軍用印制板組裝件清洗技術(shù)研究

蔣海峰， 包曉云， 王麗虹， 趙 立

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 概述

電子產(chǎn)品的印制線路板在裝配過程中，都需要使用不同類型的助焊劑。助焊劑通常由活性劑、成膜劑、添加劑和溶劑等成分組成?；钚詣┯捎袡C(jī)酸或有機(jī)鹵化物組成，添加劑常由酸度調(diào)節(jié)劑、消光劑、光亮劑、緩蝕劑和阻燃劑等物質(zhì)中的一種或幾種組成。這些物質(zhì)在焊接以后所形成的殘渣會對電子產(chǎn)品的性能產(chǎn)生不良影響。另外，在印制線路板裝配過程中，由于工藝操作、焊接過程、原材料和工作環(huán)境等都會帶來不同程度的污染物。所以，印制線路板在裝配完成后都需要進(jìn)行清洗，以清除助焊劑、表面污物油脂等各種殘留物，保證電子產(chǎn)品性能的長期穩(wěn)定性。

對于高可靠性的航天電子產(chǎn)品而言，不論是通孔插裝還是表面組裝的印制板，在回流焊、波峰焊和手工焊接以后都需要對印制板進(jìn)行嚴(yán)格的清洗。特別是目前在普遍采用表面組裝工藝的印制板中，由于焊劑可能會進(jìn)入表面組裝元器件和基板之間的微小空隙中，從而使得清洗更為困難，也顯得更為重要。所以，正確地選擇清洗劑、制定相應(yīng)的清洗工藝方法，并且對清洗后的印制線路板進(jìn)行清潔度檢測，對于有效去除印制線路板上有害殘留物，保證電子產(chǎn)品的質(zhì)量極為重要。

1 清洗方法和清洗劑

目前，電子行業(yè)印制板組裝件清洗工藝主要分為：手工清洗、氣相清洗、超聲波清洗、離心清洗、半水清洗等。不同的清洗方法使用不同的清洗劑，清洗后必須對清潔度進(jìn)行檢測，并且滿足GJB 5807－2006《軍用印制板組裝件焊后清洗要求》中相對應(yīng)等級的電子產(chǎn)品的清潔度要求。針對適合軍工產(chǎn)品印制板組裝件的常用清洗方法，主要研究手工清洗和半水清洗的工藝方法，并通過檢測清洗后的離子污染度進(jìn)行試驗和驗證。

1．1 手工清洗

手工清洗是軍工產(chǎn)品中常用的一種清洗方法。該方法的優(yōu)點是清洗靈活、簡單，不需要設(shè)備。主要適用于小批量、多品種的印制板組裝件的焊后清洗。缺點是質(zhì)量不穩(wěn)定、清洗效率低，對BGA等貼片元器件的底部清洗困難。

早期以使用三氟三氯乙烷為主，該溶劑的優(yōu)點是清洗效果好、相容性強(qiáng)，干燥速度快，并且不易燃燒、不爆炸，毒性低，操作安全性好，易于回收。但是由于其為臭氧耗損物質(zhì)（Oaone Depletion Substances，ODS），所以已被全面禁止生產(chǎn)和使用。后期以使用酒精為主，該溶劑的優(yōu)點是購買方便、價格便宜，通用性好。但是，隨著軍工電子產(chǎn)品中開始大量使用樹脂型的免清洗助焊劑，使用酒精清洗后會發(fā)生潮解或萃取現(xiàn)象，此時轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨诤更c周圍出現(xiàn)白色的薄膜或顆粒。如圖1所示。白斑的成分相對復(fù)雜，主要包括聚合松香物、氧化松香物、焊料活化劑反應(yīng)物、松香酸鹽、流變性添加劑等［1，2］。對于高可靠性的軍用電子設(shè)備而言，助焊劑殘留物不僅影響印制板組裝件表面涂覆質(zhì)量，而且影響產(chǎn)品的長期可靠性［3］。所以，酒精也逐漸被淘汰使用。

