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助焊剂残留以及PCB干冰清洗工艺分析……  

助焊剂残留以及PCB清洗工艺分析

无论使用何种助焊剂,总会在焊接后的PCB及焊点上留下或多或少的残留物,这些残留物不仅影响PCBA的外观,更可怕的是构成了对PCB可靠性的潜在威胁;特别是电子产品长时间在高温潮湿条件下工作时,残留物便可能导致线路绝缘老化以及腐蚀等问题,进而出现绝缘电阻(SIR)下降及电化学迁移(ECM)的发生。

随着电子行业无铅化要求的全面实施,相伴锡膏而生的助焊剂也走过了松香(树脂)助焊剂、水溶性助焊剂到今天广泛使用的免洗助焊剂的发展历程,然而其残留物的影响始终是大家尤为关心的方面。

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焊接有四种主要方法:

    1)表面贴装回流焊接(SMT

    2)全板波峰焊接

    3)选择性焊接

    4)手工焊接

每种方法都会留下不同程度的风险,导致存在助焊剂残留物,可能会导致故障。SMT焊接方式的风险最低,而使用液体助焊剂的风险最高。了解应用过程,助焊剂中的成份以及助焊剂制造商的建议可以极大地提高电子设备的可靠性。

什么是助焊剂?

助焊剂是化学物质的酸性混合物,用于在焊接过程中去除金属氧化物,从而实现良好的焊锡结合。您可能会听到“低活性”和“高活性”这两个术语,以描述焊接后的助焊剂残留物是否具有引起清洁相关故障的风险。

但是,从化学的角度来看,这些术语没有准确定义,也没有单一的标准分析或化学测试将助焊剂残渣分类为“低活性”或“高活性”。这是因为泄漏电流引起的故障不仅取决于助焊剂的化学性质和施加的助焊剂的量,而且电气灵敏度和使用环境也会对可靠性产生重大影响。

 助焊剂应用

 助焊剂的应用方式有多种,最常见的是:

    1)焊膏中的助焊剂,用于表面安装

    2)用于波峰焊或选择性焊接液体助焊剂

    3)用于手工焊接的液体助焊剂

4)焊丝或焊条中的助焊剂

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由于所使用的助焊剂的量很重要,因此这些不同的应用过程会带来与清洁相关的故障的风险等级不同。锡膏助焊剂的风险最小,这是因为使用网板或印刷机来控制锡膏助焊剂的施加量。表面贴装中回流焊残留物造成的故障很少(QFN可能有问题)。液体助焊剂的使用则带来更大的风险。喷射使用比其他过程可使用更多的助焊剂。

如果未进行最佳控制,则该工艺可能会施加比所需更多的助焊剂,从而留下更多的酸性残留物,为潜在的化学腐蚀反应创造更有利的条件,而且液体助焊剂也可能会流向未处于高温下的部分。

控制手工焊接过程中施加的助焊剂的量也可能很困难,过量的助焊剂可能在附近的组件下流动,人工熟练程度影响很大。

组装过程中或组装后的失效分析技术

尽管没有一个能进行全面风险评估的工具,但是有一些风险评估方法能成功的降低失效的风险。

通常在SMT清洗操作过程中通过溶剂萃取物(ROSE)的电阻率来间接判定助焊剂残留离子的清洁度,数值结果有助于确保合格的焊料和清洗过程。

离子色谱法IC已成为一种常用的技术,用于识别SMT表面上的常见离子,并提供焊接后残留的有机弱酸活化剂含量的直接测量值。对于液体助焊剂尤其重要,因为可以很容易地检测出所施加的助焊剂量,不同的离子色谱方法产生不同的结果。

完整的组件浸泡测试为整个组件表面上检测到的平均的离子浓度,而局部提取技术则可在小范围内测量离子浓度。

所有的离子色谱方法的缺点是缺乏有关通过/失败的标准;每个焊接过程,设计,环境会影响良率。我们的经验使我们对离子的平均数量和不良的数量以及不同离子色谱系统和技术的问题有深入的了解。

