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SMT之家论文中心 / 表面贴装工艺 / 工艺综述 / 清洗技术 Cleaning
清洗技术 Cleaning
2003-12-21    Mike Bixenman       点击: 3727
清洗技术 Cleaning

  在九十年代,印刷电路板(PCB)的装配是在新的标准上进行的。蒸汽去脂溶剂(vapor-degreasing solvent)由于环境法规而被逐渐淘汰。“免洗”工艺构造了一个所希望的技术手段;当考虑了清洗的时候,水溶性助焊剂通常是人们的选择;这样,清洁规格对空板和元件就不要求了,因为完成的装配都要通过正常清洗。

  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的时候,留下的是非离子残留。忽略板上的残留对那些关注取消臭氧消耗化学品的人来说是个有吸引力的选择。基于这个理由,相当的时间、努力和投资贡献在免洗技术上。结果,许多低残留助焊剂的技术进步和设备技术被用来支持这个技术的改变。现在的问题变成,为什么清洁?

  实际上,有一个常见的错误概念就是再不需要装配的清洁了。但是免于那些反过来影响功能的有害污染,对可靠性的重要性与焊点连接强度的重要性是一样的。清洁甚至对免洗工艺的成功实施还起重要的作用。到料的元件以及装配环境的控制还必须满足清洁度标准,如果取消了焊后清洁。

  高可靠性的应用要求受控的、完善的焊后清洗工艺,它使用对清洗材料最佳的化学品。那些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成为必要。例如,更紧密的线和装配上的区域列阵、芯片规模与倒装芯片的包装都要求清洁其许许多多的I/O连接点。清洗对要求保形涂敷的装配的最佳性能是一项重要的步骤。

  设计PCB时记住清洗工艺
  当装配要求焊后清洗时,设计元件布局、焊接和清洁的时候要可能考虑一些权衡办法。对高密度的表面贴装装配,设计者应该提供清洁的余地。以下是一些值得考虑的设计选择:

  1. 元件的最佳方向
  2. 喷射元件下面的最小障碍
  3. 清洗化学剂的高能喷射器的使用
  4. 冲刷(液态颗粒小于元件与板层之间的空间)用的微细喷雾的使用
  5. “阴影”的消除,即,较高的元件放置在离喷雾嘴最远的位置,最小的元件最近
  6. 元件贴放: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)元件是长边沿喷雾线放置。正方形扁平包装(QFP)四周都有连接或无引脚陶瓷芯片载体(LCCC)等元件的方向是其主边与喷雾方向成90°。

  总之,元件的贴装应该计划,使得可达到液体“最好”的疏散,例如,有清晰的带一定间隔的行路,给液体排出板面,保证当有BGA或CSP出现时清洗不受影响。设计者头脑中应该有产品的外形,功能,及如何制造。特别是,装配过程的每一步怎样影响其它步骤。在设计阶段认识到这些要求并将其集中完全优化的装配制造商掌握了成功的钥匙。

  装配前元件
  污染残留物可以通过最初出现在装配前元件和材料上而带入最后装配。如果不在装配前从元件和板上去掉,则不能保证在后面可以去掉—特别是如果采用免洗技术。如果出现在高密度连接结构内,那情况可能更紧急,因为细小的空隙很容易藏纳污垢。低残留、免洗焊接工艺的如何成功都直接依靠进来的光板与所有元件的清洁度。

  元件上经常发现颗粒状、油状或片状的非极性残留物,而来自元件装配时不完整清洗的极性残留物,可能是上锡和助焊剂的残留物。装配前的元件来源必须保持一个清洁的标准。

  装配中遇到的污染
  污染对装配过程来说不是外来的。对电镀通孔和表面贴装元件的日益增长的关注是那些通常遇到的越来越紧的间隙。离板高度和引脚间距已稳步缩小,线间间距也是一样。另外,甚至采用现代制造工艺,也造成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体组成。

  极性残留物当溶于水中时形成离子。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,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,板或元件制造过程的化学物质,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当溶于水时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)。吸湿的材料可能促使表面水膜的形成,从而造成表面电阻的降低。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、元件上的释放剂、不可溶的无机化学成分和锡膏的流变添加剂。

  微细残留物典型地要求机械能量将其去掉。常见的微细残留物是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,那么必须做到进来的元件满足所要求的清洁标准,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。如果制定氮气作焊接过程的惰性处理,那必须实行更严格的过程控制。真正的免洗工艺的成本可能和焊后轻洗的差不多,因为新的固定设备的投入,加上氮气的消耗。随后的运作,如线的绑接、芯片附着、检查、焊接、返工/修理、测试、即时处理、储存和最后装配,都是包括在焊接运作之内完成的。如果装配不尊照适当的处理技术,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所要求的清洁剂。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,半含水的或者是含水的清洁剂。由于市场上配方技术范围之广,低残留/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含水工艺。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的、受控的并存档,特别是产品的组合是变化的。例如,元件密度高的多层板相对于很少元件的PCB要求特别的温度曲线。由于这些原因,锡膏的制造商提供在选择回流曲线时需要遵循的工艺指示。助焊剂残留清除之前,多次的焊接过程可能引起聚合作用。这些残留更加难于清理,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留下较低的焊后残留物集中。各种这类的助焊剂都可买得到。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洁剂。焊接其间过热或过久的加热可能产生很难清除的残留物。