圖1 焊點周圍變白色

目前，手工清洗主要使用各類經(jīng)改性的醇類清洗劑。針對使用的不同牌號的助焊劑，可選擇相適應(yīng)的溶劑。

分別選取Alpha OL 107 E及Multicore Loctite CR32焊膏（回流焊）、Interflux IF2005 M 助焊劑（波峰焊）、Alpha UP78及松香助焊劑（手工焊）等幾種常用的焊膏、助焊劑，通過回流焊、波峰焊、手工焊等三種不同的方式焊接裝配成印制板組裝件，然后使用VIGON EFM（德國ZESTRON公司）、141－R（美國 KYZEN公司）及 TF－2000－8（深圳同方公司）三種手工清洗劑進(jìn)行了清洗對比試驗。清洗流程圖如下圖2所示。

圖2 手工清洗流程圖

清洗完成后，按照GJB 5807－2006《軍用印制板組裝件焊后清洗要求》進(jìn)行鏡檢和離子污染度測試。離子污染度測試儀選用法國亮電公司的CT100型。對手工清洗完成的印制板組裝件使用離子污染度測試儀進(jìn)行清潔度檢測，檢測規(guī)則如下：

a）如果一批印制板清洗完沒有更換清洗劑，則必須對清洗的最后一塊印制板進(jìn)行離子污染度檢測，同時隨機(jī)抽取一塊之前清洗的印制板進(jìn)行離子污染度抽檢；

b）清洗過程中更換新的清洗劑時，必須對最后清洗的那塊印制板使用離子污染度測試儀進(jìn)行離子污染度檢測，同時隨機(jī)抽取一塊之前清洗的印制板進(jìn)行離子污染度抽檢。

驗證產(chǎn)品清洗合格后，該批次清洗的印制板才能進(jìn)入下道工序。否則必須重新進(jìn)行清洗處理，并且再次按以上規(guī)則重新進(jìn)行離子污染度檢測，直至合格。

1．2 半水清洗

在SJ／T10668－2002《表面組裝技術(shù)術(shù)語》中對半水清洗的定義：使用溶劑進(jìn)行清洗，然后用熱水進(jìn)行漂洗，再進(jìn)行干燥處理的一種工藝［4］。

半水清洗技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，是目前比較普遍的一種機(jī)器自動化清洗方式。主要是它不需改變現(xiàn)有工藝中使用的助焊劑，對生產(chǎn)過程不產(chǎn)生影響，而且清洗效果良好。美國大多數(shù)電子生產(chǎn)廠商均采用這一技術(shù)，日本使用半水清洗工藝占電子清洗的20%～30%［5］。

半水清洗配合使用合適的清洗劑，能有效清除印制線路板表面的松香、水溶性助焊劑和免清洗焊劑焊膏等有機(jī)、無機(jī)污染物。該方法的優(yōu)點是清洗一致性好，清洗質(zhì)量可靠，清洗效率高。主要適用于大批量的印制板組裝件的焊后清洗。缺點是不適用于部分電位器、可調(diào)電阻等非密封器件及對潮氣較敏感的印制板。

同樣，分別選取Alpha OL 107E及Multicore Loctite CR32焊膏（回流焊）、Interflux IF2005M助焊劑（波峰焊）、Alpha UP78及松香助焊劑（手工焊）等幾種常用的焊膏、助焊劑，通過回流焊、波峰焊、手工焊等三種不同的方式焊接裝配成印制板組裝件，然后分別選取德國ZESTRON公司的A201（30%）、N501（15%）和 PM102（25%）三種清洗劑進(jìn)行了清洗試驗。清洗設(shè)備選用Miele IR6002，清洗流程及工藝參數(shù)如圖3所示。

2 試驗結(jié)果和討論

2．1 手工清洗

手工清洗的試驗結(jié)果如表1所示。

三種清洗劑的清洗前后部分對比分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖3 半水清洗流程及工藝參數(shù)

