用于出现在电子电路部件表面上残余物腐蚀性效果定量测量的方法和设备的制作方法

专利名称：用于出现在电子电路部件表面上残余物腐蚀性效果定量测量的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于测量电子电路部件清洁度的方法和设备。
本领域已众知电子部件的清洁度对于部件的装配性能和可靠度是关键的。不幸地，离子和非离子残余物的腐蚀层在制作与装配加工期间可能产生，并且也可能在野外使用期间由外部源引起。这些残余物经常引起短路或腐蚀故障由于两个电路之间的电迁移或泄漏而出现。
由于1987年“净化空气条约”(Clean Air Act)的通过，许多新的和创造性的制作和装配加工已出现并已成功地用于制作硬件。在这些现代方法中，大多已停止使用传统的氯化溶剂清除剂，而现正选用含水、半含水或新的非氯化溶剂清除器。
现代的电子装配方法有较大的装配性能问题，尤其是对于上面所述的污染。例如，不使用松香或使用少量(＜5％)松香的新的装配方法没有传统方法所具有的保护绝缘层。因此，新的加工处理具有不是由于装配期间所使用的材料引起的缺点，而是具有由于正常制作与处理残余物引起的故障，或因为清洁只设计用于清除大多数的助溶剂残余物而不是助溶剂下面或组分下面的腐蚀制作残余物层。这些是新的电子装配工厂的关键，因为以前相信溶剂清洁清除所有的制作与装配腐蚀残余物。而不是利用清洁薄的松香层密封残余物。
虽然诸如离子色谱分析(IC)和高压液体色谱分析(HPLC)的研究实验室分析工具可用于分隔、识别与量化出现在电子电路部件上的离子与非离子残余物，但这些不是生产装配处理控制工具。当前发明创造的处理控制工具研制用于监视松香助溶剂和溶剂清洁残余物，而不能测量电子部件真实的清洁度。相反地，当前处理控制工具仅是处理设备总性能标志(通用手段)。利用这些通用手段，少于30％的残余物在提取期间进入溶剂，并且一般地助溶剂残余层以及制作残余物仍保持在此层下面。
现在更具体地描述现有技术方法，大多数现有技术通用手段以房间测试或以微高温度(由于可燃性的限制)使用溶剂(75％异丙烯酒精和25％水)提取5-15分钟，在此之后，测量测试时间内溶剂导电性总的变化。所得到的导电性变化随后与导电性盐标准(例如，约为750ppm的氯化钠)进行比较。在腐蚀与非腐蚀残余物之间没有差别。
现有技术方法的另一缺点是这些方法设计为提取整个或半个板(board)面积，并随后归一化数据以提供每单位面积计算(每平方英寸这么多的Nacl等效量)。因此，现有技术方法对于进行诸如(1)波峰焊接(Wave Solder)面积对表面装配面积；(2)波峰焊接之后板的顶部对板的底部；(3)裸入对装配面积；(4)重新工作(rework)面积对非重新工作面积；等等的各种处理步骤效果的(腐蚀残余物)可比性清洁度分析不是有效的。
从上面可看出现有技术没有提供出现在电子电路部件特定区域上的离子和/或非离子残余物腐蚀性的简单的定量测量方法。另外，现有技术也没有提供用于IC与HPLC分析的非破坏性的焊点提取器来确定板上特定区域中实际污染水平。本发明目的在于满足这些需求。
现简单地描述本发明的一个方面，提供用于定量测量出在电子电路部件表面上的残余物腐蚀性效果的设备和方法。此设备优选地包括(1)提取室，用于给要测量的电子电路装配(ECA)区域提供提取液；(2)提取液，用于从要测量的ECA区域中提取残余物；(3)测试室；具有两个或多个电极和给电极加电压的电压源；和(4)事件检测器，用于测量加上电压到电极之间短路之间的时间。
用于定量测量电子电路部件表面上出现的残余物腐蚀性效果的方法最好包括(1)在要测量的电子电路部件区域上放置和固定提取室；(2)将提取液倒入所述提取室；(3)使要测量的ECA区域接触所述提取液足以从ECA区域中提取残余物的时间；(4)给包括两个或多个电极的测试室加入含有残余物的提取液；(5)给至少一个电极加上电压；和(6)测量加上电压到电极之间短路之间的时间。
