IPC CH-65B CHINESE.pdf - 第82页

定结构形成一个阴离子。当一个高正性金属与一个高负性非金属结合，多余的电子就从金属原子转移到非金属原子。这个反应产生的金属阳离子和非金属阴离子之间相互吸引形成盐。在钠的原子构成中有一价电子。 13 有一个电子在它的外层能级处，钠失去一个电子留下钠离子，其质子比电子多，结果 …

仅仅只是外观问题或许无形的但毁坏性非常大的非离子残留物才是真正的灾难，尤其在更高的湿度

环境时。

对于逐渐增加的清洁免洗残留的原因是助焊剂残留扭曲组装表面拓扑结构，尤其在频率增加时，导致

电气性能的退化。（见Effect of Post-Reflow, o-CleanSolder Paste Residues on Electrical Performance；

A. Beikmohamadi, 43rd Electronic Components and Technology Conference,June 1-4, 1993.）这种情况下

用不同的频率，在不同级别助焊剂残留的测试电路板上外加方波的失真能被定量测

量。

所有这些因素或许导致为什么OEM可以选择清洗低残留助焊剂最敏感的原因就是，和改变一种文化

相比，改变一种材料或者工艺更容易些。实现一个真正的免洗组装工艺包含很多种变化，每种变化

如果处理不好都会对组装的可靠性带来不利的影响。它涉及对供应商实施控制，新材料和可能的新

设备的选择，对储存和处理实施控制，以及大量的人员再培训。对于一个成功的免洗工艺

，易被忘

记的最重要的因素是采用严格的板子和元器件可焊性标准来对付使用的非常温和的焊接材料。这

样，免清洗的组装者就失去了向更有活性的助焊剂和焊膏步进的工艺灵活性，以补偿最低限度的可

焊性，知道任何残留基本上都能在清洗工艺中完全被去除。因大量节省成本的观念作祟，导致缩

短清洗流程、减少清洗药剂以及通常员工草率行事，但事实上这些因素都

是重要且有价值的。

IPC J-STD-001明显将材料兼容性测试的负担压在OEM肩上。当选择低残留助焊剂或者焊膏时，OEM

必须选择一种可与选定化学清洗剂清洁的助焊剂/膏。不是所有的低残留助焊剂都能被清洗掉，或者

至少可以清洁充分到可接受的水平。

因此，有许多正当的原因，就是为什么OEM持续使用清洗工艺，即使是使用低残留或者免清洗助焊

剂。

7.4 离⼦残留原子的原子核被周围的电子包围，核外

电子按照一系列规则排列，或者基于元素的

原子能量级别排列。

能级越是接近原子核，位于该能级电子就会越强烈地被原子核吸引，因为两个

带有相反电荷粒子之间的静电引力随着间隔距离的减小而迅速增加。轨道电子按照能级来分类，与

电子与原子核成键强度相关。能级或者壳层从离原子核最近处开始或者用数字1、2、3、4、5、6、7

标识，或者用字母K

、L、M、、O、P、Q来标识。各电子层最多容纳的电子数是2n

， n是电子层

数。因此离原子核最近的层，它的n=1可以包含的最大电子数是2（1）

或者2个电子；第二个轨

道（n=2）或者8个电子；第三个轨道是2（3）

或者是18个电子。

因为原子或者分子中的化合价不等于显现出的质子总数。

电子带负电荷，质子带正电荷。阴离子带

的电子比质子多，产生负电荷。

相反，阳离子是质子比电子多，带正电荷。

离子间键合一般被理

解为化学键合，源于相反电荷的离子间的互相吸引。由于同种电荷的离子互相排斥，所以通常它们

不存在自己身上。相反电荷的离子形成晶格，这样相反电荷的离子就可以互相结合在一起。例如钠

（a+）离子吸引氯离子（Cl-）形成了氯化钠化合物

。这种化合物称为离子化合物，也就是说正电

荷和负电荷通过离子键结合在一起。

最常见的离子键合是金属和非金属之间的化合物。

金属的特征就是带着剩余电子，它们有一种失去

这些多余的电子形成阳离子以达到稳定的结构的趋势。非金属的特征就是带着少量的电子，缺少稳

表7-2 能量级别和最⼤电⼦数

能量级别或者层

最⼤电⼦数，2n

字母标识数字标识