 有时会在湿度较高的环境中进行功能测试,以评估设计在预期的最坏情况下使用环境中对残留物的敏感性。如果发生故障,则通常与泄漏电流或短路有关。在任何可能的情况下,电流限制都可以将短路事件造成的任何损害降至最低。热损伤会破坏显示残留物是否真正导致故障的根本原因所需的证据。

其他因素

电气间距是重要的危险因素。组件上较高的V/mil位置更有可能快速的促进残留物中电化学反应。设计的敏感性也会影响失效的风险。一些高频设计对任何残留物都敏感(所有残留物都被认为是“活性的”,必须清洗组件)。

当使用灌封和三防涂层时,需要考虑灌封或三防涂层是否正确附着在残留物上以及是否存在会积聚水分的空腔。最后,使用环境至关重要:在高湿度下使用会带来更大的风险,因为大气中的水会吸附到表面,溶解离子并驱动电化学反应。

 助焊剂清洗工艺

 对于可靠性要求比较高的电子产品,焊接后必须经过严格的清洗工艺。

为防止由于腐蚀而引起的电路失效,焊接后必须进行独立清洗才能保证电子设备的可靠性、电气指标和工作寿命。

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印制电路板组件清洗的重要性

清除助焊剂残留物、胶带纸或阻焊膜的残胶、尘埃、油脂、微粒和汗迹等污染物,防止对元器件、印制导线和焊点产生腐蚀和其他缺陷的产生,提高组件的性能和可靠性;

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清除腐蚀物的危害,保证组件电气性能测试的顺利进行,焊点过多的助焊剂残留物会使测试探针不能良好的接触焊点,从而影响测试结果的正确性;

组件表面的污染物会妨碍涂敷层的结合力;

使组件外观清晰,热损伤和层裂等一些缺陷显漏出来,以便进行检测和排除故障。

污染物的种类和来源

印制电路组件表面的污染物来源较广,主要包括PCB制作和储运、元器件制作和储运以及组件装联过程中形成的污染。对于印制电路组件而言,所谓污染物,是指元器件或组件的物理、化学和电气性能受到有害影响的表面沉积物和微粒等。一般将组件表面的污染物分为极性或离子污染物、非极性或非离子污染物和微粒状污染物。

清洗工艺选择

清洗印制电路板的传统方法是用有机溶剂清洗,由CFC—113与少量乙醇(或异丙醇)组成的混合有机溶剂对松香助焊剂的残留物有很好的清洗能力,但由于CFC—113对大气臭氧层有破坏作用,目前已被禁止使用,目前可选用的非ODS清洗工艺包括水基清洗、半水基清洗、溶剂清洗,另外也可以采用不进行清洗的免清洗工艺。到底选用哪种工艺,应根据电子产品和重要性、对清洗质量的要求和工厂的实际情况来决定。    

水基清洗

水基清洗工艺 水基清洗工艺是以水为清洗介质的,为了提高清洗效果可在水中添加少量的表面活性剂、洗涤助剂、缓蚀剂等化学物质(一般含量在2%-10%)。

并可针对印制电路板上不同性质污染的具体情况,在水基清洗剂中添加剂,使其清洗的适用范围更宽。水基清洗剂对水溶性污垢有很好的溶解作用,再配合加热、刷洗、喷淋喷射、超声波清洗等物理清洗手段,能取得更好的清洗效果。

在水基清洗剂中加入表面活性剂可使水的表面张力大大降低,使水基清洗剂的渗透、铺展能力加强,能更好的深入到紧密排列的电子元器件之间的缝隙之中,将渗入到印制电路板基板内部的污垢清洗除。

利用水的溶解作用与表面活性剂的乳化分散作用也可以将合成活性类助焊剂的残留物很好在清除,不仅可以把各种水溶性的污垢溶解去除,而且能将合成树脂、脂肪等非可溶性污垢去除。

