淺談助焊劑的清洗方法

支雪峰

(蘇州華旃航天電器工程技術(shù)二部 )

1 引言

通常電纜組裝件在焊接后，其焊接部位總是存在不同程度的助焊劑的殘留物及其他類型的污染物，如殘留的手跡和飛塵等，即使使用固含量低的免清洗助焊劑，仍會有或多或少的殘留物。因此，清洗對保證電子產(chǎn)品的可靠性有著極其重要的作用。污染物主要來源于助焊劑中包括松香在內(nèi)的多種化學(xué)成分。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展和市場的激烈競爭，電裝工廠都希望能找出焊接性能優(yōu)異、價格低廉的焊料及助焊劑產(chǎn)品。助焊劑作為焊料的輔料 ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% ～ 20%)，不僅可以提供優(yōu)良的助焊性能，而且還直接影響焊料儲存壽命。因此，助焊劑的品質(zhì)直接影響電纜組裝件焊接工序的整個工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量。在目前生產(chǎn)中使用的助焊劑，根據(jù)其后繼清洗工藝分為溶劑清洗型、水清洗型和免清洗型 3 種，其中溶劑清洗型包括 CFC(氟氯烴)清洗型及非 CFC 溶劑清洗型。

2 清洗原理

2.1 污染物的種類

1)極性污染物。極性污染物(或稱離子型污染物)是指在一定條件下可以電離的一類物質(zhì)，如助焊劑、焊膏中活性劑，包括鹵化物、酸及其鹽，它們是引起電遷移的主要原因。電遷移可在導(dǎo)體之間(如焊好的引腳之間)形成樹枝狀金屬物質(zhì)，引起導(dǎo)體之間的絕緣電阻下降，甚至發(fā)生短路。電遷移可用表面絕緣電阻(SIR)是否下降來判斷，SIR值越大(無電遷移)，部件越清潔。另外，在潮濕環(huán)境下，具有酸性的極性污染物還可以直接腐蝕銅引線、焊點及元器件，導(dǎo)致電氣失效。例如，焊料中的鉛(Pb)氧化后與助焊劑中的鹽酸(HCL)結(jié)合，形成氯化鉛(PbCL2)；如果氯化鉛在清洗期間未被除去，它將與空氣中的水汽(H2O)和二氧化碳(CO2)反應(yīng)，形成碳酸鉛(PbCO3)，又重新生成鹽酸。如此反復(fù)循環(huán)，一直繼續(xù)到焊料中的鉛消耗完為止。反應(yīng)過程如下：

Pb + 1/2 O2= PbO

PbO + 2HCL = PbCL2+ H2O

PbCL2+ H2O +CO2=PbCO3+2HCL

鹽酸還會腐蝕存在的銅，形成氧化銅，即

CuO +2HCL =CuCL2+ H2O

2)非極性污染物。非極性污染物(或稱非離子型污染物)主要指助焊劑以及焊膏中殘 留的有機物，焊接工藝過程中夾帶的膠帶殘留物以及操作人員的膚油等，這些污染物自身發(fā)粘，吸附灰塵。有時覆蓋在焊點之上的松香或樹脂殘渣還有礙測試，特別是非極性污染在極性污染物的配合下，還會加劇污染的后果。這是因為松香成分中含有多種酸，如松香酸(abiebicacid)和海松酸(pimaric acid)。

3)粒狀污染物。粒狀污染物通常是指工作環(huán)境中的灰塵、棉絨、煙霧等在 焊接部位上留下的塵埃，以及焊接時出現(xiàn)的焊球。它們也能降低電氣性能，對電子組裝產(chǎn)品造成危害。塵?？梢圆捎脵C械方式，如噴吹或超聲波清洗來去除。

2.2 清洗原理

同其他污染一樣，污染物也主要是依靠物理鍵結(jié)合與化學(xué)鍵結(jié)合產(chǎn)生。所謂“物理鍵”結(jié)合，是指污染物與焊點表面之間以分子間力相結(jié)合。通常物理鍵鍵能相對較低，一般在 0.8×103～2.1×104J/mol之間。所謂“化學(xué)鍵”結(jié)合，是指污染物與焊點表面之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、形成原子之間的結(jié)合，生成離子化合物或共價化合物，如松香酸與金屬形成的松香酸鹽等?；瘜W(xué)鍵的鍵能較強，在(4.2～8.4)×105J/mol之間。清洗的原理在于破壞污染物與焊點表面之間的物理鍵或化學(xué)鍵的結(jié)合力，從而達到分離污染物的目的。

去除污染物時，除浮塵可以采用高壓氣體噴吹的方法之外，附著力強、難以去除的污染物普遍采用液態(tài)清洗方法，其原理是通過污染物和溶劑之間的溶解或化學(xué)反應(yīng)將污染物從 焊點表面上去除。采用溶解方式時，選擇溶劑要采用極性相似的原則，即非極性污染物用非極 性溶劑清洗，極性污染物用極性溶劑進行清洗，因此清洗劑往往用多種溶劑復(fù)合。也可以采用化學(xué)反應(yīng)方法清洗，比較典型的是皂化反應(yīng)，即采用表面活性劑和水一起與松香殘留物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶于水的脂肪酸鹽。

