AnálisisTOF SIMS paradeterminación de óxidosde estaño en PCB s Lead-Free*

Transcripción

1 AnálisisTOF SIMS paradeterminación de óxidosde estaño en PCB s Lead-Free* Jose Maria Servin Olivares, Cynthia Gómez Aceves CONTINENTAL CUAUTLA, MEXICO jose.servin@continental-corporation.com cynthia.gomez@continental-corporation.com *Partede la Presentaciónfuedada en APEX 2013

2 Comparación de Técnicas: TOF-SIMS vs SEM/EDX SEM (Scanning ElectronMicroscopy): Excita los electrones con un rayo de electrones y los colecta midiendo su energía. e - e - SEM EDX (Energy DispersiveX-ray): Remueve los electrones de las capas internas para poder diferenciar los elementos cuando son remplazados.

3 Comparación de Técnicas: TOF-SIMS vs SEM/EDX SEM: Es una técnica para toma de imágenes, revisión de topografía y perfil de superficie. EDX: Identifica los espectro de elementos y sus porcentajes en la superficie del material.

4 Comparación de Técnicas: TOF-SIMS vs SEM/EDX ToF-SIMS (Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectroscopy: Colecta los átomos en forma de iones desprendidos de las capas exteriores del material usando un rayo de iones. I X ± X Y Z TOF-SIMS XYZ ± XY ± Z ±

5 Comparación de Técnicas: TOF-SIMS vs SEM/EDX TOF-SIMS: Permite obtener espectros, imágenes con la distribución individual de los elementos en la superficie y perfiles de profundidad.

6 Estudio 1 Problemas de mojado en PCB con HASL (Hot Air Surface Leveling) LF (Lead-free).

7 Estudio del caso Color amarillento y azulado Dewetting Tarjetas con Lead-Free HASL mostraron pobre solderabilidad en diversas áreas en forma aleatoria. La hipótesis inicial fue que las tarjetas tenía un espesor delgado de HASL; sin embargo, investigaciones posteriores señalaron otra fuente del inhibidor del mojado.

8 Estudio del caso Pad Normal Bright Field Pad sospechoso Luz polarizada Pad sospechoso Dark field Imágenes generadas con microscopio metalográfico muestran áreas oscuras y puntos cafés en la superficie de los pads. Estos contaminantes puedes ser de origen orgánico o inorgánico. El uso del SEM es la técnica más recomendada para este tipo de análisis.

9 AnálisisSEM/EDX: Parte buena C O Si Br Sn Reference sample En los pads de los PCB con buena soldabilidad, únicamente concentración de impurezas comunes fueron encontrados. La superficie se ve uniforme y homogéneo. Los elementos en la muestra son Br y O (Baja concentración). Estos elementos podrían disminuir la soldabilidad dependiendo de su concentración.

10 Análisis SEM/EDX Parte afectada La diferencia signifcativa con respecto a los pads no afectados en una mayor concentración de Cobre (Cu). Cu puede formar oxidos que son limpiados por los fluxes pero la concentración de oxígeno es muy baja, o no detectada. Estos resultados no son esperados!!

11 Análisis SEM/EDX Las áreas con gran coloración presentan muchos problemas de soldabilidad. Sin embargo, en los análisis de SEM-EDX, la diferencia entre pads afectados y no afectados fue mínima. El oxígeno (relacionado a posible óxidos) fue aproximadamente el mismo porcentaje en ambas muestras (Buenas vs malas).

12 Análisis SEM/EDX Algunas veces la falla es detectada por el ojo humano, pero es invisible al SEM. Básicamente, si la falla no puede ser vista en el SEM, No puede ser analizada!

13 Análisis TOF-SIMS Modo de espectrómetro: Espectrometría de pads afectados

14 Análisis TOF-SIMS Modo de espectrómetro: Espectrometría de pads afectados

15 Análisis TOF-SIMS Los iones más significativos detectados en los pads afectados y son los siguientes elementos y compuestos. Estaño y óxidos de estaño Hidrocarburos alifáticos Hidrocarburos conteniendo nitrógeno, especialmente amidas, por ejemplo, Kemamida. Hidrocarburos contienen oxigeno, por ejemplo, residuos de ácidos grasos Polisiloxanos Laurilsulfatos Dodecilbecenosulfonatos

16 Análisis TOF-SIMS Los compuestos hidrocarbonados conteniendo nitrógeno podrían venir de residuos de flux. Los polisiloxanos solo son detectados en la capa superior de átomos. Laurilsulfato y dodecilbencenosulfonato son compuestos que podrían venir de residuos de detergentes. Todos estos componentes podrían venir de la manufactura del PCB. Los residuos de ácidos grasos podrían venir del manejo y empaque de los PCB s. La presencia de estos componentes, por lo tanto, pueden ser rastreados a los procesos posteriores del HASL.

