PCB-Ausfälle verhindern: Leitfaden zum Ionischen Kontaminationstest

Ionische Kontamination in PCBs

Ca. 15 % der PCBA-Ausfälle entstehen durch Kontamination. Ionische Kontamination verursacht diverse Probleme → defekte PCBs. Bare-Board-Test auf ionische Kontamination vor Bestückung reduziert Defektrisiko durch Kontaminanten. Dieser Leitfaden beschreibt ionische Kontamination, verursachte Probleme und Testdurchführung.

Was ist ionische Kontamination in PCBs?

Ionische Kontamination: Ionische Rückstände auf fertigem PCB, die Zuverlässigkeit/Funktionalität beeinträchtigen. Ionischer Rückstand = Atome/Moleküle, die in Lösung leitfähig werden. Feuchtigkeitsexposition → Dissoziation in negativ/positiv geladene Elemente → Änderung der Lösungsleitfähigkeit.

Auch nicht-ionische Kontamination möglich (nicht-ionische Rückstände). Diese haben keine leitfähigen Eigenschaften → können meist nach Produktion/Bestückung auf PCB verbleiben. Daher Fokus der Hersteller auf ionische Kontamination bei Sauberkeitsprüfung. Ionische Rückstände, die PCB-Komponenten in Produktion beeinflussen:

• Salze
• Anorganische und organische Säuren
• Ethanolamine
• Schweiß
• Flux-Aktivatoren
• Veredelungschemikalien

Zwei Hauptquellen ionischer Kontamination:

• Mangelnde Bare-Board-Sauberkeit: Viele ionische Kontaminanten kommen vom Board selbst. Fertigungsprozess und Umwelteinwirkung hinterlassen Rückstände (Partikel, Öle, Salze, Staub). Vor Bestückung: Sicherstellen, dass keine Kontaminanten aus vorangegangenen Produktionsschritten verbleiben.
• Einsatz aggressiver Chemie: Kupferätzflüssigkeit, wasserlösliche Lötchemie und andere aggressive Chemikalien hinterlassen Rückstände, die Board-Leitfähigkeit ändern, wenn nicht ordnungsgemäß gereinigt.

Welche Probleme verursachen ionische Rückstände?

Bei unzureichender Entfernung ionischer Überschüsse:

• Korrosion: Die meisten PCBs korrodieren irgendwann durch Metallmaterialien. Ionische Kontamination verkürzt Zeit bis Korrosion drastisch vs. erwarteter Lebensdauer. Korrosion = Sauerstoff bindet an Metall → Rost. Feuchtigkeit + ionischer Rückstand → Kurzschlussrisiko steigt. Korrodierendes Metall splittert ab, verliert chemische Eigenschaften für PCB-Betrieb.
• Dendritisches Wachstum: Leitfähige Metallsplitter (Dendrite) wachsen auf PCB durch elektrolytische Lösung unter DC-Spannungsbias. Dendrite entstehen schnell, wenn Poren im Lötstopplack Flux/ionische Rückstände zurückhalten. Dendritenkontakt → Defekte: Kurzschluss, intermittierender Betrieb.
• Elektrochemische Migration: Auch Dendrite, aber spezifisch: Wachstum über Dielektrikum. Da Dendrite aus leitfähigen Ionen bestehen, leiten sie Ströme abweichend vom Design. Dendritisches Wachstum verursacht elektrochemische Migration → Total- oder Intermittierend-Ausfälle. Beide Phänomene eng verwandt, treten oft simultan auf.

Sauberkeitsmessungen im ionischen Kontaminationstest

Um sicherzustellen, dass ionische Rückstände PCB-Lebensdauer nicht verkürzen, reinigen viele Hersteller Boards bereits im Fertigungsprozess. Ionischer Kontaminationstest prüft, ob Reinigungstechniken ausreichend sind. Testmethoden:

• Widerstandstest in Batch-Format wässriger Reinigungssysteme: Reinigungssysteme haben oft eingebautes Widerstandsmesswerkzeug. Ergebnisse nicht für IPC-Standards nutzbar, aber Einblick in Reinigungseffektivität.
• Resistivity of Solvent Extract (ROSE) Test: ROSE detektiert Bulk-Ionics, die zu Kontamination führen. Zero-Ion/ähnliche Ionentesteinheit zieht Ionen vom PCB in Lösungsmittel. Ergebnis: Bulk-Ionen pro Quadratzoll.
• Modifizierter ROSE-Test: Fügt thermische Extraktionsmethoden zum Standard-ROSE hinzu. Weiterhin Lösungsmittel für Bulk-Ionen, aber PCB + Lösung erhöhter Temperatur ausgesetzt. Dann Test via Ionograph-Gerät.
• Ionenchromatographie-Test: Ähnliche thermische Extraktion wie modifizierter ROSE. Nach Extraktion: Test in Ionenchromatographie-Gerät. Ergebnisse: spezifische Ionenarten im Sample + Level pro Quadratzoll.

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