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[分享]清洗技术 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2010-11-21
— 本帖被 涂覆专家 设置为精华(2010-12-30) —
在“免洗”锡膏的时代,针对装配的精确清洗制定出新的标准。装配制造商必须问的问题取决于:清洗是否是PCB可靠性的要求?即,要求清洗步骤是否是为了使最终产品的工作运行能够达到设计所要求的最短时间或周期数?
九十年代,印刷电路板(PCB)的装配是采用新标准进行的。蒸汽去脂溶剂(vapor-degreasing solvent)由于环境法规的要求而被逐渐淘汰。“免洗”工艺构造了一个所希望的技术手段;当考虑采用清洗时,水溶性助焊剂通常是人们的选择;这样,对空板和组件就没有清洗的要求了,因为完成的装配都经过常规的清洗。
清洗“终结”了吗?
松香助焊剂是杰出的“密封剂”,它意味着当采用无离子活性剂配方时,留下的是非离子残留物。忽略板上的残留物对那些关注淘汰臭氧消耗化学品的人来说是个有吸引力的选择。基于这个原因,在免洗技术上投入了相当一段时间、精力和投资。因此,许多低残留助焊剂在技术上取得了进步,而且还有一些新的设备技术可以支持这一技术的转变。现在的问题则是,为什么清洗?
实际上,一个常见的错误概念就是再也不需要对装配进行清洗了。但是,反之亦然,免得那些有害污染物影响到功能,其对可靠性的重要性不亚于焊点连接强度的重要性。清洗甚至对免洗工艺的成功实施还起重要的作用。如果取消了焊后清洗,来料组件以及装配环境的控制还必须满足清洁度标准。
高可靠性的应用要求是对焊后清洗工艺进行控制和优化,这种工艺使用的清洗材料是用最佳的化学品配制的。这类应用是不能将就免洗工艺要求的。而且SMT的不断发展使得辅助的清洗工艺成为很有必要。例如,更致密的线和组装件上的面数组、芯片级封装与倒装芯片封装的许许多多的I/O连接点都要求进行清洗。清洗对要求达到最佳性能敷形涂覆的装配是一个重要步骤。

在设计PCB时切记清洗工艺
当装配板需要进行焊后清洗时,设计组件布局、焊接和清洗时可能要考虑一些权衡办法。对高密度的表面贴装装配板,设计者应留出清洗的余地。下面是在设计时应考虑选择的几个方面:
1. 组件的最佳方向 ;
2. 喷涂组件下面的最小障碍;
3. 清洗化学剂的高能喷射器的使用;
4. 冲刷(液态颗粒小于组件与板层之间的间隙)时微细喷雾的应用;
5. “阴影”的消除,即,较高的组件放置在离喷雾嘴最远的位置,最小的组件置于最近位置;
6. 组件贴放:无源片状元件(或圆柱形通孔类)的方向应该是使其长轴垂直于喷雾方向。
双排和小引脚的集成电路(SOIC)组件是长边沿喷雾线放置。正方形扁平封装(QFP)四周都有连接或无引脚陶瓷芯片载体(LCCC)等组件的方向是其主边与喷雾方向成90。。 总之,应对组件的贴装进行规划,使得液体达到“最好”的疏散,例如,清晰的、带一定间隔的行路,使液体排出板面,保证在采用BGA或CSP的情况下,清洗不受影响。设计者头脑中应该有产品的外形、功能和如何制造,特别是装配过程中的每一步是怎样影响其它步骤的。在设计阶段,应认识掌握这些要求,并对其进行完全整合优化,这样装配制造商就掌握了成功的钥匙。
装配前的组件
污染残留物是通过最初装配前的组件和材料而带入到最后装配。如果不在装配前去除组件和板上的残留物,则不能保证在后续工序中去除,特别是如果采用免洗技术的情况。如果残留物出现在高密度连接结构内,那情况可能就更为紧迫,因为细小的间隙很容易藏纳污垢。低残留、免洗焊接工艺如何取得成功与进料时的裸板与所有组件的清洁度有着直接的关系。


