PCB-Ionische Kontaminationsprüfung

PCB-Ionenkontamination

Ungefähr 15 % der PCBA-Ausfälle treten aufgrund von Verunreinigungen auf. Ionische Kontamination kann mehrere Probleme verursachen, die zu defekten Leiterplatten führen. Das Testen der unbestückten Platine auf ionische Kontamination vor Abschluss der Montage verringert das Risiko von Defekten, die durch Verunreinigungen verursacht werden. Dieser Leitfaden beschreibt die ionische Kontamination, die dadurch verursachten Probleme und wie Hersteller Tests auf ionische Kontamination durchführen.

Was ist Ionenkontamination in PCBs?

Ionische Kontamination tritt auf, wenn ionische Rückstände, die die Zuverlässigkeit und Funktionalität beeinträchtigen, auf einer kompletten Leiterplatte verbleiben. Ein ionischer Rest enthält Atome oder Moleküle, die in Lösung leitfähig werden. Die Einwirkung von Feuchtigkeit führt dazu, dass ionische Rückstände in negativ oder positiv geladene Elemente dissoziieren, wodurch sich die Gesamtleitfähigkeit der Lösung ändert.

Eine PCB kann auch nichtionische Verunreinigungen aufweisen, bei denen es sich um nichtionische Rückstände handelt. Nichtionische Rückstände haben keine leitfähigen Eigenschaften, sodass sie in der Regel nach der Produktion und Bestückung auf der Leiterplatte verbleiben können. Daher konzentrieren sich die meisten Hersteller auf die ionische Kontamination, wenn sie die Sauberkeit einer Platine untersuchen. Zu den ionischen Rückständen, die PCB-Komponenten während der Produktion beeinträchtigen, gehören:

• Salze
• Anorganische und organische Säuren
• Ethanolamine
• Schweiß
• Flussmittelaktivatoren
• Beschichtungschemie

Ionische Kontamination hat zwei gemeinsame Quellen:

• Mangelnde Sauberkeit der Platine: Viele ionische Verunreinigungen stammen von der Platine selbst. Der Plattenherstellungsprozess sowie Umweltbelastungen können Rückstände wie Partikelrückstände, Öle, Salze und Staub hinterlassen. Vor dem Hinzufügen von Komponenten zu einer unbestückten Platine müssen Hersteller sicherstellen, dass keine Verunreinigungen aus vorherigen Schritten im Produktionsprozess zurückgeblieben sind.
• Verwendung von aggressiver Chemie: Kupferätzflüssigkeit, wasserlösliche Lötchemie und andere aggressive Chemikalien können Rückstände hinterlassen, die die Leitfähigkeit der Platine verändern, wenn sie nicht richtig gereinigt werden.

Welche Probleme verursachen ionische Rückstände?

Wenn Hersteller überschüssige Ionenrückstände nicht entfernen, können folgende Probleme auftreten:

• Korrosion: Die meisten Leiterplatten werden aufgrund ihrer Metallmaterialien irgendwann korrodieren. Ionenkontamination kann jedoch im Vergleich zur erwarteten Lebensdauer der Leiterplatte zu einer viel kürzeren Zeit bis zur Korrosion führen. Korrosion bezieht sich auf den Prozess der Sauerstoffbindung an Metall und die Entstehung von Rost. Wenn Feuchtigkeit mit ionischen Rückständen in Kontakt kommt, steigt die Kurzschlussgefahr. Das korrodierende Metall blättert ab und verliert die chemischen Eigenschaften, die für die ordnungsgemäße Funktion der Leiterplatte erforderlich sind.
• Dendritisches Wachstum: Während des dendritischen Wachstums wachsen leitfähige Metallsplitter oder Dendriten auf einer PCB durch eine elektrolytische Lösung, die durch eine Gleichspannungsvorspannung beeinflusst wird. Dendriten können schnell erscheinen, wenn die Poren in einer Lötmaske Flussmittel oder andere ionische Rückstände zurückhalten. Wenn Dendriten miteinander in Kontakt kommen, können Defekte wie Kurzschlüsse und intermittierender Betrieb auftreten.
• Elektrochemische Migration: Auch an der elektrochemischen Migration sind Dendriten beteiligt, aber insbesondere dann, wenn sie über ein dielektrisches Material wachsen. Da sich Dendriten aus leitfähigen Ionen bilden, können sie Ströme anders leiten als das beabsichtigte Design der Leiterplatte. Dendritisches Wachstum verursacht eine elektrochemische Migration, die zu vollständigen oder intermittierenden Ausfällen führt. Dendritisches Wachstum und elektrochemische Migration sind eng miteinander verbunden und treten in der Regel gleichzeitig auf.

Sauberkeitsmessungen bei Ionenkontaminationstests

Damit ionische Rückstände die Lebensdauer der Leiterplatte nicht verkürzen, reinigen viele Hersteller die Leiterplatte bereits im Rahmen des Fertigungsprozesses. Durch Ionenkontaminationstests können Hersteller feststellen, ob sie während der Produktion ausreichende Reinigungstechniken anwenden. Zu den zum Nachweis ionischer Kontamination verwendeten Methoden zur Sauberkeitsprüfung gehören:

• Widerstandsprüfung in wässrigen Reinigungssystemen im Chargenformat: Die Systeme, die zum Reinigen von Leiterplatten verwendet werden, stammen oft aus einem eingebauten Werkzeug zur Messung des spezifischen Widerstands. Obwohl diese Ergebnisse nicht zur Erfüllung der IPC-Standards verwendet werden können, können sie einen Einblick in die Wirksamkeit des Reinigungssystems geben.
• Resistivity of Solvent Extract (ROSE)-Test: ROSE-Tests erkennen Bulk-Ionen, die zu einer Kontamination führen können. Eine Null-Ionen- oder ähnliche Art von Ionentesteinheit zieht die auf der Leiterplatte gefundenen Ionen in eine Lösungsmittellösung. Der Test misst die Ergebnisse als Massenionen pro Quadratzoll.
• Modifizierter ROSE-Test: Der modifizierte ROSE-Test erweitert den Standard-ROSE-Test um thermische Extraktionsmethoden. Es beinhaltet immer noch ein Lösungsmittel, das Massenionen herauszieht. Anstatt die Ionen jedoch unter Standardbedingungen herauszuziehen, werden die PCB- und Lösungsmittellösung einer erhöhten Temperatur ausgesetzt. Die Lösung wird dann mit Geräten im Ionographen-Stil getestet.
• Ionenchromatographie-Test: Ein Ionenchromatographie-Test beinhaltet ähnliche thermische Extraktionsmethoden wie der modifizierte ROSE-Test. Nach der Extraktion wird die Lösung in einem Ionenchromatographen-Testgerät getestet. Die Ergebnisse dieses Tests liefern Informationen über die spezifischen Ionenspezies in der Probe und den Gehalt jeder Spezies pro Quadratzoll.

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