免洗錫膏的特點(1): 殘留物腐蝕性機理分析
免洗錫膏的特點(1): 殘留物腐蝕性機理分析
為了滿足普通用戶對電子器件日益增長的使用要求，元件內部芯片數量變得越來越高并且芯片體積小型化。然而小型電子封裝清洗困難，誕生了免洗錫膏。免洗錫膏的助焊劑成分含有弱有機酸如羧酸，能夠起到去除焊盤氧化層的作用，只會留下少量酸性離子殘留物。免洗錫膏的焊后殘留物雖少，但對于某些高精密器件仍不可忽視。因此，免洗錫膏的殘留物腐蝕性仍舊是熱議問題。
1. 殘留物為何具有腐蝕性
市面上經常采用羧酸作為助焊劑活化劑成分。羧酸是一種弱有機酸，會與氧化銅發生酸堿反應從而還原氧化銅。有機酸往往帶有極性官能團，容易與與環境中的水分結合并生成酸性溶液，因此會對PCB起到腐蝕效果。
圖1. 羧酸和氧化銅的反應方程式。
在松香基免洗錫膏中，除了羧酸外，還添加了松香樹脂以防止焊接表面再次氧化。然而，樹脂在焊后是不會揮發的，因而會留下較多的固體酸性磷酸鹽作為離子殘留物。為了避免留下固體殘留物，有些廠家采用無樹脂免洗錫膏。但如果羧酸未能完全與金屬氧化物反應，殘留的未反應羧酸在高溫下會脫水并形成酸酐，隨后酸酐又轉化成羧酸和水。酸酐具有很強的吸濕性。因此容易形成很較厚的水導電層，增加了PCB漏電的可能性。
2. 影響弱有機酸腐蝕性的因素
2.1 溶解度
有機酸溶解度越高則更容易與水發生相互作用并生成更多的離子殘留物。含有較高分子量、較少極性官能團和偶數碳原子的弱有機酸的溶解度最小，因此采用了弱有機酸的免洗錫膏殘留物最少 (Wakeel et al., 2021)。
2.2 潮解/風化相對濕度
潮解相對濕度和風化相對濕度很大程度影響了有機酸的吸濕能力 (Wakeel et al., 2021)。對于更低的潮解和風化相對濕度，有機酸比如羧酸鹽會更早的吸收水分并形成導電層，從而增加了PCBA的導電性。例如，DL-蘋果酸的潮解和風化相對濕度低于琥珀酸，經過分析知道DL蘋果酸更早吸收水分 (Piotrowska et al., 2018)。同時，低風化相對濕度使羧酸鹽轉化為固體的速度更快，這將導致PCBA的漏電增加。
2.3 官能團數量和分子鏈長度
弱有機酸的官能團增加會促進與水分子的相互作用，從而增強了有機酸的吸濕性。此外，官能團之間的距離也決定酸的極性。官能團之間的距離越小，水越容易停留，吸濕能力越強。因此殘留物帶有更強酸性。Piotrowska等人觀察到，與亞油酸、己二酸、琥珀酸和戊二酸相比，使用棕櫚酸配方的免洗錫膏腐蝕性最弱。這是因為棕櫚酸的羧基最少，鏈長最長。
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參考文獻
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.
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