组件上经常发现颗粒状、油类或片状的非极性残留物,而来自组件装配时清洗不彻底而留下的极性残留物,可能是上锡和助焊剂的残留物。装配前的组件进料必须保持清洁度的标准要求。

装配中遇到的污染

装配过程中出现的污染就不是外来的了。对电镀通孔和表面贴装组件人们越来越关注的是通常那些越来越致密的间隙出现的污染。离板高度和引脚间距已逐渐缩小,线间间距也是一样。另外,即使是采用现代制造工艺,也会产生越来越顽固的残留物。

残留物由离子(极性)、非离子(非极性)和微细的污物组成。离子残留物由助焊剂活性剂、残留电镀盐和操作污物组成;非离子残留物包括助焊剂、油、脂、熔化液体和游离材料中的已反应的、非挥发性的残留物。微小的残留物由锡球或锡渣、操作污物、钻孔或走线灰尘和空气中的物质组成。
极性残留物溶于水中会形成离子。例如,当指纹藏纳的盐溶于水中,氯化钠分子游离成正的纳离子和负的氯离子。在离子状态下,NaCl增加水的导电性,可能引起电路中信号改变,开始电迁移,产生腐蚀。典型的极性残留物来自电镀和蚀刻材料、板或组件制造过程中的化学物质,水溶性锡助焊剂成分,来自松香或合成催化焊锡助焊剂的活性剂,助焊剂反应产品,水溶性阻焊材料成分和来自手工处理的沉淀物。
非极性残留物由那些溶于水中不形成离子的污染物质组成。它们可能是喜水的或不喜水的(通常喜油)。吸湿的材料会使表面形成水膜,从而造成表面电阻下降。同样,在适当条件下,可能发生电迁移。不溶于水的非离子残留物,由松香、合成树脂、来自低残留/免洗助焊剂配方的有机化合物、来自锡线助焊剂的增塑剂、化学反应产品、油和脂、指纹油、组件上的释放剂、不可溶的无机化学成分和锡膏的流变添加剂构成。
微细残留物主要是要求采用机械能量来去除。常见的微细残留物来自灰尘中的硅酸材料、水解或氧化的松香、某些助焊剂反应产品(一些白色残留物)、硅质脂/油、来自板层的玻璃纤维、阻焊材料的硅土和粘土填充剂、以及锡球和锡渣。
最后,如果装配制造商选择免洗工艺,那么,必须做到进料时组件必须满足所要求的清洁度标准,板的处理用手套或手指套来完成,控制焊接过程以保证污染在最低水平。如果制定用氮气作焊接过程的惰性气氛,那么,必须实行更严格的过程控制。由于新的固定设备的投入,加上氮气的消耗,实际的免洗工艺的成本可能和焊后清洗的差不多。随后的运作,如线的绑接、芯片粘附、检查、焊接、返工/修理、测试、实时处理、储存和最后装配,都是在焊接操作过程中完成的。如果不按照适当的处理技术进行装配,可靠产品所要求的清洁度水平可能会打折扣。

波峰焊接/回流焊接之后的清洗
助焊剂技术很大程度上决定了对清洗剂的要求。水溶性助焊剂的清除一般要求有添加剂的水、高压机械能量和温度。松香助焊剂的清除要求或者是溶剂,半水的或者是含水的清洗剂。由于市场上配方技术范围之广,低残留物/免洗助焊剂的清除取决于需要清洗的产品。合成助焊剂的清除一般要求溶剂或半水工艺。许多清洗技术都适合于清除该种残留物。
焊接过程的温度曲线必须是专门设置的、受控的并存盘,特别是产品的组合是变化的。例如,组件密度高的多层板相对于组件稀少的PCB要求采用特别的温度曲线。由于这些原因,在选择回流曲线时锡膏的制造商提供了需要遵循的工艺指标。在去除助焊剂残留物之前,多次的焊接过程可能引起聚合作用。这些残留物就更加难于清理,因为聚合作用形成高分子重量的物质,使污染物更难于溶解于清洗剂中。
低固体或低松香/人造松香的助焊剂一般焊后聚集的残留物较少。各种这类助焊剂都已商品化。可是,因为残留物的清除能力可能随最终产品的不同而变化,装配制造商必须选择与残留物兼容的清洗剂。焊接期间过热或过久的加热可能会产生很难清除的残留物。

