電源板打火死機6sigma原因分析

李麗

福建捷聯電子有限公司

電源板打火死機6sigma原因分析

李麗

福建捷聯電子有限公司

TPV市場以及廠內chamber端陸續反饋電源板打火死機異常不良，針對此異常，TPV成立專案組織，使用6 sigma DMAIC的思路，分析其產生原因為板面電遷移導致電路導通打火。針對離子產生的源頭進一步分析后，導入原板離子濃度、絕緣阻抗測試，在設計階段針對高風險點位增加開槽或者點膠的動作，并優化了錫爐噴霧系統的參數，從而大幅度了降低板面電遷移的風險幾率。

電源板；死機；電遷移；DMAIC；助焊劑

2010年至2013年間，市場上陸續反饋顯示器整機死機現象，同期廠內chamber試驗箱也發生電源板打火異常。對照市場召回的板子以及chamber試驗箱板子情況，發現打火位置（黑色物質）集中出現在電源板初級電路過完整流橋的三個串聯電阻以及貼片IC位置。電源板整體板面不同位置（不止在打火點位）都出現白色結晶物。此不良在正常生產過程中都未能發現，只有進行chamber高溫高濕通電測試情況下，不良才會暴露出來。如存在潛在異常的不良板直接流入市場，在溫濕度環境比較惡劣的情況此不良會復現，到時給產品的品質和公司的聲譽將會造成很大的影響。基于此，TPV成立專案進行分析，針對chamber模擬出現的不良現象進行分析，找出電源板死機根本原因。

1 板面成分分析（D定義階段）

1.1 板邊白色粉末成分分析

IPC規定：除非能證明這些白色殘留是可靠的，否則就拒收。由于此次出現的白色殘留物(如圖1)較為特殊且嚴重影響基板外觀，雖未有實際電氣影響，因此解決此類問題對解決其它焊接中出現類似現象將起到拋磚引玉的效果。

圖1 .白色殘留物

我們對此白色物質的產生來源進行了分析，主要來源為以下四方面：

1)焊劑中松香

大多數清洗不干凈、儲存后、焊點失效后產生的白色物質，主要成份都是焊劑中本身固有的松香。松香是由多種樹脂酸和少量脂肪酸、中性物質的復雜混合物，通常是一種透明而硬脆的無定形固態物質。松香有結晶的趨向，外部表現就是由無色透明變為白色粉末。PCB板上的這種白色物質，究其本質仍是松香，只是形態不同，因此仍具有良好的絕緣性。

2)松香的變性物

松香的化學品性質主要取決樹脂酸，樹脂酸分子結構有雙鍵和羥基兩個化學活性鍵。松香去除焊接面氧化物就是由羥基完成的。樹脂酸中的共軛雙鍵有較高的化學活性，在焊接條件下(高溫、有氧)容易發生氧化和聚合反應(高溫、有金屬離子做催化劑)。這種氧化、聚合產物在常用清洗溶劑中的溶解度小于松香，因此即使采用正確的清洗后，PCB板上仍有白色殘留，大部分的情況下都是這種松香氧化物或聚合物或其兩者。隨著無鉛焊接溫度的提高，氧化、聚合的程度會增加，因此在保證焊點質量的情況下，控制焊接峰值溫度和時間是非常重要的。但這類白色殘留屬有機物范疇，仍具有良好的絕緣性。

松香以及松香變性物均可以溶解于IPA(異丙醇)溶劑中，TPV將異常板板面粉末刮下，溶解于分析純IPA溶劑中，在室溫下24H完全不能溶解。同時使用FTIR（傅里葉紅外光譜與）進行比對譜行比對，也確認與松香以及松香變性物不是同一類化學品。（如圖2）

圖2 .白色粉末與助焊劑殘留FTIR比對

3)金屬無機鹽

酸性條件下，鹵離子(F-，C1-，Br-)可以和焊料中的金屬氧化物反應生成相應的金屬鹽。這些金屬無機鹽在有機溶劑中的溶解度一般較小。若清潔不當，容易產生白斑。現TPV推行無鹵（低鹵）制程，料件中基本不含游離態的鹵素離子，故金屬無機鹽部分可排除。

4)有機金屬鹽

有機酸與金屬氧化物反應生成可溶于松香中的金屬鹽，從而達到清除焊接表面氧化物的目的，這是助焊化學的最主要的反應。

2RCOOH+MeO——(RCOO)2Me+H20

這類有機金屬鹽—般都可溶于液態松香中，冷卻后與松香形成固溶體。此時，表面殘留物仍具有良好的絕緣性，肉眼也非白色粉末。如果焊接表面、零部件氧化程度較高，則生成的濃度較高，當松香的氧化程度同樣較高時，則這些有機金屬鹽可能隨未溶解的松香氧化物留在板上成為白色殘留。由于以上白色粉末產生的三種途徑一一排除，基本可確認板面白色物質為金屬有機鹽。將白色粉末經SEM&EDS測試后，主要成分為C、H、Sn、O，不含Cl、Br元素，進一步排除了白色粉末為鹵化鹽等金屬無機鹽，從而確認此白色粉末為錫化有機鹽。故在制程使用中，要嚴格管控PCB、元器件、助焊劑的存儲時間，避免過度氧化降低PCB的絕緣性能，對可靠性造成影響。

