残留,它们对高温测试是没有抗力的。

本文主要探讨不同助焊剂、助焊剂涂佈量、温度及湿度等因素对SIR的影响。

二、原理

SIR是一个测定基材表面两个金属导体间导电性方法。为了让一个绝缘电路板表面的导电电极间产生电化学移动,必须同时具备以下三个条件:

(1)必须有电荷载体(如离子)存在;

(2)有水存在以溶解离子物质,并维持离子物质在移动离子状态;

(3)在两个电极有电压以促成水层中的电子流。

有其他阴离子存在,如来自松香、弱有机酸或金属複离子等残留助焊剂中的Cl —和C6H9O4—等。如有残留助焊剂的话,就会产生较多离子,因而增加梳状形表面之电荷流动,造成SIR下降。

电解金属移动的步骤,可由图 1来说明:

1、电解溶解:水中金属在阳极氧化成离子。

2、离子流动:金属离子借电子迁移及扩散而流动。

3、电解沉积:金属离子在阴极还原,产生树枝状金属。

若基材表面两个金属导体间有树枝状金属产生,那PCB板可能就会电性失效。要探讨树枝状金属的生长条件,必须要考量整个离子流动速率,因为上述电解溶解、离子流动及电解沉积等三个步骤是一串联之步骤,其中电流是由最慢的反应步骤来控制。SIR值主要是由离子在导体间移动的速率来控制,在不同测试温度及湿度下,使用不同助焊剂及测试板上助焊剂涂布量的多少都会影响离子流动速率。由实验结果发现金属离子流的临界电流密度是产生树枝状金属之主因。由于镍比金容易氧化,依据动力学的考量,主要的反应该是在阴极将镍离子还原成金属镍,在此测试条件下就会产生树枝状之镍。

三、实验

1、样品制备

使用由英国国家物理实验室(National Physical Laboratory,简称NPL)设计的两个梳状形之Au/ Ni电镀测试板。此测试板面积为25.5×26.5mm,有0.64mm和0.32mm梳状形测试区,约2,800个方格。测试板先置入Ionograph 500M设备中,以75% IPA 及25% 去离子水于45℃下清洗之,直至最后的导电度小于0.01ms/cm才可。

本文使用4种助焊剂、每种助焊剂有3种不同涂布量。上助焊剂时将测试板放在60℃之加热板上,以确保滴下去的助焊剂均匀涂布在SIR测试梳状形上,不扩散到外部,而且助焊剂要滴在梳状形中间,面积约1.6cm2,上完助焊剂之测试板置于室温16小时让助焊剂干燥。

2、助焊剂及测试条件

四种助焊剂的成份如下:

(1 )RMA助焊剂:松香类,以0.5%卤素活化过,商品名Actiec 5,由multicore公司提供,是IEC68-2-20规定的一种标准测试助焊剂。

(2 )WOA助焊剂;弱有机酸,每升含1.6gadipicacid之IPA溶剂。

(3)PEG助焊剂;含glycol,溶剂为IPA,每升含有1.6g之PEG400,主要用在SMD锡膏之助焊剂及HASL喷锡之助焊剂。

(4 )混合助焊剂(WOA+PEG):混合adipic acid和PEG之助焊剂。

在此实验中混合助焊剂的涂布量(分别为6, 15, 30 ml)与其他三种助焊剂的涂布量不同(分别为30, 100, 300 ml),主要是因为混合助焊剂的SIR值对助焊剂涂布量相当敏感,所以采用较低的涂布量来测试其对SIR之影响。

3、SIR测定SIR测定是用5V DC偏压,测定时间为48小时。利用Concoat AutoSIR仪器监测16 个频道,每10分钟自动测得一次SIR值。该仪器的电流灵敏6度为2×10 -12A,在每一个测定频道连接一个10 Ω电阻。每个测试条件有2片测试板,每片测试板有2种测试型式,因此每个测试条件有4组测试数据,最后结果以平均值表示之。

