Study of ionic contamination in electronic product assembly

Abstract

The ever-growing demand for better PCB (printed circuit board) performance as well as component miniaturization and increasing density, are all challenges the automotive industry is facing nowadays. However, these alterations in the PCB layout alongside changes in production materials and techniques may jeopardize product reliability. One of the factors that has the ability to threaten PCB functioning is the introduction of ionic contaminants that increase the probability of electrochemical reactions and premature circuit failures. Methods have been created along the years in order to evaluate the presence of these contaminants on printed boards; one of them is the ROSE (Resistivity of Solvent Extract) test. This thesis aimed to study the ionic contamination in electronic product assembly using the CM22 contaminometer, a ROSE test machine. Essentially, this project was divided in two studies. The first one was the study of ROSE machine response and establishment of parameters to test its performance at Bosch Car Multimedia Portugal S.A. The results revealed that although the relation between the machine response and the dissolved contamination was linear, there was some disparity in values of PCBs from the same product family. The temperature and regeneration time of the extraction bath were identified as possible influencers of this discrepancy. Further tests showed temperature is not a significant factor for this behaviour and, at lower contamination levels, the regeneration time has little impact. The second study intended to evaluate the ionic contamination levels of printed circuit boards in 5 different stages of their production run. This research revealed that the ROSE levels of the PCBs obtained from the supplier decrease during the first steps of the process. Solder paste application, component insertion and reflow steps do not introduce much ionic residues on the board surface. Yet, the most important conclusion to this study is that the flux used for rework and selective soldering greatly increases surface contamination presence. In conclusion, the CM22 ROSE contaminometer is suitable to monitor processes in assembly plants. It can detect contamination trends at a process line and can be used as process control tool especially in a no-clean soldering process like the one used in Bosch. For this reason, the evaluation of ionic content should be carried out in different stages of PCBA production since it can be very deceptive to do them only after reflow process as it normally done.

A crescente demanda por melhor desempenho de PCBs (placas de circuito impresso), bem como a miniaturização de componentes e o aumento da sua densidade, são desafios que a indústria automóvel enfrenta atualmente. No entanto, as alterações no seu design juntamente com as mudanças nos materiais e técnicas de produção podem comprometer a fiabilidade destas placas. Um dos fatores que tem a capacidade de ameaçar o funcionamento de um PCB é a introdução de contaminantes iónicos capazes de criar falhas elétricas no circuito. Vários métodos foram criados para avaliar a presença destes contaminantes em placas impressas; um deles é o teste ROSE (Resistividade do Extrato Solvente). Esta tese teve como objetivo o estudo da contaminação iónica na montagem de produtos eletrónicos utilizando o contaminometer CM22, um dispositivo de teste ROSE. Para isto, primeiro estudou-se a resposta da máquina ROSE e estabeleceu-se parâmetros para testar o seu desempenho na Bosch Car Multimedia Portugal S.A. Os resultados revelaram que embora a relação entre a resposta do aparelho e a contaminação dissolvida seja linear, existiu alguma disparidade nos valores de placas da mesma família. A temperatura e o tempo de regeneração do banho foram identificados como possíveis influenciadores desta discrepância. Testes adicionais mostraram que a temperatura não influencia este comportamento e, em níveis de contaminação mais baixos, o tempo de regeneração tem pouco impacto. O segundo estudo pretendia avaliar os níveis de contaminação iónica de placas de circuito impresso em 5 fases diferentes da sua montagem. Este estudo permitiu verificar que o PCB obtido do fornecedor possui um nível de ROSE que diminui ao longo dos primeiros passos do processo. As etapas de aplicação da pasta de solda, inserção dos componentes e refluxo não introduzem muitos resíduos à superfície da placa. No entanto, a conclusão mais importante deste estudo é que o fluxo usado para retrabalho e soldadura seletiva aumentam muito a contaminação na superfície das placas. Em conclusão, o contaminometer CM22 é adequado para monitorizar os processos de fabrico. Ele pode detetar tendências de contaminação na linha de produção e pode ser usado como ferramenta de controlo de processo, especialmente num processo sem limpeza como o da Bosch. Por esse motivo, a avaliação do conteúdo iónico deve ser realizada em diferentes etapas da produção de PCBAs, dado que pode ser enganoso fazê-lo somente após o refluxo, como normalmente é.