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助焊劑殘留要洗嗎?白色殘留判斷與洗不洗 3 步決策

助焊劑殘留要洗嗎?白色殘留判斷與洗不洗 3 步決策

板子焊完出現白色結晶或黏膩的殘膠,不一定會壞,也不能只靠外觀判斷。助焊劑殘留(flux residue)會不會造成漏電、腐蝕或枝晶短路,取決於三個條件是否同時成立:可移動的離子、濕氣、導體之間的電壓(間距越小越敏感)。免洗助焊劑的設計是「殘留少而溫和」,不等於任何使用環境都可以不洗;洗或不洗,要看使用環境與板子特徵,並且要有客觀證據支持。

① 可移動的離子 助焊劑殘留是常見來源 + ② 濕氣(水膜) 空氣中的水氣被殘留吸附 + ③ 電位梯度 由電壓與間距決定,間距越小越強 三個條件同時成立,才會一格一格往下走 ▼ A 殘留 電路板基材 助焊劑殘留(含離子) 間距 導體A 導體B ▶ B 吸濕 → 漏電 電路板基材 + - + - - 漏電路徑 導體A 導體B ▶ C 電化學遷移(ECM) 電路板基材 +- 外加電壓 陽極陰極 導體A 導體B ▶ D 枝晶短路 電路板基材 +- 外加電壓 短路! 導體A 導體B 兩條導線之間有間距 表面留有殘留, 殘留含可移動的離子 殘留吸濕,形成水膜 離子在水膜中移動 絕緣電阻下降 → 漏電 陽極:金屬溶解成離子 離子在電場中移向陰極 陰極:金屬析出 枝晶(dendrite)長出, 橋接兩條導線 → 短路 枝晶很細,通電後可能熔斷, 現場失效不易重現 電遷移(EM)≠ 電化學遷移(ECM) EM:發生在導體「內部」,由高電流密度推動,與濕氣無關。 ECM:發生在導體「之間」,需要濕氣、可移動的離子與電壓;助焊劑殘留造成的漏電與短路屬於這一類。 示意圖:只表達順序與位置,圖中不含任何實際電壓、濕度、時間或電阻數值。
圖 1 離子殘留、濕氣、電壓同時成立時,漏電如何發展成枝晶短路

一、殘留為什麼會漏電:三個條件缺一不可

殘留的麻煩在於:板子出廠時量起來可能正常,等濕氣進來才出事。

先是漏電。 殘留裡的離子遇到水氣,溶成一層導電薄膜,鋪在相鄰導線之間,絕緣電阻就往下掉。不同配方的殘留吸濕程度不一,有的抑制吸濕,有的反而助長,所以要看它吸不吸濕、帶不帶離子,不能只看「有沒有殘留」。

再來是枝晶。 導線之間有電壓時,陽極的金屬溶解成離子,在電場下移向陰極並析出,一點一點長成枝晶(dendrite,樹枝狀金屬結晶);枝晶搭到對側導體就是短路。這個過程叫電化學遷移(electrochemical migration,ECM),需要濕氣、可移動的離子、足夠大的電位梯度三者同時成立(見圖 1)。電位梯度由電壓與間距決定:電壓越高、導體越近,電場越強,所以細間距、高電壓的板子最敏感。

枝晶很細,電流一大就可能熔斷,所以現場的間歇性漏電板拿回實驗室,常常重現不了。

電遷移(EM)不是 ECM。 電遷移發生在金屬導體「內部」,由高電流密度下的電子推動金屬原子,常見於 IC 內部互連,結果常見是空洞,與濕氣無關;ECM 發生在導體「之間」,結果是枝晶。助焊劑殘留造成的漏電與短路屬於 ECM。中文另有「電子遷移」「離子遷移」等寫法,查資料時先看它描述的位置。

CAF 是另一個位置。 導電陽極絲(CAF)沿板材內部的玻纖與樹脂界面生長,位置在板內,同樣是電化學遷移的過程;先分清漏電路徑在板面還是板內,才分得出是殘留還是板材問題。

