電源板打火死機(jī)6sigma原因分析

李麗

福建捷聯(lián)電子有限公司

電源板打火死機(jī)6sigma原因分析

李麗

福建捷聯(lián)電子有限公司

TPV市場以及廠內(nèi)chamber端陸續(xù)反饋電源板打火死機(jī)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(chǎn)生原因?yàn)榘迕骐娺w移導(dǎo)致電路導(dǎo)通打火。針對離子產(chǎn)生的源頭進(jìn)一步分析后，導(dǎo)入原板離子濃度、絕緣阻抗測試，在設(shè)計(jì)階段針對高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位增加開槽或者點(diǎn)膠的動(dòng)作，并優(yōu)化了錫爐噴霧系統(tǒng)的參數(shù)，從而大幅度了降低板面電遷移的風(fēng)險(xiǎn)幾率。

電源板；死機(jī)；電遷移；DMAIC；助焊劑

2010年至2013年間，市場上陸續(xù)反饋顯示器整機(jī)死機(jī)現(xiàn)象，同期廠內(nèi)chamber試驗(yàn)箱也發(fā)生電源板打火異常。對照市場召回的板子以及chamber試驗(yàn)箱板子情況，發(fā)現(xiàn)打火位置（黑色物質(zhì)）集中出現(xiàn)在電源板初級電路過完整流橋的三個(gè)串聯(lián)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(diǎn)位）都出現(xiàn)白色結(jié)晶物。此不良在正常生產(chǎn)過程中都未能發(fā)現(xiàn)，只有進(jìn)行chamber高溫高濕通電測試情況下，不良才會(huì)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(huán)境比較惡劣的情況此不良會(huì)復(fù)現(xiàn)，到時(shí)給產(chǎn)品的品質(zhì)和公司的聲譽(yù)將會(huì)造成很大的影響。基于此，TPV成立專案進(jìn)行分析，針對chamber模擬出現(xiàn)的不良現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出電源板死機(jī)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(guī)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(xiàn)的白色殘留物(如圖1)較為特殊且嚴(yán)重影響基板外觀，雖未有實(shí)際電氣影響，因此解決此類問題對解決其它焊接中出現(xiàn)類似現(xiàn)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(zhì)的產(chǎn)生來源進(jìn)行了分析，主要來源為以下四方面：

1)焊劑中松香

大多數(shù)清洗不干凈、儲(chǔ)存后、焊點(diǎn)失效后產(chǎn)生的白色物質(zhì)，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(zhì)的復(fù)雜混合物，通常是一種透明而硬脆的無定形固態(tài)物質(zhì)。松香有結(jié)晶的趨向，外部表現(xiàn)就是由無色透明變?yōu)榘咨勰?。PCB板上的這種白色物質(zhì)，究其本質(zhì)仍是松香，只是形態(tài)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(xué)品性質(zhì)主要取決樹脂酸，樹脂酸分子結(jié)構(gòu)有雙鍵和羥基兩個(gè)化學(xué)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(xué)活性，在焊接條件下(高溫、有氧)容易發(fā)生氧化和聚合反應(yīng)(高溫、有金屬離子做催化劑)。這種氧化、聚合產(chǎn)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(huì)增加，因此在保證焊點(diǎn)質(zhì)量的情況下，控制焊接峰值溫度和時(shí)間是非常重要的。但這類白色殘留屬有機(jī)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(shí)使用FTIR（傅里葉紅外光譜與）進(jìn)行比對譜行比對，也確認(rèn)與松香以及松香變性物不是同一類化學(xué)品。（如圖2）

圖2 .白色粉末與助焊劑殘留FTIR比對

3)金屬無機(jī)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(yīng)生成相應(yīng)的金屬鹽。這些金屬無機(jī)鹽在有機(jī)溶劑中的溶解度一般較小。若清潔不當(dāng)，容易產(chǎn)生白斑?，F(xiàn)TPV推行無鹵（低鹵）制程，料件中基本不含游離態(tài)的鹵素離子，故金屬無機(jī)鹽部分可排除。