表1 清洗對比試驗

圖4 VIGON EFM清洗效果對比

圖5 141－R清洗效果對比

從表1及圖4～圖6可以看出，VIGON EFM清洗劑對所選用的助焊劑清洗效果最好，清洗后焊點光亮，元器件及字符無異?，F(xiàn)象。離子污染度平均為 0．86μg（Nacl）／cm2，不僅符 合 GJB 5807—2006《軍用印制板組裝件焊后清洗要求》中對三級電子產(chǎn)品（導(dǎo)彈系統(tǒng)）的離子殘留物含量要求≤1．56μg（Nacl）／cm2，而且相比其它兩種清洗劑離子污染度較低，也就是清潔度較好。

圖6 TF－2000－8清洗效果對比

2．2 半水清洗

半水清洗的試驗結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：

a）由于A201清洗液為堿性，所以清洗效果最佳，但是其對鋁發(fā)黑件有褪色現(xiàn)象，對某些元器件的表皮有脫落現(xiàn)象。如果選用該清洗液，則必須提前剔除該類元器件。同時，堿性清洗液如果漂洗不干凈，帶來的腐蝕隱患，也增加了選用堿性清洗液的顧慮，使得該清洗液的使用受到了最直接的限制；

b）N501雖然為中性，但是仍然有一定的褪色作用，相容性不強(qiáng)；

c）PM102相容性最好，無褪色、脫落等異?，F(xiàn)象，適合軍用印制板組裝件多品種、多方式元器件焊裝的特點。

所以，選擇PM102清洗液進(jìn)行進(jìn)一步大批量的清洗試驗。清洗后，進(jìn)行鏡檢，發(fā)現(xiàn)印制板組裝件焊點表面光亮，助焊劑殘留物被完全清除，器件及器件上的字符等無異常。離子污染度平均為0．55μg（Nacl）／cm2。清洗前后對比見圖7。同時利用顯微鏡對安裝高度為0．5 mm的BGA底部進(jìn)行了觀察，沒有發(fā)現(xiàn)白色助焊劑殘留物，說明該清洗工藝對安裝高度為0．5 mm的BGA底部也能清洗干凈。試驗表明，使用清洗機(jī)配合PM102清洗劑的半水清洗方式，完全可以去除印制板上的助焊劑殘留物。清洗后的印制板焊點光亮，經(jīng)檢測，離子污染度滿足GJB 5807－2006《軍用印制板組裝件焊后清洗要求》對三級電子產(chǎn)品（導(dǎo)彈系統(tǒng)）的印制板組裝件清洗后離子污染度≤1．56μg Nacl／cm2的清潔度判定要求。

表2 清洗對比試驗

圖7 PM102半水清洗效果對比

3 結(jié)論

根據(jù)手工清洗和半水清洗工藝試驗和清洗后的檢驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

a）小批量、非密封器件及潮氣敏感的印制板使用手工清洗，使用VIGON EFM清洗劑浸泡后刷洗的方式能有效去除助焊劑殘留物，清洗后的離子污染度符合GJB 5807要求；

b）大批量及密封性好、對水氣不敏感的印制板使用半水清洗，使用清洗機(jī)配合PM102清洗液的清洗方式，可以徹底去除印制板上的助焊劑殘留物，清洗后的離子污染度符合GJB 5807要求。

［1］ C Lea．After CFCs ［M］．British Isles：Electrochemical Publications，Isle of Man，1992．

［2］ 林偉成．電路板清洗后白渣的形成原因及解決辦法［J］．電子工藝技術(shù)，2006，27（3）：145－149．

［3］ 吳民，孫海林，陳興橋．印制板半水清洗技術(shù)研究［J］．電子工藝技術(shù)，2010，31（4）：209．

［4］ SJ／T10668—2002．《表面組裝技術(shù)術(shù)語》［S］．

［5］ 李曉麟．印制電路組件裝焊工藝與技術(shù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2011．