FTIR红外光谱与GC—MS色谱—质谱联用综合分析线路板失效原因

李静　丁丽　张建辉

摘 要 本文利用红外光谱与气相色谱-质谱联用技术，进行线路板失效原因分析。发现在一定的温度和湿度下，硅胶垫的挥发物和渗出物三乙氧基辛基硅烷容易和异常焊剂的残留物发生相溶现象，故导致焊点附近有异物生成，并顶开焊点造成电路失效。

关键词 气相色谱-质谱联用技术 FTIR红外光谱 线路板失效分析

1 前 言

一般的电子组件是将器件焊接在PCB板（印制电路板）上，其中任何一部分出现问题都将直接导致电子组件失效，并最终影响整机的质量和可靠性[1]。目前，出现大量新型器件使用高密度PCB板，由于工艺控制不当导致的工艺缺陷、设计等因素导致PCB板绝缘性失效和焊点疲劳失效，都已经成为影响电子组件可靠性的主要因素。因此，准确判断失效的机理和原因，成为避免失效重复发生的关键[2，3]。

PCB板是重要的电子部件，它不但是电子元件的支撑体，而且是电子元器件线路连接的提供者。本文将通过FTIR（傅立叶变换红外光谱仪）、GC-MS（色谱-质谱联用仪）、电导率仪综合分析一个典型PCB板上焊点被异物顶开造成电路失效的事例。

2 实验部分

2.1 实验仪器

VERTEX 70傅立叶变换红外光谱仪：德国布鲁克公司，仪器参数（光谱范围：8，000cm-1-50 cm-1；分辨率：优于0.16 cm-1；波数精度：优于0.01cm-1；透光率精度：优于0.1%T）；红外显微镜：德国布鲁克公司；GC-MS 600 色谱-质谱联用仪：美国PE公司，仪器参数（质量范围：1.0-1200道尔顿；质量稳定性 ±0.1m/z，超过48h）。DDSJ-308 A 电导率仪；GC-MS测试条件为质谱：源温250℃，接口280℃，进样口250℃，延迟3.5min，质量数范围50amu-500amu；色谱：起始温度50℃，维持2min，以每分钟10℃升到280℃，维持10min[4，5]。

2.2 实验步骤

分别对焊接PCB板的焊剂、在焊剂过程中防静电用硅胶垫、线路板残留物进行了如下的测试。

2.2.1 提取焊剂 将适量焊丝切成小段，用索氏抽提器抽提6h后取出焊剂，焊膏可在适当的温度下热熔出焊剂。然后取少量提取出的焊剂，做红外分析[6]。

2.2.2 硅胶垫渗出物 用溶剂在一定的功率及温度下超声萃取硅胶垫，萃取液再用真空旋转蒸发器在40℃浓缩至1mL-2mL做色谱分析。

2.2.3 硅胶垫挥发物 取自然风干后的硅胶垫5克于20mL顶空瓶中，在90℃下平衡48h后取样350mL做色谱分析[7]。

2.2.4 线路板残留物 红外显微镜测试结果（见图1）。取线路板上的残留物用溶剂超声萃取，在30℃下用真空旋转蒸发器浓缩萃取液至1mL-2mL做色谱分析。

2.2.5 水萃取液电导率 在5个烧杯中加入温度为23℃±2℃且电阻率不小于5×105Ωcm的去离子水适量，再在3个杯子中分别加入适量的焊剂，其余2个杯子作空白，同时加热到沸点并煮沸1min后冷却。保持温度为23℃±2℃条件下，测试其电导率值。

3 实验结果分析

3.1 提取焊剂的红外测试谱图

谱图见图2和图3，从异常焊剂测试谱图3中可以看出，1722cm-1处吸收峰是酯基C=O与羧基C=O的叠加，说明该样品中含有机酸及有机酯，但酯基含量少；而正常焊剂测试谱图2中1725cm-1处酯基峰C=O与1695cm-1羧基C=O峰分得很好，说明该样品中含有机酸、有机酯，但正常焊剂含有的酯基较异常焊剂多[8]。