1.2 板面黑色物質成分分析

針對板面黑色物質發生點位都為打火位置，經顯微鏡放大觀察下，發現其有規律性，是爬電陰極往陽極生長，且呈樹枝形狀（如圖3）。根據此性狀，判定其為電遷移。

圖3 .顯微鏡200X放大后圖像

將黑色物質經SEM&EDS掃描后，其主要成分同樣為Sn、C、O、H等元素，結合上述顯微鏡成像可以判定此次的電遷移屬于錫遷移（如圖4）。在金屬中，銀遷移最為普遍，其他如錫、鉛、銅、銦等雖也會發生遷移，但卻都比銀輕微的很多。現在TPV導入低銀、無銀焊錫后，銀遷移的發生幾率大大降低。但在惡劣高溫高濕、電源板加載電壓情況下，錫遷移就暴露出來。

圖4 .黑色物質SEM&EDS測試

1)什么是電遷移

電遷移通常是指在電場的作用下導電離子運動造成元件或電路失效的現象；分為發生在相鄰導體表面的如常見的銀遷移和發生在金屬導體內部的金屬化電子遷移。電遷移問題作為影響焊點可靠性的關鍵問題之一，容易導致焊點出現裂紋、丘凸和空洞等焊接缺陷，這些由電遷移引發的缺陷最終會導致焊點失效。

2)表面電遷移的特征

在高溫高濕存在偏壓情況下，錫電遷移發生在導體間留下殘留物，在干燥后仍存在旁路電阻，具有不穩定和不可重復的特點，這與表面有導電離子沾污的情況類似。

3)電遷移的四個條件：導電離子、間隙、電壓、溶液媒介。

2 電遷移問題原因分析

由于電遷移的四個條件中間隙、電壓在電路板上承載著功能，溶液媒介在市場端惡劣運輸條件、氣候、客戶使用環境都可能出現，因此無法通過此三方面改善而降低電遷移的風險。只能針對導電離子產生的源頭，通過最近發展的六西格瑪質量管理理念與離子濃度的測試的統計數值結合起來，并以穩健DOE設計研究，找到盡可能完善的或最合適的工藝設計方案。

2.1 試驗的目標函數和MSA量測系統（M量測階段）

此次實驗的最終目標函數Y值輸出：板面離子濃度（μg NaCl Eq./cm2），由于離子濃度測試儀測試精度很敏感，且清洗過程不可重復性，故采用R&R量測。通過不同板號、不同制程階段的板材、不同的人員交叉進行離子濃度測試，從而判定衡量系統是否準確可信。

圖5 .離子濃度的R&R(嵌套)MSA量測

通過圖5圖形并結合線性模式分析數據，此次離子濃度的P/ T Ratio值為5.6%，%Study Variation為14.1%，R/R%Contribution為1.99%，Number of Distinct Categories為9，可判定我們的衡量系統的精度位于GREEN（良好）與YELLOW（合格）之間，離子濃度測試儀器精度可信任。

表1 .離子濃度流程圖分析

表2 .高風險因子確認

表3 .噴霧系統實驗因子要因矩陣分析表

2.2 離子濃度超標分析（A分析階段）

針對板面離子，通過流程圖出關鍵可控的環節、再將這些關鍵可控的因子使用要因矩陣篩選細化。最后通過FMEA七種失效模式找出離子產生的高風險環節，針對高風險環節進行一一測試其離子濃度值，針對離子濃度超標的環節通過DOE實驗優化，降低離子產生的幾率,從而降低電遷移風險。

2.2.1 單面PCBA生產流程：

開料/光板磨刷→水洗→線路印刷→堿性蝕刻→CDD管位鉆孔→綠油前磨刷→綠油印刷→UV固化→文字印刷/UV固化→沖壓成型→V槽切割→電性能測試→涂覆抗氧化膜/松香→外觀檢查→成品PCB→layout選擇→打鉚釘→AI臥立式打件→SMT貼片→漏件檢測→夾邊鐵→MI插件→目視檢驗→錫爐焊接→去邊鐵→上/下板檢修→貼標簽→ICT測試→分板→FT測試→收板→組裝入整機→入chamber測試→產出。

2.2.2 將每步流程圖輸入因子細化后找出關鍵可控的因子：

如開料/光板磨刷環節。（如表1）

2.2.3 將192個關鍵可控的因子通過要因矩陣進一步篩選，找出與電壓、間距、離子濃度、水汽吸收能力、表面絕緣阻抗高相關進行評分。最后按照20/80原則，找出TOP12輸入因子