使用松香基助焊剂或水基清洗剂中加入适当的皂化剂,皂化剂(saponifier)是在清洗印刷电路板时用来与松香中的松香酸、油脂中的脂肪酸等有机酸发生皂化反应,生成可溶于水的脂肪酸盐(肥皂)的化学物质。这是许多用于清洗印刷电路板上的助焊剂、油脂的清洗剂中常见的成分。

皂化剂通常是显碱性的无机物如氢氧化钠、氢氧化钾等强碱,也可能是显碱性的有机物如单乙醇胺等。在商用皂化剂中一般还含有有机溶剂和表面活性剂成分,以清洗去除不能发生皂化反应的残留物。

由于皂化剂可能对印刷电路板上的铝、锌等金属产生腐蚀,特别是在清洗温度比较高、清洗时间比较长时很容易使腐蚀加剧。所以在配方中应添加缓蚀剂。但应注意有对于碱性物质敏感的元器件的印制电路板不宜使用含皂化剂的水基清洗剂清洗。

在水基清洗的工艺中如果配合使用超声波清洗,利用超声波在清洗液中传播过程中产生大量调微小空气泡的空穴效应则可以有效的把不溶性污垢从电子结路板上剥除。考虑到印刷电路板、电子元器件与超声波的相溶性要求,印刷电路板清洗时使用的超声波频率一般在40KHz左右。水基清洗工艺流程包括清洗、漂洗、干燥三个工序。

首先用浓度为2%-10%的水基清洗剂配合加热、刷洗、喷淋喷射、超声波清洗等物理清洗手段对印刷电路板进行批量清洗然后再用纯水或离子水(DI水)进行23次漂洗,最后进行热风干燥。

水基清洗需要使用纯水进行漂洗是造成水基清洗成本很高的原因。虽然高质量的水质是清洗质量的可靠保证,但在一些情况下先使用成本较低的电导率在5um·cm的去离子水进行漂洗,最后再使用电导率在18um·cm的高纯度去离子进行一次漂洗也可以取得很好的清洗效果。

一个典型的工艺过程为:在55℃的温度下用水基清洗剂对电子线路板进行批量清洗,并配合强力喷射清洗5min,然后用55℃的去离子水漂洗15min,最后在60℃温度下热风吹干20min。为了提高水资源的利用率,在清洗工序使用的自来水或在漂洗槽使用过的去离子水,据文献介绍在预清洗中使用自来水(含有较多离子的硬水),不仅可以大大降低生产成本,而且它的除污能力一点也不比软水或去离子水差。

半水基清洗

半水基清洗剂 在半水基清洗剂的组分中一般都有有机溶剂和表面活性剂,如最早使用在印制电路板清洗的EC7半水基清洗剂就是由萜烯类碳氢溶剂与表面活性剂组成的。在大多数半水基清洗剂的配方中还含有水,但由于水的含量水多(仅占5%-20%),所以从外观看半水基溶剂与溶剂清洗剂一样都是透明、均匀的溶液。

与一般溶剂清洗剂不同的是半水基清洗剂使用的有机溶剂的沸点比较高,所以挥发性低不必像溶剂清洗剂那样在封闭环境下进行清洗,而且在清洗过程中不须经常更换清洗剂只须适当补充清洗剂量即可。

配制清洗印制电路板用半水基清洗剂用的有机溶剂主要有萜烯类和石油类碳氢溶剂、乙二醇醚、N-甲基吡咯烷西酮等,选择溶剂类型时应根据印制电路板、电子元器件等原材料的污染情况以及焊接时使用的助焊时类型等具体情况老虎。

半水基清洗工艺流程 也是包括清洗、漂洗、干燥三个工序,清洗工序往往配合使用超声波清洗以提高清洗效果减少清洗时间,由于使用超声波会提高清洗剂温度,所以需要注意严格控制好清洗温度,不得超过清洗液的闪点(一般清洗温度控制在70℃以下)。