4)有機(jī)金屬鹽

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

2RCOOH+MeO——(RCOO)2Me+H20

這類有機(jī)金屬鹽—般都可溶于液態(tài)松香中，冷卻后與松香形成固溶體。此時(shí)，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(dāng)松香的氧化程度同樣較高時(shí)，則這些有機(jī)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(chǎn)生的三種途徑一一排除，基本可確認(rèn)板面白色物質(zhì)為金屬有機(jī)鹽。將白色粉末經(jīng)SEM&EDS測試后，主要成分為C、H、Sn、O，不含Cl、Br元素，進(jìn)一步排除了白色粉末為鹵化鹽等金屬無機(jī)鹽，從而確認(rèn)此白色粉末為錫化有機(jī)鹽。故在制程使用中，要嚴(yán)格管控PCB、元器件、助焊劑的存儲(chǔ)時(shí)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(zhì)成分分析

針對板面黑色物質(zhì)發(fā)生點(diǎn)位都為打火位置，經(jīng)顯微鏡放大觀察下，發(fā)現(xiàn)其有規(guī)律性，是爬電陰極往陽極生長，且呈樹枝形狀（如圖3）。根據(jù)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(zhì)經(jīng)SEM&EDS掃描后，其主要成分同樣為Sn、C、O、H等元素，結(jié)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(huì)發(fā)生遷移，但卻都比銀輕微的很多?，F(xiàn)在TPV導(dǎo)入低銀、無銀焊錫后，銀遷移的發(fā)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(zhì)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(dǎo)電離子運(yùn)動(dòng)造成元件或電路失效的現(xiàn)象；分為發(fā)生在相鄰導(dǎo)體表面的如常見的銀遷移和發(fā)生在金屬導(dǎo)體內(nèi)部的金屬化電子遷移。電遷移問題作為影響焊點(diǎn)可靠性的關(guān)鍵問題之一，容易導(dǎo)致焊點(diǎn)出現(xiàn)裂紋、丘凸和空洞等焊接缺陷，這些由電遷移引發(fā)的缺陷最終會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)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(fā)生在導(dǎo)體間留下殘留物，在干燥后仍存在旁路電阻，具有不穩(wěn)定和不可重復(fù)的特點(diǎn)，這與表面有導(dǎo)電離子沾污的情況類似。

3)電遷移的四個(gè)條件：導(dǎo)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(gè)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(yùn)輸條件、氣候、客戶使用環(huán)境都可能出現(xiàn)，因此無法通過此三方面改善而降低電遷移的風(fēng)險(xiǎn)。只能針對導(dǎo)電離子產(chǎn)生的源頭，通過最近發(fā)展的六西格瑪質(zhì)量管理理念與離子濃度的測試的統(tǒng)計(jì)數(shù)值結(jié)合起來，并以穩(wěn)健DOE設(shè)計(jì)研究，找到盡可能完善的或最合適的工藝設(shè)計(jì)方案。

2.1 試驗(yàn)的目標(biāo)函數(shù)和MSA量測系統(tǒng)（M量測階段）

此次實(shí)驗(yàn)的最終目標(biāo)函數(shù)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(fù)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(jìn)行離子濃度測試，從而判定衡量系統(tǒng)是否準(zhǔn)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(jié)合線性模式分析數(shù)據(jù)，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(tǒng)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(fēng)險(xiǎn)因子確認(rèn)

表3 .噴霧系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)因子要因矩陣分析表

2.2 離子濃度超標(biāo)分析（A分析階段）

針對板面離子，通過流程圖出關(guān)鍵可控的環(huán)節(jié)、再將這些關(guān)鍵可控的因子使用要因矩陣篩選細(xì)化。最后通過FMEA七種失效模式找出離子產(chǎn)生的高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，針對高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行一一測試其離子濃度值，針對離子濃度超標(biāo)的環(huán)節(jié)通過DOE實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，降低離子產(chǎn)生的幾率,從而降低電遷移風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1 單面PCBA生產(chǎn)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(yàn)→錫爐焊接→去邊鐵→上/下板檢修→貼標(biāo)簽→ICT測試→分板→FT測試→收板→組裝入整機(jī)→入chamber測試→產(chǎn)出。

2.2.2 將每步流程圖輸入因子細(xì)化后找出關(guān)鍵可控的因子：

如開料/光板磨刷環(huán)節(jié)。（如表1）

2.2.3 將192個(gè)關(guān)鍵可控的因子通過要因矩陣進(jìn)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(guān)進(jìn)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(xiàng)目，做FMEA分析，通過每個(gè)因子的七個(gè)失效模式進(jìn)一步篩選出高風(fēng)險(xiǎn)的因子，進(jìn)行測試確認(rèn)并根據(jù)測試結(jié)果提供改善對策。（如表2）