焊后清洗剂与设备
半水清洗剂适合于许多使污物“成溶剂化物”的材料,随后通过水的冲刷清除污物。溶剂一般具有低蒸发压力、闪点超过150℉、低挥发性、与许多助焊剂残留有亲合力、浸洗寿命长、不消耗臭氧。供货商提供的这类产品包括水溶性和非水溶性的有机溶剂。水是它的冲刷剂。
水溶性半水溶剂由重酒精、乙二醇以太(glycol ehters)和环形胺(cyclic amines)组成。其优点之一是易于清除:夹带物一般不是问题。缺点包括在要求采用封闭循环时,冲刷水处理显得太复杂。
非水溶性半水溶剂由烯、碳水混合物、二元酯和乙二醇以太(glycol ether)组成。在第一阶段要求采用机械冲击进行冲刷,以保证充分的清洗。这里夹带可能是一个问题。可是一个明显的优点是当要求零排放的封闭循环时,具备将清洗液体与冲刷流分隔的能力。用于半水清洗过程的设备一般采用由浸泡下的喷雾、离心和超声波搅动。
总之,溶剂去除松香、低固体和合成激化助焊剂残留物的效果很好。而且由于浸洗寿命长、损失最少和高污物装载能力,其经济性一般为人们所接受。
对于极性离子材料,水要比有机溶剂好。相反,水对去除诸如脂、油和松香之类的非极性材料的效果较差。水,单独或含有少量添加剂,是清除焊接后水溶性有机酸(极性溶剂)锡膏助焊剂的很好溶剂。在清除极性与非极性污物,如松香/合成松香、轻油和合成残留物时,需要添加剂。
含水清洗化学品也提供了一定范围的配方选择。可是,如前所述,只有在适当的工艺条件下,水才适合于清洗许多有机酸(OA)助焊剂残留物。有些有机酸残留物要求使用添加剂,和水一起,以低浓度,帮助润湿、去泡和置换盐。基于含水的皂化剂可用于清洗极性与非极性污物,如松香助焊剂。基于无机的皂化剂已进化,提供了在空气喷射受到控制的区域,清除松香助焊剂的选择。后来,有机溶剂混合物和水一起提供对某些较顽固的低残留物与合成基助焊剂的高效清洗剂。
设备市场针对不同含水清洗技术提供出一系列的应用,包括使用超声波、离心力、刷子、浸泡和空气中喷雾。设备设计的特性根据对性能、成本、占地空间、浪费管理、以及安全与健康问题的许多不同要求进行了广泛选择。
溶剂清洗使用溶剂媒介而不是水,来清洗和冲刷组件和装配件。干燥是通过对蒸发区(煮沸溶剂)产生的残留液体的蒸发来完成的。
装配中产生的污物是由离子(助焊剂活性剂、盐)和非离子(松香/合成松香、油、粒子)污物组成。大多数溶剂是非极性的,去除非极性污物效果较好,但是,去除极性离子污物效果差。因此,开发出双极性溶剂化合物,其可清除极性和非极性两种污物。非极性元素通常是卤化溶剂(halogenated solvent),或是氯化物(chlorinated)、溴化物(brominated)、氟氯化物(chlorofluorinated)或氢氯化物(hydrochlorinated)。极性元素溶剂典型的是酒精,如甲醇(methanol)、乙醇(ethanol)、正丙醇(normal propanol)或异丙醇(iso-propanol)。许多这类混合物具有共同的特性(叫做共沸点混合物),这样就使得它们的特性象单一的物质一样 - 液体部分蒸发产生的蒸汽具有与液体相同的化学成分。
每一种类型的溶剂都有其各自的优缺点,其选择取决于需要清洗的污染物的类型和需要清洗的装配材料的化学成分。对于处理清洗剂的设备的设计主要具有储存、接触工件、喷射和回收的性能。

结论
现在的电子装配比以往的运作要快得多、好得多、电路走线更窄、装配的组件更密集。此外,为了保证这些产品在要求的环境下按照设计的功能工作,达到要求的最低时间或周期,清洗必定要扮演一个重要的角色。

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