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Análisis TOF SIMS para determinaciónde óxidos de estañoen PCB’s Lead-Free*

Jose Maria Servin Olivares, Cynthia Gómez Aceves

CONTINENTALCUAUTLA, MEXICO

E-mail: [email protected]@continental-corporation.com

*Parte de la Presentación fue dada en APEX 2013

Comparación de Técnicas: TOF-SIMS vs SEM/EDX

� SEM (ScanningElectron Microscopy): Excita los electrones con un rayo de electrones y los colecta midiendo su energía.

SEM

e- e-

energía.

� EDX (EnergyDispersive X-ray): Remueve los electrones de las capas internas para poder diferenciar los elementos cuando son remplazados.


� SEM: Es una técnica para toma de imágenes, revisión de topografía y perfil de superficie. superficie.

� EDX: Identifica los espectro de elementos y sus porcentajes en la superficie del material.


X Y Z

TOF-SIMS

XY±Z±

XYZ±

IX

±

• ToF-SIMS (Time of Flight- Secondary Ion Mass Spectroscopy: Colecta los átomos en forma de iones forma de iones desprendidos de las capas exteriores del material usando un rayo de iones.


• TOF-SIMS:Permite obtener espectros, imágenes con la distribución individual de los individual de los elementos en la superficie y perfiles de profundidad.

Estudio 1

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

Estudio del caso

Dewetting Color amarillento y azulado

� 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.

azulado

Estudio del caso

Pad NormalBright Field

Pad sospechosoDark field

Pad sospechosoLuz polarizada

� Imágenes generadas con microscopio metalográficomuestran 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.

Bright Field Dark fieldLuz polarizada

Análisis SEM/EDX: “Parte buena”

C O Si Br Sn

Reference sample

3.3 8.8 1.2 0.6 86.5

� 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.

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!!

Análisis SEM/EDX

� Las áreas con gran coloración presentanmuchos problemas de soldabilidad. Sinembargo, en los análisis de SEM-EDX, ladiferencia entre pads afectados y noafectados fue mínima.afectados fue mínima.

� El oxígeno (relacionado a posible óxidos)fue aproximadamente el mismoporcentaje en ambas muestras (Buenasvs malas).

Análisis SEM/EDX

� Algunas veces la falla es detectada por elojo humano, pero es invisible al SEM.Básicamente, si la falla no puede servista en el SEM, ¡No puede seranalizada!analizada!

Análisis TOF-SIMS

� Modo de espectrómetro:

Espectrometría de pads afectados

Análisis TOF-SIMS

� Los iones más significativos detectados en los padsafectados y son los siguientes elementos y compuestos.

− Estaño y óxidos de estaño− Hidrocarburos alifáticos− Hidrocarburos alifáticos− Hidrocarburos conteniendo nitrógeno,

especialmente amidas, por ejemplo, Kemamida. − Hidrocarburos contienen oxigeno, por ejemplo,

residuos de ácidos grasos− Polisiloxanos− Laurilsulfatos− Dodecilbecenosulfonatos

Análisis TOF-SIMS

� Los compuestos hidrocarbonados conteniendonitrógeno podrían venir de residuos de flux.

� Los polisiloxanos solo son detectados en la capasuperior de átomos.

� Laurilsulfato y dodecilbencenosulfonato son� Laurilsulfato y dodecilbencenosulfonato soncompuestos que podrían venir de residuos dedetergentes. Todos estos componentes podríanvenir de la manufactura del PCB.

� Los residuos de ácidos grasos podrían venir delmanejo y empaque de los PCB’s.

� La presencia de estos componentes, por lo tanto,pueden ser rastreados a los procesos posterioresdel HASL.

Análisis TOF-SIMS

� Perfilado profundo: Comparando los dos pads (afectados y no afectados).

Pad “afectado”Pad “Bueno”

Análisis TOF-SIMS

� De acuerdo a las gráficas, ambos pads normal yafectado, están cubiertas con oxido de estaño.

� El pad afectado tiene significadamente un capade óxido más espesa o gruesa, y cantidadesmás significativas de Ca y Cl se muestran en lacapa superior. Es bien conocido que el clorocapa superior. Es bien conocido que el clorobajo ciertas circunstancias puede ser unacelerador de la oxidación.

Análisis TOF-SIMS

Modo de perfilado profundo:

� Algunos de los problemas de soldabilidad puedenser explicados por el espesor de la capa de óxidode estaño (aproximadamente 250 nm). Encomponentes de SnPb, el común espesor deóxido es en promedio de 40 A. Arriba de eseóxido es en promedio de 40 A. Arriba de esevalor, hay serios problemas de mojado.

Conclusiones de los análisis

� De acuerdo los elementos encontrados,se propuso remover los inhibidores demojado (Óxidos de estaño) por mediode un lavado: lavado con detergentes,agua desionizada, y cepillado. Estalimpieza mejorará las condiciones de lalimpieza mejorará las condiciones de lasuperficie.

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


Espectrometría en los pad limpiados


� 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− 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


� La presencia de los elementosencontrados en la superficie nonecesariamente alteran el mojadode la superficie.de la superficie.

� El porcentaje de ellos determinará elnivel de cambio del mojado. Sedebe notar que los valores sonsemi-cuantitativos y valoresabsolutos no pueden derivarse de lainformación.


Perfilado profundo en los pads limpiados

� En las graficas de perfilado profundo, la capa deóxido se disminuyó.


Perfilado profundo en los pads limpiados

� Aunque algunos elementos fueron adicionadosdurante el lavado, el impacto en los óxidos sedemostró que ayuda a disminuir.

Conclusiones del Estudio 1

� Los problemas de mojado estaban relacionados a laoxidación del estaño en la superficie de la metalización.

� La detección de oxido y su cuantificación son difíciles dehacer debido a que la capa de óxido es muy delgada(menos de 0.1 micra) en muchos casos. Este espesor esfácilmente oculto por la presencia de elementos en elcuerpo de la metalización (capas más profundas) cuandocuerpo de la metalización (capas más profundas) cuandose analiza con SEM/EDX.

� En el caso de las tarjetas con LF HASL, varios análisisfueron realizados, pero el que dio los datos importantesfue el TOF-SIMS. Esta herramienta puede remover capasde material en espesores atómicos y determinar lapresencia de compuestos orgánicos e inorgánicos delorden de ppm’s.

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.

¡Gracias por su atención!¡Gracias por su atención!

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