在测量加上电压与电极之间短路之间的时间(也称为迁移时间或“TM”)之后，通过与测试标准的比较可以确定在所测量区域上腐蚀残余物量的计算。
本发明的一个目的是提供用于出现在电子电路部件特定区域上离子和/或非离子残余物腐蚀性定量测量的简单的方法和设备。
本发明相关目的与优点将从下面描述中变得显而易见。


图1表示根据一个优选实施例的本发明的设备；图2表示根据第二优选实施例的本发明的设备；图3表示根据第三优选实施例的本发明的设备，其中提取室和测试室组合为一个提取测试部件。
图4表示根据本发明一个优选实施例的测试室电极部件；图5是表示裸铜板腐蚀性测试结果的图；图6是表示镀HASL板腐蚀性测试结果图。
为了促进本发明原理的理解，现将参考优选实施例，并且特定语言将用于这些实施例。然而，应明白不因此打算限制本发明的范围，并且对于本发明相关技术领域中技术人员来说，所示装置中的这样的选择与进一步的修改以及其中所示的本发明原理的如此进一步的应用都是预料之中正常出现的。
如上所述，本发明提供用于定量测量出现在电子电路部件表面上残余物腐蚀性效果的设备和方法。此设备和测试方法在电子硬件的制作与装配期间用作处理控制方法，以测量从硬件表面上特定区域中清除的残余物腐蚀性(电迁移)效果。
一般地，此设备在硬件表面区域(小于1平方英寸)上使用少量的加热提取溶剂，并将此提取溶剂加到牺牲的电极上来测量阳极与阴极之间短路发生时的迁移时间(TM)，所得到的结果与溶剂标准进行比较并与先前的数据进行比较。
更具体地，优选设备包括(1)提取室，用于给要测量的电子电路部件(“ECA”)区域加上提取液；(2)提取液，用于从要测量的ECA区域中提取残余物；(3)测试室，具有两个或多个电极和用于给至少一个电极加上电压的装置；和(4)用于测量从加上电压到电极之间短路的时间的装置。
一个优选方法包括(1)在要测量的电子电路部件区域上放置提取室；(2)将提取液加入提取室，以便提取液接触要测量的ECA区域；(3)保持提取液与要测量的ECA区域接触足以从ECA区域中提取残余物的时间，并因此生成含有残余物的提取液；(4)将含有残余物的提取液转加到包括两个或多个电极的测试室；(5)给至少一个电极加电压；(6)测量加上电压到电极之间短路之间的时间；和(7)使用迁移时间数作为含有残余物的提取液中腐蚀残余物数量的标志。迁移时间数越快，出现在提取之后溶剂中的腐蚀残余物水平越高。
现参照图1更详细描述优选实施例，优选设备包括提取室11，用于给要测量的ECA区域12加上提取液，并用于在进行提取的同时保持提取液与ECA表面接触。提取室11最好包括提取头13，具有用于给提取头内部加上提取液的液体入口/注入点14；以及定位环(retaiher ring)15，保持提取液在定义的区域中并与电子电路部件接触。
在一个优选实施例中，溶剂分送系统用于给提取室11加入提取液。此溶剂分送系统最好包括保持提取液的容器18，和用于从容器中传送提取液给提取室的泵19，也可提供加热器(未示出)以便在使用之前加热提取液。
如上所述，优选设备也包括测试室21，用于通过测量提取的残余物填满阳极与阴极之间间隔并因此加上电流期间使测试室短路所需的时间来测量ECA区域腐蚀性。测试室21最好包括互连槽和外壳来支撑电极板。电极板由至少一对互相平行隔开特定距离的阳极和阴极组成。电压源25用于给测试室加上电流，并且事件检测器26用于测量穿过电极的电流。液体传送线27给测试室21加上含有残余物的提取液，最好利用第二液体泵28来传送液体。
定时器(未示出)最好用于测量迁移事件的时间，即直至残余物使金属迁移、搭接间隔并使两电极之间电路短接的时间。处理控制器可用于控制设备定时，包括溶剂加入和除去的定时以及加上电压和迁移事件的定时。
每个电极最好为约2-3cm长和20mil厚，并且最好隔开约50mil.在一个优选实施例中，电极由铜或铜/薄片制作，如本领域所熟知的其他电极一样，当然，可以使用较小，较大或不同的金属电极和间隔，但应认识到这将对基本迁移时间有影响。