4、电子显微镜之能量分散光谱仪分析利用电子显微镜之能量分散光谱仪(SEM-EDX)来分析SIR测定失败之测试板,发现在两个线路中间有树枝状金属产生。

四、结果

使用RMA、WOA和PEG等助焊剂的测试板,在开始一段时间后,其SIR值随着时间而缓缓增加,但WOA+PEG助焊剂并无此趋势,在某些条件下其SIR值改变快速。

RMA助焊剂在4种不同温度及湿度条件下,其SIR值变化趋势非常相似,而PEG助焊剂亦有类似情形。

WOA助焊剂的SIR值随助焊剂涂布量及测试条件改变(图2),针对涂布量少的WOA助焊剂而言,其SIR值随着温度升高而增加,可能是因为助焊剂蒸发而清洁了测试板。在本实验设定的所有测试环境中,若增加PEG助焊剂的量,则其SIR值会有明显的下降,RMA助焊剂在较温和的条件下也有类似的情况发生,但若在较严苛的条件下,其SIR值与涂布量无关,会趋近于10 8Ω。

图3为WOA+PEG助焊剂在各种不同参数及环境下所测得SIR变化结果。图4显示干净之基板置于各种不同的温湿度环境中之SIR值,很明显可看出其SIR值与助焊剂种类无关但会随测试温度及湿度而改变。当做控片用且未加任何助焊剂之清洁板在50℃/85%RH和65℃/65%RH之测试条件下其SIR最高,65℃/85%RH之SIR居中,在85℃/85 %RH之SIR值最低,这些情况可能是因板子在较高测试湿度下,因吸水性较多,较容易吸附离子,所以当测试时间增长则其SIR会变得更小。

图3显示WOA+PEG混合助焊剂在50℃/85%RH和65℃/85%RH之测试条件且助焊剂涂布量为15 µl和30 µl时,其SIR值会有急速的改变,当这些SIR值急速发生变化时,在阴极都可发现有树枝状结构之金属物。RMA及PEG助焊剂随着时间拉长其SIR值有增加趋势,主要原因为离子吸附在电极上致无电流产生,SIR值就会增加。但WOA助焊剂和WOA +PEG混合助焊剂在85℃时其SIR值随着时间增加,远比65℃时快,主要原因为WOA助焊剂在高温较易蒸发,如图2可明显看出WOA含量30 µl在85℃/85%RH下测试15小时后其SIR值就和清洁板相同;同样在100μl之WOA助焊剂其SIR值也随时间增加而增加很快,但在300μl之WOA助焊剂随着时间增加其SIR值增加较缓慢。

WOA+PEG混合助焊剂涂布的基板,测试温度为50∼60℃/湿度85%&

五、结论

1、SIR值与温湿度的关系密切,即增加温湿度会使SIR值下降,但对于含有adipic acid的助焊剂或较易挥发的助焊剂而言,温度增加可能造成SIR值上升,亦即对此类助焊剂而言,85℃的测试环境将是过高的。

2、PEG和RMA助焊剂被证实是较不易随着测试环境的改变而改变的助焊剂,但PEG+WOA及WOA两型助焊剂的SIR值较不稳定,虽然混合型助焊剂在商业上的使用较不常见,但对于了解助焊剂的特性及树枝状金属结构的形成原因则是非常有帮助的。

3、每10分钟监测1次SIR值可以清楚追踪树枝状结构的形成。 SIR值的快速改变可能是脆性结构形成的结果,但若以现今规范所订的条件,即置于温湿柜后1天、4天、7天来量测SIR值时,则可能会错失一些重要的数据改变点,因一旦树枝状结构产生便会造成SIR值的急速改变,所以SIR值的急速改变可视为测定失败的判定准则。

4、测试板涂有adipicacid + PEG400的助焊剂且其量为15及30μl时,并将

之置于65℃/85%和50℃/85%的环境中,发现有树枝状结构形成。树枝状结构的形成与助焊剂的涂布量有关,因若使用WOA助焊剂而又有残留时,则会使测试板的线路因树枝状结构形成而造成不良。

5、WOA助焊剂之SIR值对湿度的变化相当明显,所以使用此型助焊剂时应小心控制其湿度,由于目前大部份的温湿柜皆使用干、湿球方法,所以高湿时若有小量的温差将会造成很大的湿度误差。

6、SIR值与湿度的关系相当密切,所以超过85%时,操作应非常小心。

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关键词:绝缘,测试

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