2.2.4 將要因矩陣篩選后評分值最高的12項目，做FMEA分析，通過每個因子的七個失效模式進一步篩選出高風險的因子，進行測試確認并根據測試結果提供改善對策。（如表2）

2.2.5 離子濃度超標站別DOE改善

通過FMEA分析，助焊劑類型以及流量是高風險輸入因子且無有效對策導入，MI階別也是板面離子濃度幅度最快的站別。基于此需針對錫爐噴霧系統要進一步優化，在滿足焊接的情況下，降低板面的離子濃度。通過要因矩陣確定了助焊劑噴霧系統改善的實驗因子為：助焊劑流量A、助焊劑類型B、噴霧速度C、助焊劑噴嘴離PCB板距離D。

實驗規劃選擇的因子水準和衡量標準如表3，嚴格遵守隨機化、區組化和重復等實驗設計的三個原則，進行實驗的開展和分析。（如表3）

實驗分析結果如下，因子A，AB，B，AC，BC、BD為顯著因子，且總體模型效果顯著。S=0.0840188，R-Sq=99.94%，R-Sq（預測）= 98.98%，R-Sq（調整）=99.72%，且從殘差分析可以看出，方差齊性較為理想，且服從正態分布，模型擬合總效果較為理想。效應的Pareto圖如圖6。

通過主效應分析，交互作用分析，我們可得到，助焊劑流量為20ml，噴霧速度為270mm/s，噴嘴離板面距離70mm，板面離子濃度較低，使用唯特偶助焊劑的板面離子殘留低于同方助焊劑。但是實際制程使用確認，唯特偶助焊劑在20ml流量的情況下爐后品質較差，短路、未焊不良率相較同方助焊劑高。通過交互作用圖可知，在20ml流量情況下，同方助焊劑與唯特偶助焊劑的板面離子濃度殘留差異性不大。基于以上原因，所以針對FR1板材特性，助焊劑類型的最終確認，還需結合樓后品質、成本、可靠性等方面進行AHP分析進行綜合選擇（如圖7）。

圖6 ：效應Pareto圖

圖7 ：助焊劑類型AHP分析圖

通過AHP分析，B1對目標的權重有：

ωˉ3ωˉ1=0.2605×0.2276+0.6333×0.1096+0.1062×0.2500 ωˉ2=0.1552

同理B2、B3的權得=0.4289=0.4159

由以上得可作為最后的決策依據，各方案的權重排序為B2＞B3＞B1。B1,B2,B3分別表示方案一、方案二、方案三，故最后的決策應為選擇方案二進行改善即TFHF9201助焊劑較適合FR1板材。

故噴霧系統站，最終的水準A助焊劑流量：20ml/min，助焊劑類型為TFHF9201，噴霧速度為270mm/s，助焊劑噴嘴離PCB板距離為70mm。此優化后的參數，實際制程試跑確認，爐后不良率與改善前無明顯差異，板面離子濃度大幅度下降。達到了預期的目的，通過降低板面離子濃度而達到降低電遷移風險改善的目的。

3 助焊物/化性參數優化（I改善和C控制階段）

通過以上的DOE實驗，可知助焊劑類型對焊后殘留與板面保護性狀以及電遷移有很大相關性，故需對助焊劑本身特性的充分了解，才能更加可靠的降低電遷移產生的幾率，圖2為助焊劑功能樹分析。

通過客戶需求成本、制程品質、可靠性、環保等方面最確定活性劑類型、松香類型以及量、活性劑反應溫度為下一步助焊劑開發重點評估項目。后續助焊劑開發要嚴格按照開發流程，需供應商提供第三方SIR(表面絕緣阻抗)和ECM(電遷移)等可靠性測試報告，測試合格才有資格導入試跑。

圖8 ：助焊劑功能數樹研究

4 對策導入后改善效果

自電遷移對策導入后至今，電遷移的高發季節-梅雨季節電遷移發生幾率明顯降低，且市場都未有電遷移異常case反饋。導入對策后助焊劑流量有原先的40ml/min降低至20ml/min，使用量大幅度降低，降低了公司成本，減少電遷移異常(停線，返工，退貨等)的成本。

5 總結與展望

將電遷移作為焊點失效重點考慮的失效模式并文件化管理起來，將此次研究出來的對策如原材板離子濃度測試，板面絕緣阻抗測試、助焊劑開發階段項目測試加入到設計以及開發階段指導書中。

由于電遷移還存在著其他不確定性因素，如電流密度、電遷移時間與溫度、合金元素等因素。此方面因素明顯影響了電遷移的失效過程且顯著降低焊點的力學性能。

目前TPV電遷移專案導入的對策只是部分的減少并不能做到杜絕，可以將上述影響因子同樣通過6SIGMA的思路，將技術矛盾、物理矛盾或者物-場模型分析做出來，通過查找對應的40個發明原理和76個標準解來指導我們思考方向，查閱專利庫、網絡資源等，降低電遷移的不良率，可將解決思維擴大化。

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