此方法中所使用的提取液的数量一般为约0.2-0.7ml，最好是0.5ml。液体最好加热到约120°F与约160°F之间的温度，优选温度最约140°F。如本领域技术人员所认识到的，可以根据测试的特定项目使用全盘血浆较小或较大的数量。类似地，如果提取液有效地以较冷或较热提取温度从ECA表面提取要测量的残余物，则可以使用这样的温度。
为了在进行测量的同时支撑电子电路部件，最好使用平台30。还有，可以使用锁定装置来支撑放置在平台上的电子电路部件。
至于优选方法，新的或正确清除的定位环首先放置在提取头上，以致没有来自定位环的污染能出现。电子电路部件(例如，电路板)随后放置在可移动的平台上，确定测试区域并将平台锁定到区域中，将提取室放入区域并进行锁定。提取溶剂通过分送系统送入提取室，并且使提取溶剂保持与板表面接触约5-7分钟。在此提取时间期间，溶剂最好注入与吸出并加到板表面至少几次。在提取之后，给测试室加入溶剂，以使含有残余物的提取液接触测试电极。给电极加上电压，并启动定时器测量迁移事件(电极之间短路)时间。
在一个优选实施例中，加入溶剂以便接触要测量的ECA区域约2-5分钟。在其他实施例中，使用1与10分钟之间的提取时间。可以使用较短或较长提取时间，这主要取决于所选的提取液提取要测量的残余物的速率。
最好使用2.0伏与10.0伏之间的电压，而3.5伏是在过去测试的应用中最佳的。加上电压在电极之间产生短路所用的时间，通常为约3与8分钟之间。
至于提取液，最优选的液体是皂化消电离水。更一般地，优选提取溶剂是将溶解助熔剂和部件残余物并渗入标准ECA多孔表面的溶剂。这个ECA多孔表面包含来自板制作处理步骤的许多腐蚀和吸湿的残余物，并且这些残余物陷入外露的板叠层和焊剂罩区域中。优选的提取液因此形成以溶解新的助熔剂残余物、激活剂和制作残余物，并且不完全溶解传统的高固态松香助熔剂的有机固体。
另外，至于提取液，为了精确地只测量从ECA表面中清除的残余物的腐蚀性效果，需要具有离子清洁的溶剂开始。因此，约99％的溶剂应是消电离(DI)水，小于0.01(ppm)的腐蚀残余物(氯化物，硫化物和溴化物)出现在溶剂中。还有，DI水应具有约17.5-18.3兆欧的溶解阻抗来获得适当的清洁度等级。DI水现在是离子消除的并变为极性溶剂。
在一个优选实施例中，提取液也包括多达约5％的皂化剂，此皂化剂最好是包含非离子表面活化剂的单烯化合物(MEA)以便给溶剂提供低表面张力，MEA因此给定溶剂其负荷和溶解强度MEA是EPA优选的化学制品(参见1996年9月EPA文件743-B-96-001“Aqueous and Semi-AqueousSolvent ChemicalsEnvironmentally Preferable Choices”)应意识到接触提取液的部件可以是可随意处置的，尤其是定位塞尖和电极。液体最好通过Tygon或类似的管道传送，以使污染和室壁退化最小或消除。
在一个实施例中，提取室和测试室使用溶剂传送和清除系统，以便给要测量的ECA区域加入提取液，并在这之后给测试室加入提取的液体。优选地，溶剂传送和清除系统在提取期间进行提取液循环至少入、出板几次，最好是许多次，因此，如图2所示，一个实施例包括具有溶剂传送与清除系统32和定位塞尖33的测试头31。
可以提供一个或多个排放管34，或者通过在溶剂传送与清除系统周围留有空间或利用诸如排放孔等的其他装置在测试头上开孔。
在另一优选实施例中，提取室和测试室组合为一个提取测试室，最好包含在可随意处置的塞尖中。在此实施例中，与先前描述的那些实施例一样，组合的部件也可以包括用于从提取液中过滤要测量的残余物的过滤器，以便液体可以浓缩在其残余物水平上。
因此，如图3所示，组合的提取/测试室部件最好包括溶剂传送与清除系统41、离子保持树脂过滤器42、过滤器外壳43、电极44与45以及定位器塞尖46。电极连到电压源和事件检测器(未示出)，如先前所述。
也应意识到测试室可以包括多于1对的电极，以便可以同时测试ECA多个区域，或以便可以利用多于1个的测量测试ECA的一个区域，以提供那个区域上的残余物水平的统计平均值。在这样一个实施例中，测试室包括多个电极48a-h，和49a-h，如图4所示。