在清洗和漂洗工序之间加有一个乳化回收池,而半水基清洗液中含有的有机溶剂浓度很高,在清洗后仍会有较多的清洗液沾在印制电路板表面,如果清洗后的印制电路板直接放到水漂洗液中,沾在印制电路板表面上的有机溶剂就会将漂洗水污染,大大增加后面水处理工序的负荷,而在清洗和漂洗工序之间增加一个盛有乳化剂水溶剂的乳化回收装置,就可以把沾在印制电路板表面上的有机溶剂通过乳化分散的方式从印制电路板表面剥除,并可在这个乳化回收装置中利用过滤器和油水分离装置,把有机溶剂和污垢沉淀分离并回收,由于进入漂洗槽的印制电路板表面上的有机溶剂已很少,所以既减少了漂洗工序负荷,又减少了废水处理的负荷。

再用去离子水漂洗23次即可把污垢去除干净。由于半水基清洗是用水做漂洗剂,所以存在与水基清洗相同的干燥难问题,需要采用类似的多种措施提高烘干速度。

半水基清洗工艺的优缺点 半水基清洗工艺的优点是:对各种焊接工艺有适应性强,所以使用半水清洗工艺不必改变原有的焊接工艺;它的清洗能力比较强,能同时去除水溶性污垢和油污;与大多数金属和塑料材料相容性好,与溶剂清洗剂相比不易挥发使用过程中蒸发损失小缺点是:存在与水基清洗一样的需要使用纯水漂洗、干燥难、废水处理量大的问题。半水基清洗工艺需要占用较大的场地和空间,设备一次性投资较大特别是在线清洗机。

由于半水基清洗剂含有较多的有机溶剂,所以要增加对有毒溶剂的防护、防火防爆等安全措施。而且半水基清洗剂不能像溶剂清洗剂那样通过蒸馏回收再利用,所以成本较高。

溶剂清洗工艺

清洗印制电路板使用的有机溶剂 使用有机溶剂清洗印制电路板是利用其对污垢的溶解作用,在淘汰CFC113TCAODS清洗剂后,目前使用溶剂清洗剂主要是HCFCHFCHFE等氟系溶剂,另外也可用碳氢溶剂、醇类溶剂等。为了提高氟系溶剂的清洗效果在其中还加入碳氢溶剂、醇类溶剂等形成混合溶剂,有些混合溶剂还是具有恒沸点的共沸混合物(如用HCFC141b141b与甲醇、HCFC225与乙醇配成的共沸混合物溶剂清洗剂)。

由于这些氟系溶剂还具有不可燃的优点,而且性能与CFC113很相近,所以清洗工艺及清洗设备基本不需要改变或只需略加调整即可。

溶剂清洗的优缺点 溶剂清洗工艺相对比较简单,只需用同一种溶剂清洗剂进行清洗和漂洗,由于溶剂清洗剂的挥发性大都很好,所以不需要专门的干燥工艺。溶剂在使用后可以通过蒸馏与污垢分离并循环使用,不仅使成本降低,废液处理也相对简单。

原使用CFC113清洗的清洗设备不需大的改造即可使用;溶剂清洗特别适合对水敏感、元器件密封性差的印制电路板的清洗。各种替代溶剂清洗剂存在的缺点在前面已介绍不再重复。

典型的溶剂清洗流程 典型的溶剂清洗流程包括以下几种:超声波加浸泡清洗——喷淋清洗——气相漂洗和干燥 溶剂加热浸泡清洗——冷漂洗——喷淋清洗——气相漂洗和干燥 气相清洗——超声波加浸泡清洗——冷漂洗——气相漂洗和干燥 气相清洗——喷淋清洗——气相漂洗和干燥。