K12

L28

M318

432

O550

2011年7月 IPC-CH-65B-C

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定结构形成一个阴离子。当一个高正性金属与一

个高负性非金属结合，多余的电子就从金属原子

转移到非金属原子。这个反应产生的金属阳离子

和非金属阴离子之间相互吸引形成盐。

在钠的原子构成中有一价电子。

有一个电子在它

的外层能级处，钠失去一个电子留下钠离子，其

质子比电子多，结果钠带一个正电荷。（图7-5）

阴离子是原子或者原子团获得电子，由于带负电

的电子比带正电的质子多，所以它们带负电。卤

素（氯、溴、氟、碘）由于它们外核有7个电子所

以更容易形成最常见的离子。既然8个电子是更稳

定的价构，所

以卤素会获得额外的电子，其电子

比质子多一个所以形成一个带负电的电荷。

钠离子带一个多余的质子，氯离子带一个多余的

电子，在静电引力作用下形成氯化钠化合物（图

7-6）。离子残留是基于离子偶极引力和水以及离

子化合物的内部离子键合力而形成的。

一个离子

化合物形成一个键，水和离子化合物间的偶极力

必须大于离子内部键合。当离子化合物被潮气包

围时，水的双极子包围着离子晶体结构群。水的

偶极子负极吸引着离子的正极并且水的偶极子正

级吸引着离子的负极。如果这个引力强于内部离

子键合，则晶体内部离子键就会被破坏，然后和

水分子形成

水的化合物。

当内部离子键合与单层水化合后离子残留就会造成可靠性风险。一个经典的离子残留案例，如氯化

钠，水合物和溶解离子。在这个例子中，钠离子的正电荷吸引着水分子偶极的负电荷（OH-）。氯离

子中的负电荷吸引着水分子偶极的正电荷(H+)。每个离子被水分子以一个核形式包围。这个核将离

子彼

此隔开，使相反电荷的离子分开。

这些被水包围的离子分散在组装后的电路导线之间。当电路板通电后，这些金属以一种丝状像树枝

一样繁殖生长。电压偏离越强，丝状生长繁殖越快，随着时间推移，丝状生长就会桥接在导线上导

致电气短路。

7.4.1 电化学迁移（ECM）若干因素会影响ECM，包括温度、相对湿度、导线材料电压偏离

、导线

间距、污染类型、污染数量。

离子污染对腐蚀有重要影响。

有很多工艺条件可能在元器件表面或者下面的缝隙中留下组装后残留

物。多种污染源一般发生在元器件入库、焊接过程、焊锡助焊剂残留、清洗过程、敷形涂覆、操作

和包装。电化学迁移的敏感性、树枝状结晶形态和枝晶电阻是离子污染和偏压的函数。氯化物或者

其它离子水平增加会加速迁移过程。在高离子污染水平时，经历失效的可能性会增加。

ECM发生在三个阶段：路径的形成、初始化、树枝状生长。

ECM的产生需要电解质、电压偏离和金

属迁移同时存在。

通过导线上金属的溶解，金属离子通过电解液进行传输，金属沉积在一个相反偏

压的导体上发生初始化。电解液由被溶解的离子、溶剂（代表性溶剂为水）组成。因为电解液溶解污

染物和传输离子至少需要吸收三分子层水。

吸收二十分子层水能使电解液足够深去溶解和移动PCB

表面上的离子。

在板子上金属间的电压偏置作为金属丝迁移的驱动力。

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图7-5 钠原⼦和离⼦

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图7-6 氯原⼦和离⼦

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7.4.1.1 路径形成漏电流随着金属物种在PCB表面或者PCB内层的迁移发生（见Humidity Threshold

Variations for Dendrite Growth on Hybrid Substrates, A. der Madersosian, IPC-TP-156; April, 1977）。漏电