二、第 1 步:辨識板上的殘留

板上看到的現象常見原因先做的檢查
焊點周圍有白色粉末或薄霧狀白膜未清除的助焊劑活化劑鹽類;清洗液與助焊劑不匹配;清洗不完全看分佈:整片均勻薄膜,先懷疑清洗液不匹配;條紋或斑點,先查清洗手法。再取樣做成分分析
黏手的膠狀殘留松香或樹脂類成分;助焊劑量偏多;受熱不足、未充分活化對照助焊劑資料表的建議溫度曲線與用量,確認是否為該配方的正常殘留
水溶性助焊劑製程的板面出現可見白色結晶清洗不足;殘留的活化劑遇水氣反應視為警訊:重新清洗,並用離子污染測試確認
元件底部、細間距周邊(多半看不見)殘留被困在低 Standoff 元件底下,一次清不到確認清洗是否進得去;用局部萃取量測,不看整板平均值
連接器或局部區域白色沉積,伴隨現場漏電或腐蝕局部污染(助焊劑或外來液體);整板平均值把它稀釋掉局部萃取加離子層析;顯微鏡找枝晶或腐蝕痕跡
看不到殘留,但高濕環境下漏電、短路殘留不一定看得見;枝晶短暫形成後熔斷,不易重現保留原樣;在濕熱加偏壓條件下重現;局部離子層析
清洗後才出現白色殘留,或換材料後開始出現清洗液與助焊劑不匹配;防焊漆(solder mask)未完全固化也會泛白對照最近換過的錫膏、焊料、清洗液;成分分析區分是殘留還是板材

先保留原樣。 要追現場失效的根因,請先拍照、保留退回品原狀再決定清不清;一洗,證據就沒了。殘留不一定看得見,白色的也不一定是助焊劑,不要只靠眼睛。

簡易初篩(一般情況,仍需視個案而定)。 有供應商資料提到:在殘留處滴一小滴水,溶解的多半是離子性殘留;水不溶、改滴異丙醇(IPA)才溶解的,多半是有機殘留。這只能粗分,請在樣品板或報廢板上做並完全乾燥,不能取代分析。

要確定成分,送分析。 傅立葉轉換紅外光譜(FTIR)看有機殘留的化學結構;離子層析(IC)辨識離子種類與含量,搭配局部萃取,能查出整板平均值看不到的局部污染。

三、第 2 步:洗還是不洗

使用環境/板子特徵一般建議原因
使用水溶性助焊劑要洗活化劑殘留有腐蝕性、可導電,可見殘留已是警訊
後段要上塗層(三防)、灌封、打線或底部填充(underfill)先洗;要不洗,須先做搭配驗證殘留影響附著,也可能夾帶水氣;塗層與殘留的組合不同,表現差異大
高電壓或高頻電路傾向洗殘留可能成為漏電路徑,電壓越高電場越強
細間距、低 Standoff 元件(QFN、LGA、Micro-BGA、Flip chip)傾向洗,且要確認清洗進得去殘留困在元件底下,清洗液要潤濕得好才進得去
高濕、凝露、高溫的環境,或高可靠度領域(航太、車用、通訊)傾向洗,並以 SIR 等方式驗證離子殘留吸濕形成導電膜,環境越嚴苛,能容忍的殘留量越少;高可靠度領域業界普遍視清洗為關鍵步驟
助焊劑量偏多、受熱不足、未充分活化要洗免洗配方的低殘留設計,前提是充分活化
外觀要求高,或需 AOI、目檢維修傾向洗殘留遮蔽零件標示與焊點,影響 AOI
板上有不耐液體或超音波的零件(例如蜂鳴器、未密封的開關、部分繼電器、晶體),或成品已完成塗層、灌封先評估這片板子能不能洗;不能洗的零件另外處理液體可能滲進本體而乾不了,超音波也可能傷到零件。見第五節第 1 點
以上都不成立,助焊劑已充分活化,客戶也無清洗規範一般情況可不洗,但要有客觀證據免洗配方設計為低殘留、低腐蝕;仍須以 SIR 等證據佐證,不能只靠「免洗」兩個字

免洗不等於免驗證。 免洗助焊劑設計成殘留少、腐蝕性低,前提是焊接時充分活化;用量偏多或局部受熱不足,就可能留下離子殘留。一般情況下,免洗殘留在溫和環境中風險較低,但是否無害仍需視個案而定,關鍵看濕度、電壓、間距。

塗層是最常見的轉折點。 塗層供應商普遍建議先清潔:殘留影響附著,吸收的水氣還可能在固化時釋出而脫層。有技術報告指出,塗層能否蓋在免洗殘留上,取決於塗層與殘留的組合,要逐一驗證。此為一般情況,仍需視個案而定。

