Komponenttilevyn valmistuksen puhtaus

KOTELin raportissa [KOTEL 207] Pesumenetelmät pintaliitostekniikassa on esi-telty komponenttilevyllä tavallisesti esiintyviä epäpuhtauksia. Raportin mukaan ne ovat jaettavissa hiukkasiin, kuten hiukset ja noki, orgaanisiin aineisiin, kuten ihovoiteet ja valmistusprosessissa käytettävät materiaalit, epäorgaaniset aineet, kuten suolat ja hapot, sekä mikrobit, kuten virukset, bakteerit ja sienet. Jos aineet absorboivat vettä ja läsnä on ionisoivia aineita, vuotovirrat ja elektrolyysissä syn-tyvät kemialliset aineet kiihdyttävät piirilevyn vanhenemista. Epäorgaaniset ai-neet voivat helposti ionisoitua ja johtaa sähköä.

Esimerkkinä piirilevyjen puhtausvaatimuksista mainittakoon standardin ANSI/J-STD-001D kohdassa 8 Puhtausvaatimukset piirilevyille annetut vaatimukset pii-rilevylle ennen juottamista (8.1.2) ja komponenttilevyille juottamisen jälkeen (8.3). Tämän mukaan piirilevyn ja komponenttien liitosjohdinten on oltava niin puhtaat, että ne täyttävät juottuvuusvaatimukset. Jos peseminen kuuluu vaati-muksiin, on se tehtävä juottamisen jälkeen niin nopeasti kuin suinkin, mieluiten tunnin sisällä juottamisesta, jotta juoksutejäämät saadaan poistettua. Juoksute-jäämien määrät luokitellaan em. standardin kohdassa 8.3.5 kolmeen luokkaan

1 < 200 µg/cm² 2 < 100 µg/cm² 3 < 40 µg/cm²,

kun mittaus tehdään IPC-TM-650, testausmenetelmän 2.3.27 mukaisesti. Lisäksi vaatimukseen kuuluu, että komponenttilevyllä on IPC-TM-650, testausmenetel-millä 2.3.26 (dynaaminen) tai 2.3.26.1 (staattinen) mitaten enintään 1,56 µg/cm² ionisia tai ionisoituvia juoksutejäämiä laskettuna NaCl-ekvivalentteina.

Tämä ionisten epäpuhtauksien määrä vastaa IPC-A-600E/IPC-6012:ssa annettua pintaresistanssin suositusarvoa > 2 · 10⁶ Ωcm [KOTEL 222]. Korroosionesto-maalauksessa pinnan katsotaan olevan puhdas, kun sillä NaCl-pitoisuus on kor-keintaan 1 µg/cm² (10 mg/m²). Standardissa SFS-EN-ISO 8502-6 esitetään ns.

Bresle-menetelmä, jolla maalattavan pinnan puhtaus analysoidaan. Jos piirilevy suojataan juotteenestopinnoitteella, on kiinnitettävä huomiota siihen ettei juot-teenestopinnoitteen alle jäisi ioinisia epäpuhtauksia, jotka johtavat kostuessaan sähköä ja mahdollistavat korroosion.

Standardissa ANSI/J-STD-001D kohdassa 8.3.9 opastetaan käyttämään IPC-TM-650, testausmenetelmää 2.3.38, jos halutaan kontrolloida orgaanisten ei-ionisten epäpuhtauksien määrä piirilevyillä. Tämän menetelmän erotuskyky on luokkaa 10 µg/cm² orgaanisia jäämiä komponenteissa tai levyllä. Vaatimusraja on itse päätettävä.

Juottamisen onnistumiseen käytetään joko erikseen levitettäviä juoksutteita tai pastan joukkoon sekoitettuja juoksutteita. Juoksutteet sisältävät aktivaattoreita, jotka reagoivat metallipintojen kanssa muodostaen juotoslämpötilassa kaasumai-sia aineita. Juottamisen jälkeen aktivaattorit ja syntyneet reaktiotuotteet pyritään nykyisin sitomaan paikoilleen piirilevyllä. Esim. hartsipohjaisissa juoksutteissa ne jäävät loukkuun hartsiin. Jos tällaista komponenttilevyä lämmitetään uudel-leen yli hartsin sulamispisteen, reaktiot käynnistyvät uudeluudel-leen ja ne saattavat johtaa lievään korroosioon. Mikäli aineita on liikaa tai käytetty lämpömäärä on

riittämätön, levylle voi jäädä reagoimattomia aktivaattoreita. Liian pitkä juotos-aika tai liian suuri lämpömäärä taas voi johtaa ei-toivottuihin kemiallisiin reakti-oihin, jolloin syntyvät kemialliset yhdisteet voivat aiheuttaa ongelmia.

Lasikuitulaminaatin hartsi voi reagoida juoksutteen happojen kanssa muodostaen estereitä. Pesuttomassa prosessissa voivat esterit jäädä piirilevyn pinnalle. Mikäli juoksute sisältää kloridi-ioneja, voivat ne reagoida bromattujen fenolien kanssa (palonestoaine) vapauttaen bromidi-ioneita. Nämä reagoivat juotteen pinnalla lyi-jyn kanssa valkeaksi lyijybromidiksi. Kosteuden ja ilmassa olevan hiilidioksidin läsnä ollessa voi lyijybromidista muodostua lyijykarbonaattia, joka voi aiheuttaa vuotovirtojen kasvua. Juoksutteet sisältävät usein glykoleja ja niiden johdannai-sia, jotka voivat reagoida juotteenestopinnoitteen kanssa tyypillisissä juotosolo-suhteissa. Seurauksena on pintaresistanssin pieneneminen.