最后，应意识到本发明的设备可以仅用作提取工具，而利用复杂的诸如IC、HPLC等的解折方法来进行分析。在此实施例中，仅优选包括具有提取液传送与清除系统的提取室。
在“仅有提取室”的实施例中，此设备用于提取腐蚀残余物并将它提供给独立的分析工具以便可以分析提取溶剂来量化溶剂中不同的离子种类和水平。因此，本发明的这个实施例给诸如离子色谱分析、HPLCICAP GS一主类型、CES和SEM/EDX的分析工具提供点提取器。本领域技术人员意识到这些工具如何可以结合在本发明，以提供比基本的测试室实施例能提供的甚至更为灵敏的分析。本领域技术人员也能意识到标准如何可以进行研制并用于测量设备，以及将迁移的时间值变换为测量区域的腐蚀性残余物水平。
现在将参考利用上述加工处理的特定示例。应理解提供示例以便更完整地描述优选实施例，而不是因此打算限制本发明的范围。
示例1电子电路部件放置在并固定在支撑架上，提取室放在要测量的ECA区域上，并且此提取室锁定在位置中。皂化水溶剂循环出入要测量的区域约2分钟，在提取之后，含有残余物的溶剂加到测试室电极之间的间隙中，并加上约3.5V的电压。启动定时器并测量迁移时间(室短路的时间)。所得到的迁移时间与已知污染程度的迁移时间进行比较，以确定所测量的ECA的污染水平。例如，在28.8mg/in2的板上利用5v电压氯化物的量具有9秒的迁移时间，其中1.3mg/in2的氯化物水平具有88秒的迁移时间(用标准IPC TM-6540.2.3.28离子色谱分析测试方法对板进行氯化物分析。)示例2和3包括裸铜板的部件放置并固定在支撑架上。对于每次测试，提取室在要测量的区域上，并且此室锁定在位置中。皂化水溶剂循环出入要测量的区域约2分钟。在提取之后，含有残余物的溶剂加到测试室电极之间的空隙中，并加上约5伏的电压。启动定时器并测量迁移时间(使测试室短路的时间)。所得到的迁移时间与已知污染程度的迁移时间进行比较，以确定所测量的ECA的污染程度，结果如图5所示。
图5是具有以秒为单位的时间X轴和在加入提取液之后以欧姆为单位测量的FR-4叠层上金属轨迹之间的电阻Y轴的线XY图。线1(加粗黑线)表示3分钟的测试时间期间在电极5伏偏置下的电阻变化的线(电极之间间隔50(mil)并且加入已在裸的未加工板上显露2分钟的提取溶剂)。然后，利用按离子色谱分析的离子分析的IPC TM650 2.3.28方法测试此板，并确定氯化物量。两个轨迹之间的电阻以750000(ohm)开始并上升到1000000(ohm)，然后在48秒标志处降到＜10000(ohm)，并且保持在这之下。两个电极之间电阻的这个下降表示两个电极之间铜桥路的信息，电阻的这个下降是一种电短路。
线2(加黑线)表示指示3分钟测试时间期间在电极5伏偏置下的电阻变化的线(电极之间隔开50(mil)并且加入已在未处理的裸铜板上显露2分钟的提取液)，然后，按照利用离子色谱分析的离子分析的IPC TM 650.2.3.28方法测试此板，并确定氯化物量。两个轨迹之间的电阻以＞3000000欧姆开始并稳定在2000000欧姆之处，随后在180秒标记处下降至＜10000欧姆并保持在此之下。两个电极之间的这个电阻下降表示两个电极之间铜桥路的信息，电阻的这个下降是一种电短路。基本提取溶剂将在～320秒处引起短路。
两个测试操作的解释是迁移时间越短意味着一个板的提取液中比另一板的提取液中有更多的腐蚀残余物。我们明白在一个板上与在另一板上出现的氯化物数量有大不同。这可通过利用离子色谱分析在脏板上所表示的氯化物的高水平与干净板上所表示的低水平看出。
电极之间的短路将在提取液下面发生，但如果所有的变量保持恒定(电极金属化、间隔、板材料、原始提取溶剂的电压和电极的板的原始清洁度)并且不管任何污染物从板表面清除也只允许提取溶剂的清洁度变化，于是能进行有关所提取的裸板清洁度的比较。短的迁移时间表示在大量的从使得短路更快发生的部件表面中清除的腐蚀污染物，长的迁移时间表示低水平的腐蚀污染物出现在提取溶剂中并且要比较长时间才引起短路。
