FTIR紅外光譜與GC—MS色譜—質(zhì)譜聯(lián)用綜合分析線路板失效原因

李靜　丁麗　張建輝

摘 要 本文利用紅外光譜與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，進行線路板失效原因分析。發(fā)現(xiàn)在一定的溫度和濕度下，硅膠墊的揮發(fā)物和滲出物三乙氧基辛基硅烷容易和異常焊劑的殘留物發(fā)生相溶現(xiàn)象，故導(dǎo)致焊點附近有異物生成，并頂開焊點造成電路失效。

關(guān)鍵詞 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù) FTIR紅外光譜 線路板失效分析

1 前 言

一般的電子組件是將器件焊接在PCB板（印制電路板）上，其中任何一部分出現(xiàn)問題都將直接導(dǎo)致電子組件失效，并最終影響整機的質(zhì)量和可靠性[1]。目前，出現(xiàn)大量新型器件使用高密度PCB板，由于工藝控制不當導(dǎo)致的工藝缺陷、設(shè)計等因素導(dǎo)致PCB板絕緣性失效和焊點疲勞失效，都已經(jīng)成為影響電子組件可靠性的主要因素。因此，準確判斷失效的機理和原因，成為避免失效重復(fù)發(fā)生的關(guān)鍵[2，3]。

PCB板是重要的電子部件，它不但是電子元件的支撐體，而且是電子元器件線路連接的提供者。本文將通過FTIR（傅立葉變換紅外光譜儀）、GC-MS（色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀）、電導(dǎo)率儀綜合分析一個典型PCB板上焊點被異物頂開造成電路失效的事例。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器

VERTEX 70傅立葉變換紅外光譜儀：德國布魯克公司，儀器參數(shù)（光譜范圍：8，000cm-1-50 cm-1；分辨率：優(yōu)于0.16 cm-1；波數(shù)精度：優(yōu)于0.01cm-1；透光率精度：優(yōu)于0.1%T）；紅外顯微鏡：德國布魯克公司；GC-MS 600 色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國PE公司，儀器參數(shù)（質(zhì)量范圍：1.0-1200道爾頓；質(zhì)量穩(wěn)定性 ±0.1m/z，超過48h）。DDSJ-308 A 電導(dǎo)率儀；GC-MS測試條件為質(zhì)譜：源溫250℃，接口280℃，進樣口250℃，延遲3.5min，質(zhì)量數(shù)范圍50amu-500amu；色譜：起始溫度50℃，維持2min，以每分鐘10℃升到280℃，維持10min[4，5]。

2.2 實驗步驟

分別對焊接PCB板的焊劑、在焊劑過程中防靜電用硅膠墊、線路板殘留物進行了如下的測試。

2.2.1 提取焊劑 將適量焊絲切成小段，用索氏抽提器抽提6h后取出焊劑，焊膏可在適當?shù)臏囟认聼崛鄢龊竸Ｈ缓笕∩倭刻崛〕龅暮竸?，做紅外分析[6]。

2.2.2 硅膠墊滲出物 用溶劑在一定的功率及溫度下超聲萃取硅膠墊，萃取液再用真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器在40℃濃縮至1mL-2mL做色譜分析。

2.2.3 硅膠墊揮發(fā)物 取自然風(fēng)干后的硅膠墊5克于20mL頂空瓶中，在90℃下平衡48h后取樣350mL做色譜分析[7]。

2.2.4 線路板殘留物 紅外顯微鏡測試結(jié)果（見圖1）。取線路板上的殘留物用溶劑超聲萃取，在30℃下用真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器濃縮萃取液至1mL-2mL做色譜分析。

2.2.5 水萃取液電導(dǎo)率 在5個燒杯中加入溫度為23℃±2℃且電阻率不小于5×105Ωcm的去離子水適量，再在3個杯子中分別加入適量的焊劑，其余2個杯子作空白，同時加熱到沸點并煮沸1min后冷卻。保持溫度為23℃±2℃條件下，測試其電導(dǎo)率值。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 提取焊劑的紅外測試譜圖

譜圖見圖2和圖3，從異常焊劑測試譜圖3中可以看出，1722cm-1處吸收峰是酯基C=O與羧基C=O的疊加，說明該樣品中含有機酸及有機酯，但酯基含量少；而正常焊劑測試譜圖2中1725cm-1處酯基峰C=O與1695cm-1羧基C=O峰分得很好，說明該樣品中含有機酸、有機酯，但正常焊劑含有的酯基較異常焊劑多[8]。