Komponenttilevyn ulkonäöstä ja sen luotettavuudesta voitaneen yhteenvetona todeta, kuten raportissa [KOTEL 230] Vesipohjaiset juoksutteet: Visuaalinen puhtaus, ionisten jäämien määrä ja luotettavuus eivät korreloi aina keskenään matalan kiintoaineen juoksutteita käytettäessä, sillä eri jäämät ovat korroosiovai-kutuksiltaan erilaisia. Epäpuhtauskasaumina ne ovat kuitenkin luotettavuusriski (katso ANSI-J-STD-004].

Aikaisemmin komponenttilevyt pestiin juottamisen ja kokoonpanon jälkeen. Tä-män tarkoituksena oli poistaa komponenttilevyn pinnalta prosessijäämät. Tämä mahdollisti aktiivisempien juoksutteiden käytön, jolla taattiin helpompi juottu-vuus myös hankalille komponenteille. Nykyisin useimmat laitevalmistajat ovat luopuneet pesusta ja siirtyneet ns. pesuttomaan prosessiin, jolloin syntyneet epä-puhtaudet jäävät loukkuun edellä kuvatulla tavalla piirilevyn pinnalle [KOTEL 223]. Pesun käyttö ei nykyisin useimmiten onnistu kahdesta syystä. Ensinnäkin juoksutteet on suunniteltu pesuttomuutta varten, jolloin pesu ei välttämättä irrota helposti epäpuhtauksia pinnoilta, ja toiseksi tiheiden rakenteiden ja suurten kom-ponenttien alapuolien peseminen ei aina onnistu, jolloin epäpuhtaudet voivat kes-kittyä tiheiden rakenteiden lähelle aiheuttaen vuotovirtoja ja muita ongelmia.

KOTELin raportissa KOTEL 222 Komponenttilevyn epäpuhtaudet on koottu kir-jallisuudesta tietoa pesemättömän komponenttilevyn luotettavuuteen vaikuttavis-ta tekijöistä. Raportissa on lueteltu konvaikuttavis-taminaation lähteitä, esitelty mavaikuttavis-talan kiin-toainepitoisuuden juoksutteiden sisältämiä aineita, kerrottu eri aineiden välisistä reaktioista sekä selvitetty kontaminaatioiden vaikutuksista ja piirilevyn puhtau-den arvioinnista.

Kontaminaation vaikutuksesta piirilevyllä esiintyy korroosiota, vuotovirtojen kasvua, sähkökemiallista migraatiota, homeen kasvua, pinnoitteiden irtoamista ja eristävien kontaktipintojen muodostumista. Komponenttilevyn yleisin kor-roosiotyyppi on elektrolyyttinen korroosio, joka voi tapahtua vierekkäisten joh-timien välisen sähkökentän ja kosteuden läsnä ollessa tai erilaisten metallien välille indusoituneen jännitteen takia [Lea, 1988], (vrt. liite 1). Vuotovirrat ovat korroosiota paljon yleisempi ongelma, koska johtimet ovat nykyisin tiheässä ja puolijohdeteollisuudessa on siirrytty korkean impedanssitason komponentteihin.

Vuotovirtojen syntymiseen tarvitaan kosteutta ja ionisia epäpuhtauksia. Suhteel-lisen kosteuden ei tarvitse olla korkea, tyypillinen huoneilma 40...50 % RH riit-tää, koska pintaan tarttuneet hygroskooppiset aineet ja erilaiset kuidut voivat imeä riittävästi kosteutta kriittisiin alueisiin.

Metallien migraatiopolut tarvitsevat syntyäkseen kosteutta, epäpuhtauksia sekä jännitteen. Migraatiota esiintyy komponenttilevyllä kuparilla sekä tina-lyijyllä.

Puhtaalla hopealla ilmiö on erityisen voimakas [Lea, 1992]. Homesienten aiheut-tamia ongelmia esiintyy lähinnä trooppisessa ympäristössä ja se viittaa lähinnä tuotteen epätäydelliseen puhdistamiseen. (vrt. liite 1 kohta 2.18 Homeen kas-vuedellytykset). Epäpuhtaus piirilevyn pinnalla voi aiheuttaa suojapinnoitteen huonon adheesion ja irtoamisen. Levyllä näkyvät valkoiset pisteet ovat selvä osoitus ionisista epäpuhtauksista, jotka olivat levyllä jo suojapinnoitetta laitetta-essa. Eristäviä kontaktipintoja muodostuu, kun esim. hartsi jää kontaktipinnoille kuten liitinpinnoille ja piirin testikontaktialueisiin. Sähkökemiallisesta migraation aiheuttamista ongelmista piirilevyllä on olemassa julkaisu: IPC-TR-476A, Elect-rochemical Migration: ElectElect-rochemically Induced Failures in Printed Wiring Boards and Assemblies, July 1995.