3.2 线路板残留物红外谱图

测试谱图如图4所示，检索结果如图5所示，该残留物为含硅-氧键的有机硅化合物。

3.3 用色谱-质谱联用仪测试的色谱图

用色谱-质谱联用仪分别测试硅胶垫渗出物、硅胶垫挥发物、用户提供线路板表面残留物的色谱图如图6所示，检索结果见图7。硅胶垫渗出物、硅胶垫挥发物、线路板残留物的色谱图分析对比结果，具体描述如表1所示。

分析结果表面：硅胶垫渗出物、硅胶垫挥发物、线路板残留物的色谱图中都含有三乙氧基辛基硅烷（C14H32O3Si）， 而三乙氧基辛基硅烷是用于硅橡胶的表面处理剂[9]。

测试正常焊剂和异常焊剂的水萃取液电导率，正常焊剂的电导率为0.67（ms/cm）；异常焊剂的电导率为3.87（ms/cm）。对比测试结果可以得出，电导率值大的异常焊剂水溶性好，因此该焊剂经电焊后吸潮性大；而正常焊剂则相反水溶性差，则吸潮性小。

4 结果与讨论

根据测试残留物的红外谱图，检索结果为含硅-氧键的有机硅化合物。硅胶垫渗出物、硅胶垫挥发物、用户线路板表面残留物，这3种物质的色谱分析结果都含有三乙氧基辛基硅烷。从正常焊剂的红外测试谱图1可以看出该焊剂含酯高，含酯高的焊剂具有疏水性，不易吸潮；而异常焊剂红外测试谱图2中酯基少，疏水性差容易吸潮，因此在一定的温度和湿度下异常焊剂容易和硅胶垫的挥发物、渗出物三乙氧基辛基硅烷发生相溶现象。

根据水溶性电导率值的测定也证实这一点，电导率值大的异常焊剂水溶性好，因此焊剂焊接后在高温高湿下吸潮性大，容易和硅胶垫的挥发物、渗出物三乙氧基辛基硅烷发生相溶现象；而正常焊剂则相反电导率值小，水溶性差吸潮性小，硅胶垫渗出物和挥发物三乙氧基辛基硅烷在相同条件下与正常焊剂不发生相溶现象，在线路板上就不会出现异物。

综合分析，充分证明线路板上的异物为硅胶垫渗出物和挥发物三乙氧基辛基硅烷和焊剂发生相溶后造成的，在实际应用过程中应引起注意。

参考文献

[1] 邱宝军，罗道军，汪洋，等.军用电子组件（PCBA）失效分析技术与案例[J]. 环境技术，2010，（5）： 44-49.

[2] 杨振国. 印制电路板的失效分析[J].金属热处理，2011，3（增刊）：5.

[3] 陶剑磊，方培源，王家辑，等.由版图引起的CMOS ESD保护电路失效分析[J].半导体技术，2007，32（11）： 1003-1006

[4] 杨帅，杨文文，吕青涛，等.GC-MS结合保留指数分析半枝莲挥发性成分[J].现代仪器，2012，18（3）： 47-50.

[5] 傅强，钱之杨.气相色谱法测定八甲基环四硅氧烷[J].现代科学仪器，2000，（5）：46-47

[6] 中华人民共和国 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 9491-2002 锡焊用液态焊剂（松香基）[s].2002.

[7] 王忠友，刘莹峰，周明辉，等.顶空GC-MS法测定漆包线中残留有害挥发物[J].检验检疫科学，2004，14 （2）：57-58.

[8] 吴瑾光，许振华.近代傅里叶变换红外光谱技术及应用[M].北京：科学技术文献出版社1994：234-236.

[9] 徐晓强，岳立.正辛基三乙氧基硅烷合成[J].有机硅材料.2010，25（2）： 91-93.