17 Análisis TOF-SIMS Perfilado profundo: Comparando los dos pads (afectados y no afectados). Pad Bueno Pad afectado

18 Análisis TOF-SIMS De acuerdo a las gráficas, ambos pads normal y afectado, están cubiertas con oxido de estaño. El pad afectado tiene significadamente un capa de óxido más espesa o gruesa, y cantidades más significativas de Ca y Cl se muestran en la capa superior. Es bien conocido que el cloro bajo ciertas circunstancias puede ser un acelerador de la oxidación.

19 Análisis TOF-SIMS Modo de perfilado profundo: Algunos de los problemas de soldabilidad pueden ser explicados por el espesor de la capa de óxido de estaño (aproximadamente 250 nm). En componentes de SnPb, el común espesor de óxido es en promedio de 40 A. Arriba de ese valor, hay serios problemas de mojado.

20 Conclusiones de los análisis De acuerdo los elementos encontrados, se propuso remover los inhibidores de mojado (Óxidos de estaño) por medio de un lavado: lavado con detergentes, agua desionizada, y cepillado. Esta limpieza mejorará las condiciones de la superficie.

21 Análisis después de la limpieza Una remoción mecánica fue usada para limpiar los óxidos y las impurezas. Análisis con SEM/EDX & TOF-SIMS fueron realizados en las tarjetas electrónicas limpias. Imágenes de SEM en pads con problemas de wetting después de la limpieza propuesta

22 Análisis después de la limpieza Espectrometría en los pad limpiados

23 Análisis después de la limpieza Espectrometría en los pad limpiados

24 Análisis después de la limpieza El uso de detergentes y agua incremento el presencia de algunos elementos en las primera capas: Estaño y óxidos de estaño Na, Mg, Al, K, Cr, Mn, Mn. Fe, Ni, Cu, Zn, Pb; Cl, Br, I Hidrocarburos conteniendo Nitrógeno, especialmente amidas, por ejemplo, Kemamida Sulfatos Fosfatos, por ejemplo Irgafos 168 Laurilsulfatos Dodecybencesulfonatos Fluorocarbonos

25 Análisis después de la limpieza La presencia de los elementos encontrados en la superficie no necesariamente alteran el mojado de la superficie. El porcentaje de ellos determinará el nivel de cambio del mojado. Se debe notar que los valores son semi-cuantitativos y valores absolutos no pueden derivarse de la información.

26 Análisis después de la limpieza Perfilado profundo en los pads limpiados En las graficas de perfilado profundo, la capa de óxido se disminuyó.

27 Análisis después de la limpieza Perfilado profundo en los pads limpiados Aunque algunos elementos fueron adicionados durante el lavado, el impacto en los óxidos se demostró que ayuda a disminuir.

28 Conclusiones del Estudio 1 Los problemas de mojado estaban relacionados a la oxidación del estaño en la superficie de la metalización. La detección de oxido y su cuantificación son difíciles de hacer debido a que la capa de óxido es muy delgada (menos de 0.1 micra) en muchos casos. Este espesor es fácilmente oculto por la presencia de elementos en el cuerpo de la metalización (capas más profundas) cuando se analiza con SEM/EDX. En el caso de las tarjetas con LF HASL, varios análisis fueron realizados, pero el que dio los datos importantes fue el TOF-SIMS. Esta herramienta puede remover capas de material en espesores atómicos y determinar la presencia de compuestos orgánicos e inorgánicos del orden de ppm s.

29 Conclusiones del Estudio 1 Los resultados mostraron que cuando la capa del óxido es gruesa a lo esperado tenemos problemas de mojado en comparación con los pads buenos. Un procedimiento de limpieza demostró Un procedimiento de limpieza demostró que puede reducir el espesor de la capa de óxido y mejorar el mojado.

30 Gracias por su atención!