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一文看懂pcba板清洁方法与要求

  在PCBA加工过程中,锡膏和助焊剂会产生残留物质,残留物中包含有有机酸和可分解的电离子,其中有机酸具有腐蚀作用,电离子残留在焊盘还会引起短路,而且这些残留物在PCBA板上是比较脏的,也不符合客户对产品清洁度的要求。所以,对PCBA板进行清洗是非常有必要的。

  污染物的定义为任何使PCBA的化学、物理或电气性能降低到不合格水平的表面沉积物、杂质、夹渣以及被吸附物。主要有以下几个方面:

  1、构成PCBA的元器件、PCB的本身污染或氧化等都会带来PCBA板面污染;

  2、PCBA在生产制造过程中,需使用锡膏、焊料、焊锡丝等来进行焊接,其中的助焊剂在焊接过程中会产生残留物于PCBA板面形成污染,是主要的污染物;

  3、手工焊接过程中会产生的手印记,波峰焊焊接过程会产生一些波峰焊爪脚印记和焊接托盘(治具)印记,其PCBA表面也可能存在不同程度的其它类型的污染物,如堵孔胶,高温胶带的残留胶,手迹和飞尘等;

  4、工作场地的尘埃,水及溶剂的蒸气、烟雾、微小颗粒有机物,以及静电引起的带电粒子附着于PCBA的污染。

  以上说明污染物主要来源于组装工艺过程,特别是焊接工艺过程。

  在焊接过程中,由于金属在加热的情况下会产生一薄层氧化膜,这将阻碍焊锡的浸润,影响焊接点合金的形成,容易出现虚焊、假焊现象。助焊剂具有脱氧的功能,它可以去掉焊盘和元器件的氧化膜,保证焊接过程顺利进行。所以,在焊接过程中需要助焊剂,助焊剂在焊接过程中对于良好焊点的形成,足够的镀通孔填充率起着至关重要的作用。焊接中助焊剂的作用是清除PCB板焊接表面上的氧化物使金属表面达到必要的清洁度,破坏融锡表面张力,防止焊接时焊料和焊接表面再度氧化、增加其扩散力,有助于热量传递到焊接区。助焊剂的主要成份是有机酸、树脂以及其他成分。高温和复杂的化学反应过程改变了助焊剂残留物的结构。残留物往往是多聚物、卤化物、同锡铅反应产生的金属盐,它们有较强的吸附性能,而溶解性极差,更难清洗。

  1、外观及电性能要求

  PCBA上的污染物最直观的影响是PCBA的外观,如果在高温潮湿的环境中放置或使用,有可能出现残留物吸湿发白现象。由于在组件中大量使用无引线芯片、微型BGA、芯片级封装(CSP)和0201元件,元件和电路板之间的距离不断缩小,板的尺寸变小,组装密度越来越大。事实上,如果卤化物藏在元件下面或者元件下面根本清洗不到的地方,进行局部清洗可能造成因卤化物释放而带来的灾难性后果。这还会引起枝晶生长,结果可能引起短路。离子污染物如果清洗不当会造成很多问题:较低的表面电阻,腐蚀,导电的表面残留物在电路板表面会形成树枝状分布(树突),造成电路局部短路,如图。

  

  对于军事电子装置使用可靠性而言,一个重大威胁是锡须和金属互化物。这个问题一直都存在。锡须和金属互化物最后会引起短路。在潮显的环境和有电的情况下,如果组装件上的离子污染过多,可能会造成问题。例如由于电解锡须的生长,导体的腐蚀,或者绝缘电阻降低,会引起电路板上的走线短路,如图

  

  非离子污染物清洗不当,也同样会造成一系列问题。可能造成电路板掩膜附着不好,接插件的接触不良,对移动部件和插头的物理干涉和敷形涂层附着不良,同时非离子污染物还可能包裹离子污染物在其中,并可能将另外一些残渣和其它有害物质包裹并带进来。这些都是不容忽视的问题。

  2、三防漆涂覆需要

  要使得三防漆涂覆可靠,必须使PCBA的表面清洁度符合IPC-A-610E-2010三级标准要求。在进行表面涂覆之前没有清洗掉的树脂残留物会导致保护层分层,或者保护层出现裂纹;活化剂残留物可能会引起涂层下面出现电化学迁移,导致涂层破裂保护失效。研究表明,通过清洗可以增加50%涂敷粘结率。

  3、免清洗也需要清洗

  按照现行标准,免清洗一词的意思是说电路板上的残留物从化学的角度上看是安全的,不会对电路板产生任何影响,可以留在电路板上。检测腐蚀、表面绝缘电阻(SIR)、电迁移还有其他专门的检测手段主要是用来确定卤素/卤化物含量,进而确定免清洗的组装件在完成组装后的安全性。不过,即使使用固含量低的免清洗助焊剂,仍会有或多或少的残留物。对于可靠性要求高的产品来讲,在电路板上是不允许存在任何残留物或者其他污染物的。对于军事应用来讲,即使是免洗电子组装件都规定必须清洗。

