免洗锡膏之残留物腐蚀性机理分析

为了满足普通用户对电子器件日益增长的使用要求，元件内部芯片数量变得越来越高并且芯片体积小型化。然而小型电子封装清洗困难，诞生了免洗锡膏。免洗锡膏的助焊剂成分含有弱有机酸如羧酸，能够起到去除焊盘氧化层的作用，只会留下少量酸性离子残留物。免洗锡膏的焊后残留物虽少，但对于某些高精密器件仍不可忽视。因此，免洗锡膏的残留物腐蚀性仍旧是热议问题。
 
1. 残留物为何具有腐蚀性
市面上经常采用羧酸作为助焊剂活化剂成分。羧酸是一种弱有机酸，会与氧化铜发生酸碱反应从而还原氧化铜。有机酸往往带有极性官能团，容易与与环境中的水分结合并生成酸性溶液，因此会对PCB起到腐蚀效果。

 

 
 
                                                                      图1. 羧酸和氧化铜的反应方程式。
 
在松香基免洗锡膏中，除了羧酸外，还添加了松香树脂以防止焊接表面再次氧化。然而，树脂在焊后是不会挥发的，因而会留下较多的固体酸性磷酸盐作为离子残留物。为了避免留下固体残留物，有些厂家采用无树脂免洗锡膏。但如果羧酸未能完全与金属氧化物反应，残留的未反应羧酸在高温下会脱水并形成酸酐，随后酸酐又转化成羧酸和水。酸酐具有很强的吸湿性。因此容易形成很较厚的水导电层，增加了PCB漏电的可能性。
 
2. 影响弱有机酸腐蚀性的因素
2.1 溶解度
有机酸溶解度越高则更容易与水发生相互作用并生成更多的离子残留物。含有较高分子量、较少极性官能团和偶数碳原子的弱有机酸的溶解度最小，因此采用了弱有机酸的免洗锡膏残留物最少 (Wakeel et al., 2021)。
 
2.2 潮解/风化相对湿度
潮解相对湿度和风化相对湿度很大程度影响了有机酸的吸湿能力 (Wakeel et al., 2021)。对于更低的潮解和风化相对湿度，有机酸比如羧酸盐会更早的吸收水分并形成导电层，从而增加了PCBA的导电性。例如，DL-苹果酸的潮解和风化相对湿度低于琥珀酸，经过分析知道DL苹果酸更早吸收水分 (Piotrowska et al., 2018)。同时，低风化相对湿度使羧酸盐转化为固体的速度更快，这将导致PCBA的漏电增加。
 
2.3 官能团数量和分子链长度
弱有机酸的官能团增加会促进与水分子的相互作用，从而增强了有机酸的吸湿性。此外，官能团之间的距离也决定酸的极性。官能团之间的距离越小，水越容易停留，吸湿能力越强。因此残留物带有更强酸性。Piotrowska等人观察到，与亚油酸、己二酸、琥珀酸和戊二酸相比，使用棕榈酸配方的免洗锡膏腐蚀性最弱。这是因为棕榈酸的羧基最少，链长最长。
 
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参考文献
Piotrowska, K., Din, R.U., Grumsen, F.B., Jellesen, M.S. &  Ambat R. (2018). “Parametric study of solder flux hygroscopicity: impact of weak organic acids on water layer formation and corrosion of electronics”, J. Electron. Mater., vol.47 (7), pp. 4190-4207.
Wakeel, S., Haseeb, A.S.M.A., Afifi, M.A., Bingol, S. & Hoon, K.L. (2021). “Constituents and performance of no-clean flux for electronic solder”. Microelectronics Reliability, vol.123. 
 
审核编辑 黄宇