流降低了相邻导线间的表面绝缘。路径形成电极是从金属迹线（例如，铜、银、锡、铅等），板表面

处理和焊锡合金的迁移的金属离子构成的。

电解发生在当表面金属氧化和从阴极向阳极迁移时。当

金属树枝状生长时，表面绝缘降低。一旦枝状晶体跨越相邻导体间隙并且碰到阳极就可能产生短

路。电流流过枝状晶体由于焦耳热效应可以把部分枝状晶体烧坏。这种现象可以导致间歇性失效，

如果枝状晶体再生长且周期性发生熔化这种失效就能复发。漏电流能导致间歇性或者持久性失效

。

路径的形成开始于金属离子在电解液中的溶解。

腐蚀泄露是PCB材料的组成、板表面形貌、离子残

留、离子分布和环境条件的函数。表面多孔、划痕、凹坑会导致更高的表面能，也增加了它们吸收

了水单分子层的亲水性。表面污染，例如在板表面上的助焊剂残留或者纤维增加了吸潮的趋势。一

旦相邻导体之间的间隙有枝状晶体桥接，就会发生电阻突然下降，经常导致系统故障。

离子残留的特性经常能影响金属溶解的速度或者引发以及电解质的形成。氯和溴的残留可以和水结

合形成弱酸，弱酸更容易溶解金属，导致金属细丝形成。其它离子污染物，例如硝酸盐与水结合

后，会形成电解质溶液，但不会导致细丝的形成。这种情况下，会导致电气泄露电流随着湿度或者

有或者无，经常会导致有找不到问题（TF

）的电子失效模式产生。

若干个因素会影响ECM，包括温度、相对湿度、电压偏置、导体材料、导线间距、污染类型、污染

数量。

在PCB上的助焊剂残留既能抑制也能促进吸湿性，取决于残留的成分和厚度。

内部层压板的树枝状结晶通常沿着玻璃纤维束生

长，那里的树脂层压粘着力差，会导致有空洞。

空洞可以吸收水分并且为树枝状结晶的形成和产

生提供空间，经常从一个镀通孔或者导通孔到另

外一个。（图7-7中的空洞是沿着顶部的单一的玻璃

纤维）。

电化学迁移沿着板内部玻璃纤维束产生，可以更

恰当地称为阳极导电丝生长（CAF）。

表面枝状晶体往往是很脆弱的，经常在桌面上拍

或者敲打有缺陷PWB就能破坏枝状晶体并能恢复

PCB的功能。但在制造工艺中，这不是从源头解决

枝状晶体产生的办法。

7.4.1.2 初始化电解包含金属通过氧化在阳极变成阳离子溶解或者在阴极变成阴离子。

在直流偏压

下，金属阳离子迁移到阴极（离子传输过程）减少得到中性的金属，并沉积在阴极（电镀沉积）。当

越来越多的金属沉积在阴极，树枝状结构从阴极朝向阳极生长。

吸湿以及与维修相关的残留增加了形成水层的风险，这个水层也是使PCB表面污染扩散的催化剂。

在潮湿的条件下，组装的残留吸引水的单层，它使导电盐溶解并且穿过导体扩散。当残留进来与导

体接触，电流就能从阳极流到阴极从而在PCB两点间建立了一个电化学电池。

7.4.1.3 树枝状⽣长树枝状的生长是靠金属离子的反复沉积。

由于慢速溶解和沉积的运动，低电

势时需要更长时间生长。高电压使通过元器件的电流增加，这会导致发热和迁移运动的加速。随着

不同材料的组合呈现互联，热力学驱动树枝状晶体穿过金属生长的细丝。生长的树枝状晶体导致PCB

两点间的电气短路，从而引起元器件失效或者故障。

在高电势下，树突倾向变得更细，比在低电势下生长速率快很多，分枝更少。这种现象被认为是接

线端之间高电场作用的结果，这就导致随后在端子上的沉积在树突顶端而不是分枝。

图7-7 单⼀玻璃纤维中的空洞

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