  焊后清洁剂与设备
  半含水的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°F、低挥发性、与许多助焊剂残留有亲和力、浸洗寿命长、不消耗臭氧。这个类别下供应的产品包括水溶性和非水溶性的有机溶剂。水是它的冲刷剂。

  水溶性半含水溶剂由重酒精、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:夹带一般不是问题。缺点包括当希望采用封闭循环时,冲刷水处理的复杂性。

  非水溶半含水溶剂由松节油(terpene)、碳水混合物、二元酯(dibasic esters)和乙二醇以太(glycol ether)组成。它们要求第一阶段冲刷的机械冲击,以保证充分的清除。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,将清洁液体与冲刷流的分隔能力。用于半含水清洁过程的设备一般由浸泡下的喷雾、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的效果很好。并且,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,水是比有机溶剂更好的溶剂。相反,水对清除诸如脂、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)锡膏助焊剂的很好的溶剂。当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一个范围的配方选择。可是,如前所述,只有在适当的过程条件下,水才适合于清除许多有机酸(OA)助焊剂残留物。有些有机酸残留物要求添加剂,和水一起,以低浓度,帮助湿润、去泡和置换盐。基于含水的皂化剂可清除极性与非极性的污物,如松香助焊剂。基于无机的皂化剂已经得到进化,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与合成基助焊剂的高效清除剂。

  设备市场提供了对不同含水清洗技术的一系列的应用,包括使用超声波、离心力、刷子、浸泡和空气中喷雾。设备设计特性的广泛选择可接纳对性能、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。

  溶剂清洗使用溶剂媒介而不是水,来清洗和冲刷元件和装配。干燥是通过对蒸发区(烧开溶剂)产生的残留液体的蒸发来完成的。

  装配污物由离子(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,优于清除非极性污物,但是清除极性离子污物差。因此,双极性溶剂化合物已经开发出来,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),这允许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。

  溶剂的每一类型都有其优点和缺点,选择将决定于需要清除的污染物的类型和需要清洁的装配材料化学成分。处理清洁剂的设备设计用来储存、接触工件、喷射和回收。表一显示装配制造商选择的流程图:含水的(aqueous)、半含水的(semiaqueous)和溶剂(solvent)清洁剂。

表一、三种清洗方法的媒剂选择
含水型 半含水型 溶剂型
1. Deionized water 去离子水 1. Nonlinear alcohol 非线性酒精 1. IPA (isopropyl alcohol) 异丙醇
2. Deionized water with non-reactive addives 去离子水加非反应添加剂 2. Branched linear alcohol 支线性酒精 2. IPA/Cyclohexane blend 异丙醇/环己胺混合物
3. Deionized water with organic saponification 去离子水加有机皂化剂 3. P series glycol ether P系列乙二醇以太 3. Hydrocarbon 碳氢化合物
4. Deionized water with inorganic saponification 去离子水加无机皂化剂 4. Cyclic amine 环形胺 4. HCFC**
5. Aqueous alcohol combined with mild reactivity 含水酒精结合温柔反应 5. Terpene* 松节油 5. HFE bipolar azeotrope** HFE 双极共沸混合物
6. Aqueous organic solvent emulsion 含水有机溶剂乳剂 6. Hydrocarbon/oxygenated solvent blends* 氢氧化物/氧化物溶剂混合 6. HFC bipolar azeotrope** HFC 双极共沸混合物
  7. High-molecular-weight esters* 高分子重量酯 7. N-propyl bromide** N丙基溴化物
* Water-insoluble 非水溶性
** Nonflammable 不可燃
注: nPB(No. 7)的制造商报告这种材料在作ASTM闪点试验时没有闪点,可是,nPB具有与空气体积比例大约3~8%的可燃极限。

  结论
  现在的电子装配比以前提供更快、更好的运作,电路走线更窄,装配的元件更密集。还有,为了保证这些产品在意想的环境里按照设计的功能工作达到最小要求的时间或周期,清洗必定还要扮演一个重要的角色。

Mike Bixenman, is chief technology officer at Kyzen Corp., 430 Harding Industrial Dr., Nashville, TN 37211; (615) 831-0888; E-mail: mike_bixenman@kyzen.com.

责任编辑: skylee
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