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PCB高可靠性——污染风险对表面灵敏度产生的影响

八月 20, 2019 | I-Connect007
PCB高可靠性——污染风险对表面灵敏度产生的影响

在IPC高可靠性论坛与微导通孔峰会期间,我采访了BTG Labs的客户应用专家Elizabeth Kidd和销售工程师Alex Bien。讨论了他们的演讲主题——如何应对高灵敏度表面带来的挑战。我们重点讨论了污染风险对表面灵敏度产生的影响,还讨论了BTG Labs用于界定此类污染物的各种表征方式,以及创建更佳表面和更可靠电路板的设计策略。

Andy Shaughnessy:Elizabeth,很高兴见到你。我知道你们几天后会做一场演讲,可以先简要介绍一下你们的公司,然后再来聊一聊你们要做的这场演讲吗?

Elizabeth Kidd:没问题。BTG labs是从事材料科学的研发型实验室,主要进行表面科学和附着工艺研发,帮助那些被附着力问题困扰的客户找到引起问题的根本原因。根据这一点,我们研发出了可以在材料进行关键表面加工时对其现场检验的技术。

Alex Bien:我们关注在一个并不引起重视的领域——材料表面,帮助客户使用一种“傻瓜式”操作方法来快速评估表面的化学物质。业界对这些我们本应能控制的3纳米范围缺乏了解,有了解才能谈控制,才能形成可靠的附着。

Kidd:采用XPS(X射线光电子光谱学)和FTIR(傅里叶变换红外光谱)这些高灵敏度的研发技术,关注表面的顶部分子层,并将其扩展为能够应用于生产车间的方法。

Shaughnessy:可以介绍一下你们的演讲吗?

Kidd:演讲和我们刚才讲到的内容有关——通过控制表面加工工艺来优化引线键合、芯片焊盘键合、层压板涂层附着等。还有内容是针对偶联剂的应用,这些偶联剂通常被当成是一种转化涂层。其他行业会使用硅偶联剂来增强有机材料与无机材料之间的附着。

Shaughnessy:你指的是铜层、FR-4等材料的表面吗?

Kidd:没错。我们以后也会推出一些适用于天然金属、聚合物与合成材料的应用。

Bien:这是个很好的观点。想要控制材料表面化学成分并匹配不同材料之间的表面化学成分尤其困难。将金属之间或是复合材料之间黏结在一起非常容易,但要将金属与聚合物、玻璃与聚合物黏结在一起就非常困难了,这些材料很难形成促进附着力的界面。

Shaughnessy:演讲中最关键的要点是什么?

Kidd:是表面的灵敏性。正如Alex所说,我们在控制一个单分子层,而这个分子层对污染物高度敏感。在制造过程中接触到污染物(例如上游工艺冲压过程中残留下的余料或任何使用化学蚀刻液的冲洗工艺残留下的液体)都会造成很严重的影响。或许你的供应链发生了变化——供应商X使用化学品X,但现在是供应商Y 使用化学品Y,突然间你遇到了更多偶然的失效情况,但却不知道其中的原因。

工艺中微小的变化都会影响到要附着的单分子层,足以引起十分注意。我们主要围绕污染物展开讨论:如何寻找污染物以及如何使用不同的表面描述方式来表征污染物——例如FTIR、XPS和接触角测量——以及表面活性和涂层探测。最重要的是要增加对表面灵敏度的了解,以及甚至是在不知情的情况下如何(正向或负向地)改变表面,。

Shaughnessy:一个小小的因素就会对整个工艺产生很大影响。

Bien:工艺中任何一个微小变化都会在下游工艺中产生滚雪球效应。

Kidd:的确是这样。比如表面上粘到了指纹,那就有1000个到10000个分子的厚度。如果你想在这个位置进行黏结操作,那就不是黏结在表面上,而是某个人手指的化学品和油脂上面。这时测试的灵敏度是很重要的。

Shaughnessy:你们已经可以测量至埃米级了吗?

Kidd:是的。

Bien:敏感的厚度可达几纳米。

Shaughnessy:你们可以在监视器上查看?有读出数据吗?

Bien:它是一种数字输出。

Kidd:我们有一些可以进行检验的仪器,叫做Surface Analyst。我们还研发出了能够沉积液滴、分析液滴并给出数据的一种自动化方案。可以将所有数据结合到一起,输出一份对任何制造工艺都很重要的统计数据,其分类可以是按照批次等。

Bien:我们主营工艺研发与优化,针对市面上所有的表面处理技术,帮助客户测量并控制表面质量,我们认为这是行业目前面临的一个漏洞。大多数企业都不可能配备拥有博士学位的材料科学家,就算聘用到,他们最多也就是在工厂的走廊里转一转,而不会到生产一线。我们通过与这些人合作来获取专业知识和工艺建议,在诸如关乎使用者生命的国防或医疗设备产品中,对压力、温度、热循环和污染物非常敏感的位置保证具备较强的可靠性。

Shaughnessy:XPS、传统色谱法和离子色谱法之间的转换有什么样的阈值?你们怎么知道要使用哪些方法?