  1、全自动化的在线式清洗机

  清洗工艺流程为:入----化学预洗---化学清洗---化学隔----预漂洗---漂洗---最后喷淋---风切干燥---烘干。

  2、半自动化的离线式清洗机

  3、手红清洗机

  手工清洗机针对SMT/THT的PCBA焊接后表面残留的松香助焊剂、水溶性助焊剂、松香助焊剂、免清洗性助焊剂/焊育等有机、无机污染物进行彻底有效的清洗。它适用于小批量样品PCBA清洗,通过温度控制,适应MPC微相清洗剂手工清洗工艺,在一个恒温槽内完成化学清洗。

  注意:超声波清洗作为投资少、便于实施的方案也为一些PCBA生产制造商所采用。但是,航天军工限(禁)用超声波清洗工艺,超

  声波清洗不应用于清洗电气或电子部件、元器件或装有电子元器件的部件,清洗时应采取保护措施,以防元器件受损(美军标DOD-STD-2000-4A《电气和电子设备通用焊接技术要求》);IPC-A-610E-2010三级标准也一般禁止超声波清洗工艺。

  

  1、水基清洗工艺:喷淋或浸洗

  2、半水基清洗工艺:碳氢清洗后用水漂洗

  3、真空清洗工艺:多元醇或改性醇

  4、气相清洗工艺:HFE、HFC、nPB(正溴丙烷)、共沸物

  1、目测法

  利用放大镜(X5 )或光学显微镜对PCBA进行观察,通过观察有无焊剂固体残留物、锡渣锡珠、不固定的金属颗粒及其它污染物,来评定清洗质量。通常要求PCBA表面必须尽可能清洁,应看不到残留物或污染物的痕迹,这是一个定性的指标,通常以用户的要求为目标,自己制定检验判断标准,以及检查时使用放大镜的倍数。这种方法的特点是简单易行,缺点是无法检查元器件底部的污染物以及残留的离子污染物,适合于要求不高的场合。

  2、溶剂萃取液测试法

  溶剂萃取液测试法又称离子污染物含量测试。它是一种离子污染物的含量平均测试,测试一般都是采用IPC方法(IPC-TM-610.2.3.25),它是将清洗后的PCBA,浸入离子度污染测定仪的测试溶液中(75%+2%的纯异丙醇加25%的DI水),将离子残留物溶解于溶剂中,小心收集溶剂,测定它的电阻率。离子污染物通常来源于焊剂的活性物质,如卤素离子,酸根离子,以及腐蚀产生的金属离子,结果以单位面积上的氯化钠(NaCl )当量数来表示。即这些离子污染物(只包括那些可以溶入在溶剂)的总量,相当于多少的NaCl的量,并非在PCBA的表面一定存在或仅存在NaCl。

  3、表面绝缘电阻测试法(SIR)

  此法是测量PCBA上导体之间表面绝缘电阻,表面绝缘电阻的测量能指出由于污染在各种温度、湿度、电压和时间条件下的漏电情况。其优点是直接测量和定量测量;而且可以检测局部区域是否存在焊剂。由于PCBA焊膏中的残留焊剂主要存在于器件与PCB的夹缝中,特别是BGA的焊点,更难以清除,为了进一步验证清洗效果,或者说验证所使用的锡膏的安全性(电气性能),通常采用测量元器件与PCB夹缝中的表面电阻来检验PCBA的清洗效果。一般SIR测量条件是在环境温度85*C、环境湿度85%RH和100V测量偏压下,试验170小时。

  4、离子污染物当量测试法(动态法)

  5、焊剂残留量的检测

  印制板组装件装焊后应尽快进行清洗(因为焊剂残留物会随着时间逐渐硬化并形成金属卤酸盐等腐蚀物),彻底清除印制板的残留焊剂、焊料及其它污染物。

  在清洗时要防止有害的清洗剂侵入未完全密封的元器件内,以免对元器件造成损害或潜在的损害。印制板组件清洗后,放入40~50*C的烘箱中烘烤干燥20~30分钟,清洗件未干燥前,不应用裸手触摸器件。清洗不应对元器件、标识、焊点及印制板产生影响。一般电子产品PCBA的组装要经过SMT+THT工艺流程,其间要经过波峰焊焊接、回流焊焊接、手工焊接及其他焊接过程,不管是什么方式的焊接,组装(电装)工艺过程都是主要的组装污染来源。清洗就是一个焊接残留物的溶解去除过程,清洗的目的是通过保证良好表面电阻、防止漏电,从而在本质上延长产品寿命。

  从不断发展的电子产品市场可以看出,现代和未来的电子产品将会变得越来越小,对高性能和高可靠性的要求将比以往任何时候都更为强烈。彻底清洗是一项十分重要而技术性很强的工作,它直接影响到电子产品的工作寿命和可靠性,也关系到对环境的保护和人类的健康。要从整个生产工艺系统的角度来重新认识和解决焊接清洗问题,方案的实施要配合助焊剂、焊料焊膏、焊锡丝等焊接材料的使用,使有机溶剂、无机溶剂及其混合溶剂或者水洗或者免清洗与其做到匹配,才能有效除去残留,使清洗洁净度较容易得以满足顾客期望。