免清洗工艺

什么是免清洗工艺 免清洗工艺是指通过对印制电路板和电子元器件等原材料的质量控制、工艺控制,替代工艺具有改造成本代、生产运行成本低、对环境友好等特点。

对于自动程度较高、生产规模较大、焊后产品可靠性能指标要求不太高的企业最适合改用免清洗工艺。而且改用免清洗工艺节省了清洗设备、清洗剂等费用,可使运行费用大大降低。

采用免清洗工艺应解决的关健问题 在选择免清洗工艺时应充分考虑到以下三个关健要素:对使用的助焊剂/焊膏的选择的评价;对生产工艺的调不整和控制;对原材料的质量控制。

对使用的助焊剂/焊膏的选择和评价 选择和评价助焊剂量/焊膏是开发和实施免清洗工艺要解决的首要工作,一定要确保在焊后助焊剂/焊膏的残留物不会影响电子产品的可靠性能指标。实践已经证明低固含量的弱有机酸助焊剂和中低活性低残留量的松香助焊剂能满足电子产品的可靠性性能指标的要求。

一般电子产品的印制电路板都可以选用活性低残留物量的RMA型松香助焊剂,这类助焊剂对焊接环境没有特别的要求,但注意有是它的焊后残留物仍然较多,所以不适合对使用三防涂层处理或表面封装的电路板使用。

需要做三防层处理或其他表面防护处理的电路板应使用低固含量的弱有机酸型助焊剂,因为这种类型的助焊剂焊后的残留物较少,对表面涂层和电路板间的附着力影响最小。但大部份这类助焊剂对电路板和元器件的预热过程中的防氧化作用较差,所以在使用这类助焊剂时焊接工艺应在氮气保护下进行。采取氮气保护措施不仅能防止电路板和元器件在预热过程中的氧化,而且还可以改善焊接的润湿性能,减少焊球的形成、提高焊接质量。

对生产工艺的调不整和控制 由于使用了免清洗助焊剂/焊膏,焊接工艺和工艺参数将不可避免地发生变化,包括增加使用氮气作保护气体、调整温度变化曲线、改变助焊剂涂溥方式(改用喷雾式涂溥)、加强对助焊剂和铅锡焊料成分的监测、改变电子元器件的安装方式、印刷电路板的传送、安装方式等。

如在电子元器件和印刷电路板的传送、安装方式上改用机械化自动传送和安装代替手工操作,从而避免了手汗、指纹对印制电路板可靠性的不良影响。能过对波峰焊机和回流焊机中温度曲线的调整,使助焊剂的活性在焊接之前恰好达到最佳状态,从而提高烛接质量。另外前面已介绍对于可靠性要求较高的印制电路板,在使用低固含量的弱有机酸型助焊剂时,还应在焊接时采用氮气保护。采用喷雾式涂溥助焊剂并对助焊剂的涂溥量进行严格控制,在保证焊接质量的前提下尽可能降低助焊剂涂溥量,可使焊后的助焊剂残留量保持最低水平。

对于焊接可靠性要求比较高的印制电路板,工艺参数的控制必须更加严格,如生产前必须测定波峰焊机和回流焊机中的温度曲线,使之符合工艺要求,对铅锡焊料的化学成分必须至少分析一次,如发现不合要求必须立即更换。在助焊剂采用发泡涂溥时要对助焊剂进行实时监控。在完成免清洗工艺焊接后,进行补焊和修复时一定要使用免清洗的焊丝。只有采取有效的生产工艺才能保证使用免清洗助焊剂/焊料能取得良好的焊接效果。

能原材料的质量控制 对各种原材料的高质量要求是影响免清洗工艺的重要因素。所以在采用免清洗工艺时必须对各种原材料的质量进行严格的控制。如对印制电路板和电子元器件的洁净水平和可焊性、助焊剂/焊料的质量及稳定性、表面防护材料的质量、工艺控制和质量管理的有效性进行控制等。因为在生产过程中任何一个环节不合格都会导致最终产品不合格。

选择替代技术应考虑的主要因素 在选择究竟使用哪些替代技术时应考虑的因素是多方面的,而且往往是相互制约的,所以应该从自己的具体实际情况出发,综合考虑才能找到最适合的替代技术。应考虑到的因素主要有下列几项:

