升级SIR测试技术，化学物质的综合影响 (II)

作者:Alan Brewin, Concoat公司；Chris Hunt，National Physical Laboratory(UK)

　　目前的SIR（表面绝缘电阻） 测试方法对于测试助焊剂和工艺残留物是不适用的，英国国家物理实验室（National Physical Laboratory，NPL）用基本的测试原理和简明的助焊剂系统对此进行的实验研究表明了这一问题。基于这些研究结果提出的一种升级的SIR测试方法，可以对PCA过程中所用化学物质（包括涂层材料、阻焊材料、焊膏、助焊剂、焊锡丝和敷形涂层材料等）的影响进行全套的测试。

　　测试准备　　现代PCB制造过程中会用到大量的化学工艺和化学物质，比如：阻焊材料、助焊剂（包括锡膏和返修用的锡线）和敷形涂层。SIR通常被用于证明产品的电气绝缘和抗电化学腐蚀状态。下面的SIR测试是对免清洗助焊剂组装PCA所用的各种材料组合的测试，工作中尽量保持了与实际的制造过程一致，所用的表贴SIR试样也和前部分中用的类似（），这个测试板上有4个梳状电路，但他们的布线可以适应SMT扁平封装器件贴装。

用于SIR的表面贴装试样

　　测试试样应用真实的工艺参数设定，这不仅仅是测试一个光板而己，器件造成的助焊剂残留和热影响也会真实地浮现出来。一些化学物质本身有很好的可靠性，但他们在一起应用，会导致SIR值降低。为了探测到这种现象，SIR测试必须在实际过程应用的化学物质都存在的情况下进行。因而在测试过程中，采用HASL和NiAu两种表面涂层，同时返修用的焊锡丝的影响也在考虑之列。此项目是在典型通常的工艺条件下进行的，目的在于提供一整套的能兼容典型PCA制造情况的材料。

试样制备● HASL表面涂层在255℃下浸锡5秒，标准的助焊剂。● NiAu表面涂层采用ATOTech公司钯活化的Ni/Au，槽温88℃，6g/l Ni。浸泡时间25分钟（4-6um，Ni）。镀金槽的温度控制在84℃，浸润时间12分钟（0.06um Au）。● 阻焊膜 试样先用浮石清洁，阻焊膜是用32.82的丝网印加。整个试样都加阻焊膜。在450mJ/cm2曝光前，进行85℃干燥30分钟。确保试样上只有一个QFP区域曝光，一半的试样在显影后没有阻焊膜。没有曝光的阻焊膜用1％无水的K2CO3在35℃、2.5Bar气压下去除。将板在150℃下烘烤1个小时，空板上阻焊膜的厚度是26um。● 助焊剂　　助焊剂用喷枪手工喷射到试样上，然后将试样坚直放置在吸收材料上，时间为30秒，去掉多余助焊剂。波峰焊用63/37SnPb合金，焊接温度250℃，在空气中焊接。● 锡膏　　锡膏印刷采用DEK 260带ProFloTM焊料盒的印刷系统。不锈钢漏模板厚为6mil，印刷锡膏到外围的梳状电路，以利QFP贴装。尽管二者都加锡膏，QFP仅贴放在被阻焊膜包围的SIR梳状位置，用手贴放。再流焊的峰值温度是222℃。● 混合组装技术　　为模拟混合组装生产状况，试样喷射助焊剂后先过波峰焊，而后进行印焊膏和再流焊。● 返修用的焊锡丝　　每一个中间梳状电路用少量焊锡丝焊接4处。焊料在引线上流动避免连锡，烙铁头温度350℃。

　　SIR测试　　试样置于一个256通道的测试架上，与Auto-SIRTM表面绝缘电阻测试仪相连。所有的测试试样标签均为金属，以避免引入可能的污染。处理试样的时候始终带着手套。测试架上装64个试样，要求有256（4×64） 个连接电缆（），这是通过AUTO-SIRTM测试系统在系统内外接地的34路线缆实现的，在本例中使用了16路连接，每一路包括16条信号线和16条接地线。

