焊接後的隱藏威脅:助焊劑殘留如何影響電子性能?

電子零件在焊接的時候需要使用助焊劑(flux)來幫助去除氧化物並形成良好的金屬鍵結,但是助焊劑殘留物卻也可能造成電子故障。

不過在我們深入了解「助焊劑殘留物為何會導致電子故障?」這個問題前,建議讀者先閱讀另一篇文章,了解什麼是助焊劑?助焊劑又包含有那些化學成分?

當我們了解了助焊劑的成分與作用後,就可以來進一步探討「助焊劑殘留物為何會導致電子故障?」這個問題了。

1. 助焊劑殘留造成電子訊號接觸不良

助焊劑中的樹脂松香在焊接後會在焊點的表面形成透明的薄膜,這層薄膜在乾燥的時候具備高阻抗,如果更好落在電子訊號的接觸點,就會影響到電子訊號的傳遞。

常見的問題是OSP板子測試點(test point)印刷錫膏,回焊後助焊劑薄膜阻隔了測試探針的接觸,影響測試的成功率。

探針的助焊劑殘留太多 探針的助焊劑殘留良好
flux_residium_bad flux_residium_good

另外,焊接過程的高溫會氣化助焊劑,如果助焊劑飄到了電子零件內部並沾附在電子訊號的接觸點上,就會造成接觸不良的情形。比如微動開關內部的金屬簧片接觸不良,以及彈簧針(Pogo pin)的接觸不良。而這類電子零件內部因為助焊劑接觸不良的問題,也不全是助焊劑氣化沾附所致,有許多原因是焊接後使用溶劑清洗操作不當,而讓原本在零件外部的助焊劑順著溶劑流進到零件內部所造成的。

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2. 助焊劑殘留造成漏電流、信號干擾、微短路、電化學遷移

助焊劑中的活化劑通常包含酸劑,焊接後,未揮發或未完全氣化的酸劑會混雜松香殘物,形成一層薄膜。在乾燥的環境下,這層薄膜具有高阻抗,因此不會造成明顯的電性能問題。然而,如果長期暴露在潮濕環境下,這層薄膜就會吸附水氣變得黏稠,並與灰塵及其他導電性汙染物結合,形成可以導電的水膜。這層水膜會降低PCB的表面絕緣阻抗,從而產生漏電流現象(即不預期的電流從一個導體或焊點流向接地)。在高密度封裝(如BGA、QFP)或細間距焊點的PCB中,漏電流可能導致信號干擾,甚至引發設備異常運行,或加速電池電量的消耗。此外,潮濕環境中的水氣與殘留的酸劑或其他離子污染物,可能結合形成電解質。在電場作用下,金屬(如銅)會被氧化成陽離子,並通過水膜向陰極遷移,這便是電化學遷移(ECM)的過程。在遷移過程中,金屬離子會在陰極處沉積,形成金屬枝晶,可能導致間歇性或永久性短路。而在陽極,金屬的持續氧化溶解則會進一步腐蝕銅箔或焊點,對PCB的可靠性構成嚴重威脅。

3. 助焊劑殘留物使得表面塗層(保護漆、三防漆)附著力下降,可能導致塗層剝落

焊接之後,在焊點及其周圍都會覆蓋一層助焊劑殘留物薄膜,這層薄膜如果未被有效清潔,就會阻礙三防漆(conformal coating)或保護漆與PCB基材表面形成穩定結合,導致附著力下降。在沒有濕度管控的環境下,這層薄膜可能吸附水氣,會在塗層與基材之間形成微小的水膜,並可能吸附灰塵及其他汙染物,導致塗層附著力更進一步下降或產生氣泡,這在潮濕或高溫環境下尤其明顯。在後續的使用環境中,PCB可能會經歷反覆的溫度變化(如高低溫循環或熱衝擊),殘留物的存在可能導致塗層與基材界面產生不同的熱膨脹應力,導致塗層附著力劣化,甚至剝落。高端的產品通常要求在表面塗層作業前,徹底清潔助焊劑殘留物,以確保塗層的附著力和可靠性。對於一般產品,大多直接在未清潔的PCB表面進行塗層作業,但建議在決定清洗與否之前,進行以下測試:

    • 溫度循環測試:模擬實際環境中的熱衝擊與溫濕度變化對塗層可靠性的影響。

    • 附著力測試: 如 ASTM D3359 標準中的膠帶撕拉測試,作百格測試,檢驗塗層的附著性。

需要注意的是,助焊劑殘留物的分布與PCB的零件密度和焊接區域密切相關,通常在錫膏印刷的位置及其周圍更容易殘留助焊劑。而塗層的附著力也會受到PCB防焊層表面粗糙度的影響。適當的表面粗化處理(如等離子清洗或化學粗化)可以提高塗層的附著力。因此,是否需要清洗助焊劑殘留應視具體情況而定,是一個需要根據產品應用、環境需求及測試結果「case by case」評估的決策。


延伸閱讀:

 
 
訪客留言內容(Comments)

已经深得此Flux的伤害,但又不得不用!

JC,
至少已經知道了問題在那哩,也就可以對症下藥了!


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