2.2.5 離子濃度超標(biāo)站別DOE改善

通過FMEA分析，助焊劑類型以及流量是高風(fēng)險(xiǎn)輸入因子且無有效對策導(dǎo)入，MI階別也是板面離子濃度幅度最快的站別?；诖诵栳槍﹀a爐噴霧系統(tǒng)要進(jìn)一步優(yōu)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(tǒng)改善的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)規(guī)劃選擇的因子水準(zhǔn)和衡量標(biāo)準(zhǔn)如表3，嚴(yán)格遵守隨機(jī)化、區(qū)組化和重復(fù)等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的三個(gè)原則，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的開展和分析。（如表3）

實(shí)驗(yàn)分析結(jié)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(yù)測）= 98.98%，R-Sq（調(diào)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(tài)分布，模型擬合總效果較為理想。效應(yīng)的Pareto圖如圖6。

通過主效應(yīng)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(shí)際制程使用確認(rèn)，唯特偶助焊劑在20ml流量的情況下爐后品質(zhì)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?；谝陨显颍葬槍R1板材特性，助焊劑類型的最終確認(rèn)，還需結(jié)合樓后品質(zhì)、成本、可靠性等方面進(jìn)行AHP分析進(jìn)行綜合選擇（如圖7）。

圖6 ：效應(yīng)Pareto圖

圖7 ：助焊劑類型AHP分析圖

通過AHP分析，B1對目標(biāo)的權(quán)重有：

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

同理B2、B3的權(quán)得=0.4289=0.4159

由以上得可作為最后的決策依據(jù)，各方案的權(quán)重排序?yàn)锽2＞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(yīng)為選擇方案二進(jìn)行改善即TFHF9201助焊劑較適合FR1板材。

故噴霧系統(tǒng)站，最終的水準(zhǔn)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(yōu)化后的參數(shù)，實(shí)際制程試跑確認(rèn)，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(dá)到了預(yù)期的目的，通過降低板面離子濃度而達(dá)到降低電遷移風(fēng)險(xiǎn)改善的目的。

3 助焊物/化性參數(shù)優(yōu)化（I改善和C控制階段）

通過以上的DOE實(shí)驗(yàn)，可知助焊劑類型對焊后殘留與板面保護(hù)性狀以及電遷移有很大相關(guān)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(chǎn)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(zhì)、可靠性、環(huán)保等方面最確定活性劑類型、松香類型以及量、活性劑反應(yīng)溫度為下一步助焊劑開發(fā)重點(diǎn)評估項(xiàng)目。后續(xù)助焊劑開發(fā)要嚴(yán)格按照開發(fā)流程，需供應(yīng)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(bào)告，測試合格才有資格導(dǎo)入試跑。

圖8 ：助焊劑功能數(shù)樹研究

4 對策導(dǎo)入后改善效果

自電遷移對策導(dǎo)入后至今，電遷移的高發(fā)季節(jié)-梅雨季節(jié)電遷移發(fā)生幾率明顯降低，且市場都未有電遷移異常case反饋。導(dǎo)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(jié)與展望

將電遷移作為焊點(diǎn)失效重點(diǎn)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(fā)階段項(xiàng)目測試加入到設(shè)計(jì)以及開發(fā)階段指導(dǎo)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(shí)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(diǎn)的力學(xué)性能。

目前TPV電遷移專案導(dǎo)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(shù)矛盾、物理矛盾或者物-場模型分析做出來，通過查找對應(yīng)的40個(gè)發(fā)明原理和76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解來指導(dǎo)我們思考方向，查閱專利庫、網(wǎng)絡(luò)資源等，降低電遷移的不良率，可將解決思維擴(kuò)大化。

[1]根里奇·阿奇舒勒，《哇……發(fā)明家誕生了》，華中科技大學(xué)出版社，2008-10

[2]馬林、何楨，《六西格瑪管理》（第二版），中國人民大學(xué)出版社，2010-6

[3]黃燕，《焊接后白色殘留粉的化學(xué)本質(zhì)》，2006-8

[4]房加強(qiáng)，于治水等，《微電子封裝中焊點(diǎn)的電遷移現(xiàn)象分析與研究》，上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)。2013-3

[5]王玲、劉曉劍、萬超，《Sn-Ag-Cu無鉛釬料互連焊點(diǎn)的電遷移研究進(jìn)展》，電子工藝技術(shù)，2013-3