这些注意事项是为了消除摩擦静电等对小电流记录的影响。测试试样放置在测试箱中要保证表面气流平稳（详见ISO／PW19455-17试用稿）。测试箱缓慢升温到40℃，相对湿度93％（根据IPC-68-2-20）。使用这么低测试温度（与传统85％／85％的要求不同），是为了保证免清洗助焊剂的温度敏感成分（主要是有机酸）能在整个测试过程中能残留在测试板上。这正在成为免清洗助焊剂的公认测试条件，测试时间为7天，测试电压为50V（相当于0.4mm的焊盘间距上125v／mm的电压梯度）。每10分钟对每一测试试样上的漏电流进行测量，并计算电阻的对数（Log）值。在7天的测试结束后，首先降低湿度而后降温防止测试试件上凝露。

　　测试试样矩阵表　　这个列表因为有HASL和NiAu两种表面涂层，需要58个样品。每个测试试样上有4个梳状电路。A和D电路有阻焊膜，在印锡和贴装器件的情况下测试；B和C则不用阻焊膜。工艺次序见列表。敷形涂层的代号AR表示丙烯酸类型，PU表示聚氨脂类型。AR2比AR1的Tg值高一些。

　　SIR测试结果　　测试结果与制造试样过程中使用的化学物质的组合有关。在IPC J-STD-001B D-5.3附录关于SIR用于材料和工艺过程相容性测试中要求”每一个测试中SIR值要大于1x108欧姆”，我们引用这个结果作为判断每一个材料组合合格/失败（PASS/FAIL）的标准。通常我们发现大于1x1010欧姆的材料组合可以保证工艺过程是安全的。

贴不贴器件对测试结果的影

从可以看出贴不贴器件对测试结果的影响。SIR值的降低可以认为是，在焊接过程中的残留物，被毛细作用或扩散，会吸收到器件下面的区域。而且这部分空间的峰值温度，由于器件的吸热，会比较低，这可能导致活化剂不能完全裂解。SIR值在初30个小时左右的轻微下降，在不带器件的试样上没有出现。我们还可以看到HASL比NiAu的SIR值大致低一些（，5） 免清洗助焊剂会影响两种表面涂层试样的SIR值。但是在一些物料组合中，NiAu的SIR值会低一些（见PU涂敷试样曲线）。一个令人惊奇的发现是PU涂敷会在高湿环境下提高SIR值，当测试箱在测试后期，排出湿气温度降下来后电阻却也降下来了。湿度下降与温度下降无关。

不带器件时不同表面材料的影响

免清洗焊剂对表面材料的影响

如果在试样涂一层氨合Latex的临时阻焊膜，SIR值会显著降低

　　如果在试样涂一层氨合Latex的临时阻焊膜，SIR值会显著降低，这一点与其他化学物质无关（）。使用焊锡丝可能会造成在同样的工艺条件下SIR值升高或降低，这可能是由于这种方式施加的助焊剂量和受热不一致造成的。这应该是生产过程的实际情况，但是所有的测试试样的SIR值没有低于109欧姆的。施加的焊料也可能会引起梳状电路尺寸的改变，从而影响测试结果。

表1 测试试样矩阵表

　　新的SIR测试表明：● 当前的标准测试方法对于现代电子装联是不适宜的，为了可靠地检测枝晶生长情况，频繁的监控是必要的；● 阻焊膜对于SIR的影响是极小的；● 器件装于板上，由于残留物的截留，会降低SIR值。尽管NiAu板有时受涂敷等其它物质的综合影响，会使其SIR值低于HASL板；● 但很明显，HASL用的助焊剂会降低SIR值；● 临时氨合Latex阻焊膜会显著降低SIR值；● 免清洗锡膏和助焊剂的相容性很好；● 除了PU敷形涂层会显著提升SIR值，其它涂敷对SIR影响很小；● 现在工艺过程所用的阻焊膜、助焊剂、锡育、锡线和涂敷的相容性，可以用SIR值来进行评估。

　　另外，新的SIR的测试实验还显示，对以下情况还可以进行进一步的测试工作，比如低氨量Latex阻焊膜的研制和它对SIR影响的进一步研究；在5V下进行测试；用PTH试样或当前的试样，进一步模拟助焊剂应用、混装技术和返修锡线应用的影响；用低再流峰值曲线测试产品工艺参数界限。