四、第 3 步:證明洗乾淨了

洗了不代表乾淨,看起來乾淨也不代表乾淨。下面四種量測回答不同的問題;稽核要備哪些文件,請看〈電路板洗乾淨,怎麼證明?〉。

  • ROSE(IPC-TM-650 2.3.25): 用溶劑與去離子水混合液萃取板面離子,量萃取液導電度的變化,換算成 NaCl 當量。回答「整體離子量有沒有失控」,適合日常製程監控;但量的是整板平均值,局部污染可能被稀釋,量導電度也測不到不導電的殘留。
  • 離子層析(IC): 回答「是哪種離子、多少」,用於根因分析,可搭配局部萃取。IC 沒有統一合格線,不同實驗室結果也可能不同,送測前先確認方法。
  • SIR(表面絕緣電阻,IPC-TM-650 2.6.3.7): 回答「在濕熱加偏壓下,會不會真的漏電」,方法是在 40 ℃、90% RH 下施加偏壓量測絕緣電阻。助焊劑資格測試(J-STD-004)常見的合格門檻是不低於 10 的 8 次方歐姆(100 MΩ),那是助焊劑在標準試片上的判定,不是您那片板子的驗收值。
  • 實板 THB(溫濕度偏壓)測試: 讓實板或成品在濕熱加電壓下運作,有業界專家認為這是最有說服力的證據。此為一般情況,仍需視個案而定。

日常用 ROSE 監控製程是否穩定;新製程、新助焊劑、新板型導入時,再用 SIR 或實板測試建立證據。

舊數字要小心。 您可能在舊規範或客戶文件看到「NaCl 當量 1.56 µg/cm²」。它原是 ROSE 的製程監控參考,後來被當成驗收線;現行 J-STD-001 已不再把它當通用判定值,各產品沒有放諸四海的清潔度數字。客戶若仍指定,依雙方約定執行;沒有指定時,限值由您自己的製程驗證數據決定。

嘉鴻的 JHPB-TLZ20 離子污染測試儀,商品頁寫明以 3:1 異丙醇/去離子水萃取液、40±1 ℃ 恆溫量測電導率與離子濃度;所依標準商品頁未標示,客戶指定特定方法時請先洽詢確認。

五、決定要洗之後,先確認四件事

1. 板上有沒有不耐液體或超音波的零件。 水洗(含用溶劑洗板)最容易出事的,是本體不是氣密封裝的零件:液體進得去,卻乾不了。公開資料裡常見的例子有:蜂鳴器、屏蔽模組、未密封的開關、濕度/氣體/壓力感測器與鏡頭(某 PCB 與組裝服務商的說明,把這些列為不可水洗件,理由是水困在零件裡,之後可能出電氣問題);某壓電蜂鳴器廠明說其產品不是氣密封裝,不能水洗;某繼電器廠說明,防塵蓋型與防助焊劑型不可浸洗,只有塑膠密封型可以。超音波是另一種風險:某晶體廠提醒,超音波清洗可能使晶片共振而斷裂;某 MEMS 感測器廠不建議對含 MEMS 的板子做超音波清洗。已完成三防塗層、灌封的成品,另有技術文提醒超音波可能損傷塗層,液體滲入灌封體的風險則只查到單一業界說法,請依該產品規格處理。

碰到這類零件,實務上有兩條路:整片跳過清洗(上述服務商的做法),或把不能洗的零件留到洗完之後再焊(常是手焊,品質較難管控;單一來源)。無論哪條路,判斷依據一律是該零件資料手冊的清洗注意事項;此為一般情況,仍需視個案而定。

2. 清洗液要對得上殘留。 水溶性與免洗、松香類殘留的極性不同,通用溶劑效果有落差,選之前要先知道您用的是哪一種助焊劑。嘉鴻的鋼板清洗劑・助焊劑清潔劑(JH64/JH46/JH37)商品頁標示為免洗型及松香型助焊劑清洗設計,請提供助焊劑品牌型號與製程條件後洽詢,並可索取 SDS。

3. 洗得進去。 細間距與低 Standoff 的板子,靠噴淋覆蓋與清洗液的潤濕能力。離線 PCBA 清洗機 JHPBT-800P 清洗區域 610×600 mm,支援水洗與化學清洗雙模式;走水洗的話,純水與漂洗水也要一併規劃。

4. 洗完要驗。 回到第 3 步。

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規格以各商品頁為準;實際配置、價格與交期請洽詢。

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  • 分類:清洗相關|離子污染測試設備

標準出處

本文引用之規範,請以各發布機構之最新版本為準。

本文為一般技術資訊。是否需要清洗、清洗條件與驗收門檻,請依您的產品使用環境、客戶規範與驗證數據決定,此為一般情況,仍需視個案而定。商品規格以各商品頁為準,實際配置、價格與交期請洽詢。

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