电子产品的情况 即考虑电子产品的重要性和它对清洗质量的要求:一般来说电子产品的重要性越高,它对清洗质量的要求也越高,如用于人造卫星、航天航空仪表、海底电信、军用装备、涉及生命的医疗设备的电子产品,要求有极高的可靠性,而生活类用品,一般性工业用品的可靠性要求就低得多。

而电子产品使用的环境也有很大的关系,如经常处于高温、高湿等比较恶劣环境下的电子产品就必须严格清洗,并对其清洗后的离子污染和表面绝缘电阻必须严格控制,而对于在海洋环境中使用的军舰、轮船上使用的电子设备,还应进行表面处理。根据我国的ANSIJSTD001B标准把电子产品分为三个等级,其中等三类电子产品属于必须清洗并且必须严格控制其清洁度的,对其离污染和表面绝缘电阻应该逐批检测,而第一类电子产品则可以免清洗,其清洁度应该定期检测。

使用的助焊剂类型 采用不同的焊接工艺在印刷电路板上残留的助焊剂数量也是不同的,相应的清洗工艺和清洗剂种类也是不同的。采用化学活性高的助焊剂,焊接的可靠性也高,但焊接后助焊剂的残留物的腐蚀性也高,必须采用清洗效果好的清洗工艺和清洗剂将残留物彻底清除。反之采用化学活性较低或固含量较低助焊剂,焊接的可靠性也较低,但其焊接后助焊剂的残留物较少腐蚀性也较小,可采用一般的方法清洗甚至免清洗。

对于各种清洗工艺的缺点有没有一种能及环保又高效切成本低的清洗工艺呢?答案是有的,那就是干冰清洗工艺

干冰清洗工艺

干冰清洗工艺不仅清洗助焊剂效率快,而且环保无污染,同时不会损伤PCB板上的各个零配件。

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干冰清洗原理

干冰清洗(dry ice blast cleaning)又称冷喷,是以压缩空气作为动力和载体,以干冰颗粒为被加速的粒子,通过专用的喷射清洗机喷射到被清洗物体表面,利用高速运动的固体干冰颗粒的动量变化(Δmv)、升华、熔化等能量转换,使被清洗物体表面的污垢、油污、残留杂质等迅速冷冻,从而凝结、脆化、被剥离,且同时随气流清除。不会对被清洗物体表面,特别是金属表面造成任何伤害,也不会影响金属表面的光洁度。


传统PCB清洗

干冰清洗

专用清洗线

清洗时长长,不适合集成自动化、搬运周期长

能清洗到肉眼看到传统无法清洗的地方,   可集成生产线,全自动在线清洗

污染问题

清洗物会形成二次污染物

无二次污染,干冰从接触表面升华

工时

传统的清洗浸泡等方式费时费力

是传统清洗的四分之一时间或更快

清洗效果

一般

优秀

PCB的损伤

化学药剂可能会污染被清洗区域

无危害、有利于环保

安全

危害环境及人体、不能在带电的环境中使用

标准的安全预防,可在带电环境中使用

费用

额外的清洗产品费用及二次处理费用

少量的干冰费用

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干冰清洗机清洗前后对比

SP27D干冰清洗机在线清洗安全环保干冰清洗完全无毒,并且不使用任何危险化学品。除了清洗和安全外,干冰是作为其他工业过程的副产品获得的,它是由回收的CO2制成的。它不会产生二氧化碳或向大气中添加二氧化碳,因此不会对温室效应产生影响。

干冰清洗是安全且完全环保的!干冰清洗你故意快速有效干冰拥有极高的清洗速度和大范围的喷嘴相结合,大大提高了清洗的速度。

TooIce干冰喷射清洗可以更高效节能、更安全环保地应用在PCB助焊剂清洗工艺中。它不会损失PCB表面、改变形状或以任何方式损坏设备,可为工厂提供更行之有效的清洗选择。总的算下来,将干冰喷射技术集成到其清洗过程中的制造商会发现不仅仅效能提升了,环保要求达标了,人力资源成本也减少了,还为员工创造了更安全健康的工作环境,皆大欢喜。


 
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