Kidd:C3提取和离子色谱法都会在产品表面使用少量溶剂来溶解表面的物质,然后就可以使用离子色谱仪查看从表面溶解下来了哪些物质或离子。这是衡量溶剂溶解能力的方法。使用红外光谱分析法或XPS这样的原位光谱技术可直接测量表面的状态。再也不担心需要使用某种溶剂介质会溶解材料,直接就可以看到表面有什么。使用这种方法可以直接测量或查看材料表面的官能基。

Bien:溶剂提取法已经是过去式了。只有在无法使用光谱术的时候才会使用。

Kidd:没错,C3 IC方法虽然可以很好地检测出导电物质,却无法告诉你原因,比如出现有机物质是由于环境污染的或是在上游工艺中接触到的。它会告诉你化学蚀刻液是否残留下了离子,如此一来线路板就可能会短路。如果你使用了硅酮等材料,它也不会显示出含油量。

Shaughnessy:你们能帮助客户解决哪些主要问题?

Bien:大多数人可能会碰到间歇性的失效问题,他们对于为什么会发生这种情况没有任何了解,比如两个月前顺利生产了500块电路板,而且质量一切都很好。其实工艺过程中混入有机材料是附着力下降的主要原因。若想获得可靠的附着力,我们要控制三个要素,一是粘合剂与涂层的化学成分,二是粘合剂要附着的表面的化学成分,以及我们在固化操作时的温度、压力和环境等因素。大多数人都会注意第1点和第3点,但却会忽略第2点。

就通常所见,很多情况都是洗涤过程中皂液和表面活化剂被带出但制造商无法在将产品送入SMT或敷形涂层工艺过程之前鉴别出问题。从来料元器件表面检验一直到最终组装,制造程序步骤中某一个环节比如清洗过程或等离子处理过程中出现问题,但制造商却不知道如何解决。

Kidd:就这一点而言,控制仅起到监控的作用。针对部件清洗机,会监控清洗剂的浓度和颗粒数量、温度和生产周期,但却不会测量完成清洗后的产品表面清洁度。例如对比两台设备,一台是刚刚清洗过且处于原始状态的清洗机,通过了包括颗粒数量与浓度分析在内的所有检查;一台是已经运行了一个月的清洗机,有着“恰当的”清洗剂浓度,也符合颗粒数量要求,但是如果你想清洗的对象是油类物质,那么无法显示出你从上一批次中移除的油的浓度。光是查看这些工艺参数是不够的,还要确认最后产生的表面化学成分。

Shaughnessy:为了提高材料表面质量,PCB设计师要注意哪些因素?

Kidd:为了保证附着力,产品设计师要在整个生产过程中建立表面质量验证检查体系。从最开始实施这些步骤,技师、设计师、工程师和操作员就站在了同一条起跑线上,大家都要明确材料表面质量对附着工艺可靠性的重要性。如果无法测量评估所形成的表面清洁程度,那即使采用这些处理方式和清洗步骤也没有什么用处。

设计师不应该去开发那些无法应用到生产线上的实验室测试和表面评估方法。实验室里可以完成的必须也能在生产车间里完成,否则就与实际生产毫无关联。通过数据丰富的反馈控制设计流程以确保可预测附着力是创建和维护表面质量一致性的最佳方法。

Shaughnessy:贵公司的运营情况如何?

Bien:相当不错!Elizabeth来公司已经四年了。我是第17个进入公司的员工,现在员工数量达到33名,公司每年都在不断发展壮大。我们的客户主要集中在航空航天、电子产品和医疗设备市场,同时我们也会处理汽车和消费类产品。我们在刚刚提到的那些检验与测量项目上投入了大量精力,目的是将这些操作自动化。

Shaughnessy:在过去十年里,清洗工艺出现了大幅增长。现在,每个人都意识到了污染物会导致严重的后果,比如无附着力。

Bien:今天的质量,有可能导致明天的废品,对吗(大笑)?

Shaughnessy:没错。即使当下可以正常使用,最终也会被拿去垃圾场填埋。你还想分享一些其他内容吗?

Bien:如果你想进一步了解表面化学组成及其与工艺制程的关系,我们每周四定期都会在博客上推出一篇科普文章,可以在btglabs.com中查看。

Kidd:BTG Labs最独特也是最吸引客户的一点就是,我们的研究不会让客户花了几千美金只收到一个全是曲线和数字的报告,相反我们会给出有意义的信息,以更好地控制表面工艺或构建其材料体系,并帮助客户真正了解他们正在研究的整体材料工艺。

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标签:
#可靠性  #污染  #表面灵敏度 

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