示例4和5包括裸铜板的部件放置并固定在支撑架上。对于每次测试，提取室放置在要测量的区域上，并且提取室锁定在位置中。皂化的水溶剂循环出入要测量的区域约2分钟。在提取之后，包含残余物和溶剂加入测试室电极之间的空隙中，并加上约5伏的电压。启动定时器并测量迁移时间(使测试室短路的时间)。所得到的迁移时间与已知污染物量的迁移时间进行比较，以确定所测量的ECA的污染物的量，结果如图6所示。
示例4与5类似于上面示例2与3，但所提取的裸板是已调整的热空气焊料(“HASLed”)，而不只是裸铜板。板的离子色谱分析表示一个板的氯化物含量高，一个板的低。脏板的迁移时间与干净板88秒相比相当短(＜10秒)。
虽然本发明已进行示意并在附图和前面描述中详细描述3，但这些特性认为是示意性的而不是限制性的，应理解仅表示和描述优选实施例，而都落入本发明精神内的所有变化和修改希望进行保护。
权利要求
1.用于定量测量出现在电子电路部件表面上的残余物的腐蚀性效果的一种方法，此方法包括a.将提取室放置在要测量的电子电路部件(“ECA”)区域上；b.将提取液加入所述提取室；c.利用所述提取液接触要测量的ECA区域足以从ECA区域中提取残余物并生成含有残余物的液体的时间；d.将所述含有残余物的液体加入包括两个或多个电极的测试室，其中含有残余物的液体至少加入到电极之间的空间中；e.给至少一个电极加上电压；f.测量电压加上到电极之间短路之间的时间。
2.根据权利要求1的方法，还包括步骤将加上电压到电极之间短路之间的所测量到的时间变换为从部件中提取的残余物量的值。
3.根据权利要求1的方法，其中所述提取室和所述测试室组合为一个提取/测试室。
4.根据权利要求1的方法，其中允许所述提取液接触所述ECA区域2分钟到10分钟之间的一个时间。
5.根据权利要求1的方法，其中所述电压是在1.0V与5.0V之间。
6.根据权利要求1的方法，其中所述电压是在3.0V与4.0V之间。
7.根据权利要求1的方法，其中所述提取液是皂化的消电离水。
8.用于定量测量出现在电子电路部件表面上残余物的腐蚀性效果的一种设备，此设备包括(a)提取室，用于将提取液加入要测量的电子电路部件(“ECA”)区域中；(b)提取液，用于从要测量的ECA区域中提取残余物；(c)测试室，具有第一电极和第二电极；所述测试室还具有用于给所述第一电极加上电压的装置；和(d)用于测量加上电压到电极之间短路之间的时间的装置。
9.根据权利要求8的设备，其中所述提取室和所述测试室组合为一个提取/测试部件。
10.根据权利要求8的设备，还包括一个滤波器，保持所提取的残余物并因而集中含有残余物的提取液。
11.根据权利要求8的设备，其中所述提取液是皂化的消电离水。
12.用于定量测量出现在电子电路部件表面上残余物的腐蚀性效果的一种方法，此方法包括a.将提取室放置在要测量的电子电路部件(“ECA”)区域上；b.将非离子提取液加入所述提取室；c.利用所述提取液接触要测量的ECA区域足以从ECA区域中提取残余物并生成含有残余物液体的一个时间；d.将所述含有残余物的液体加入用于测量出现在含有残余物液体中残余物的量的测试设备中；和e.利用所述测试设备测量出现在含有残余物液体中残余物的量。
全文摘要
确定电子电路部件上特定区域清洁度(根据腐蚀性)的一种方法和设备,其方法包括:(1)将提取室放在要测量的电子电路部件区域上;(2)将提取液加入提取室中;(3)利用提取液接触要测量的区域足以从该区域中提取残余物的一段时间;(4)将提取液传送给包括两个或多个电极的测试室;(5)给电极加上电压;和(6)测量加上电压与电极间短路之间的时间;其设备包括提取室(装有提取液)、测试室(装有电极和电压源)以及定时器。
文档编号H05K3/26GK1206831SQ98107079
公开日1999年2月3日 申请日期1998年2月23日 优先权日1997年2月24日
发明者T·L·慕森, D·O·鲍尔斯 申请人:污染研究实验室有限公司