3.2 線路板殘留物紅外譜圖

測試譜圖如圖4所示，檢索結(jié)果如圖5所示，該殘留物為含硅-氧鍵的有機硅化合物。

3.3 用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀測試的色譜圖

用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分別測試硅膠墊滲出物、硅膠墊揮發(fā)物、用戶提供線路板表面殘留物的色譜圖如圖6所示，檢索結(jié)果見圖7。硅膠墊滲出物、硅膠墊揮發(fā)物、線路板殘留物的色譜圖分析對比結(jié)果，具體描述如表1所示。

分析結(jié)果表面：硅膠墊滲出物、硅膠墊揮發(fā)物、線路板殘留物的色譜圖中都含有三乙氧基辛基硅烷（C14H32O3Si）， 而三乙氧基辛基硅烷是用于硅橡膠的表面處理劑[9]。

測試正常焊劑和異常焊劑的水萃取液電導(dǎo)率，正常焊劑的電導(dǎo)率為0.67（ms/cm）；異常焊劑的電導(dǎo)率為3.87（ms/cm）。對比測試結(jié)果可以得出，電導(dǎo)率值大的異常焊劑水溶性好，因此該焊劑經(jīng)電焊后吸潮性大；而正常焊劑則相反水溶性差，則吸潮性小。

4 結(jié)果與討論

根據(jù)測試殘留物的紅外譜圖，檢索結(jié)果為含硅-氧鍵的有機硅化合物。硅膠墊滲出物、硅膠墊揮發(fā)物、用戶線路板表面殘留物，這3種物質(zhì)的色譜分析結(jié)果都含有三乙氧基辛基硅烷。從正常焊劑的紅外測試譜圖1可以看出該焊劑含酯高，含酯高的焊劑具有疏水性，不易吸潮；而異常焊劑紅外測試譜圖2中酯基少，疏水性差容易吸潮，因此在一定的溫度和濕度下異常焊劑容易和硅膠墊的揮發(fā)物、滲出物三乙氧基辛基硅烷發(fā)生相溶現(xiàn)象。

根據(jù)水溶性電導(dǎo)率值的測定也證實這一點，電導(dǎo)率值大的異常焊劑水溶性好，因此焊劑焊接后在高溫高濕下吸潮性大，容易和硅膠墊的揮發(fā)物、滲出物三乙氧基辛基硅烷發(fā)生相溶現(xiàn)象；而正常焊劑則相反電導(dǎo)率值小，水溶性差吸潮性小，硅膠墊滲出物和揮發(fā)物三乙氧基辛基硅烷在相同條件下與正常焊劑不發(fā)生相溶現(xiàn)象，在線路板上就不會出現(xiàn)異物。

綜合分析，充分證明線路板上的異物為硅膠墊滲出物和揮發(fā)物三乙氧基辛基硅烷和焊劑發(fā)生相溶后造成的，在實際應(yīng)用過程中應(yīng)引起注意。

參考文獻

[1] 邱寶軍，羅道軍，汪洋，等.軍用電子組件（PCBA）失效分析技術(shù)與案例[J]. 環(huán)境技術(shù)，2010，（5）： 44-49.

[2] 楊振國. 印制電路板的失效分析[J].金屬熱處理，2011，3（增刊）：5.

[3] 陶劍磊，方培源，王家輯，等.由版圖引起的CMOS ESD保護電路失效分析[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2007，32（11）： 1003-1006

[4] 楊帥，楊文文，呂青濤，等.GC-MS結(jié)合保留指數(shù)分析半枝蓮揮發(fā)性成分[J].現(xiàn)代儀器，2012，18（3）： 47-50.

[5] 傅強，錢之楊.氣相色譜法測定八甲基環(huán)四硅氧烷[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2000，（5）：46-47

[6] 中華人民共和國 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 9491-2002 錫焊用液態(tài)焊劑（松香基）[s].2002.

[7] 王忠友，劉瑩峰，周明輝，等.頂空GC-MS法測定漆包線中殘留有害揮發(fā)物[J].檢驗檢疫科學(xué)，2004，14 （2）：57-58.

[8] 吳瑾光，許振華.近代傅里葉變換紅外光譜技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻出版社1994：234-236.

[9] 徐曉強，岳立.正辛基三乙氧基硅烷合成[J].有機硅材料.2010，25（2）： 91-93.