3 清洗類型

3.1 溶劑清洗

溶劑清洗是最早采用的方法之一。它主要是利用溶劑的溶解力除去污染物，通書輔助超 聲波、噴淋以及溫度的作用增強去污能力。采用溶劑清洗，由于其揮發(fā)快，溶解能力強，故對設(shè)備要求簡單。早期使用的溶劑是氯氟烴化三氯三氟乙烷(簡稱 CFC-113)，具有脫脂效率高、對助焊劑殘渣溶解力強、易揮發(fā)、無毒、不燃不爆、對電子元器件和 PCB 無腐蝕以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點，是一種理想的溶劑。但它對大氣臭氧層有破壞作用，嚴(yán)重危害人類的生存環(huán)境，因此這種清洗劑將被淘汰。替代的有機清洗溶劑可分為可燃性清洗劑和不可燃性清洗劑，前者主要包括有機烴類和醇類(如有機烴類、醇類、二醇酯類等)，后者主要包括氯代烴類(二氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯等)和氟代烴類(如 HCFC 和 HFC 類)等。使用這些溶劑進行清洗不需要水，清洗、漂洗乃至蒸汽干燥，都使用溶劑，因而不需要純水制備和廢水處理。 可燃性溶劑的揮發(fā)性大，閃點低，使用時必須對清洗設(shè)備及其輔助設(shè)備采用防爆措施； HCFC(含氫的氟氯烴)溶劑仍屬破壞臭氧層物質(zhì)，已規(guī)定在 2020 年全面淘汰。氯代烴類溶劑如三氯乙烯等毒性大，而且有制癌作用，應(yīng)對其加強管理。

3.2 水清洗型

水清洗型助焊劑中含有有機鹵化物、有機酸(OA)、胺和氨類化合物，這些物質(zhì)在焊后還具有一定腐蝕性，特別是鹵素化合物，對基板影響很大，需要通過清洗減少腐蝕性。這些有機物通?？扇苡谒?，所以常用去離子水配上一定量的添加劑作為清洗劑。水清洗型助焊劑是指焊后用皂化水和去離子水清洗，主要是利用去離子水和水中溶解的活性劑、分 散劑、PH緩沖劑、絡(luò)合劑等通過皂化反應(yīng)去除印刷電路板上的雜質(zhì)。水清洗型助焊劑在焊接生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，但是 由于生產(chǎn)成本較高、焊接過程工序多而受到限制，特別是焊接生產(chǎn)中有廢水產(chǎn)生，既提高了生產(chǎn)成本也引起環(huán)境污染，所以此類型的助焊劑未能完全替代 CFC溶劑清洗型助焊劑。

3.3 免清洗型助焊劑

免清洗助焊劑應(yīng)滿足以下要求[18-19]：1) 潤濕率 或鋪展面積大；2) 焊后無殘留物；3) 焊后板面干燥，不粘板面；4) 有足夠高的表面絕緣電阻；5) 常溫下化學(xué)性能穩(wěn)定，焊后無腐蝕；6) 離子殘留應(yīng)滿足免清洗要求；7) 具有在線測試能力；8) 不形成焊球，不橋連；9) 無毒，無嚴(yán)重氣味，無環(huán)境污染，操作安全；10) 可焊性好，操作簡單易行；11) 能夠用發(fā)泡和噴 霧方式均勻涂覆。

4 助焊劑清洗應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我公司主要應(yīng)用醇類清洗劑(如有乙醇、異丙醇等)、MCC-SPR助焊劑清洗劑和超聲波清洗。下圖1-4分別是焊接清洗前、SPR清洗劑清洗后、異丙醇清洗后、超聲波清洗后的焊點對比照片。

圖1 焊接清洗前

圖2 SPR焊接清洗后

圖3 異丙醇焊接清洗后

圖4 超聲波焊點清洗

通過對比清洗前后的焊點照片，明顯可以看出以上三種清洗手段均有明顯去除助焊劑殘留的效果。

5 優(yōu)缺點

MCC-SPR清洗：效率高，清潔效果好，特別針對免清洗助焊劑，水溶性助焊劑，焊膏；滿足高密度PCB板，BGA器件，CSP器件清洗要求；適用于光纜、連接器，射頻端子等精密接插件清洗；無腐蝕性，與大多數(shù)器件，塑料相容；導(dǎo)電安全，不可燃，具有清香氣味；快速干燥，無殘留。但成本相對較高，安全濃度為100ppm，使用時需適當(dāng)防護，必須通風(fēng)及戴口罩。

異丙醇清洗：異丙醇成本低廉，用途廣泛，對親油性物質(zhì)的溶解力很強，易揮發(fā)；但靜電刷蘸取異丙醇清洗焊點，效率相對較低；且異丙醇屬于易燃液體，儲存相對有危險；異丙醇有毒性，使用時需避免直接接觸皮膚、眼睛等敏感部位。

超聲波清洗：可以一次清洗多個焊點，效率高，清潔度高，清洗速度快；不需要人手接觸清洗劑，安全可靠；對縫隙，凹凸面、深孔亦可清洗干凈，對工件表面無損傷。

由于超聲波清洗所具有的獨特功能和效率, 現(xiàn) 已廣泛應(yīng)用于電子行業(yè) 。對電子產(chǎn)品的可靠性起到了相當(dāng)關(guān)鍵的作用 。目前, 超聲波清洗工藝的新設(shè)計, 已開始采用自動化的程序控制。各方面的綜合改進工作, 不僅大大節(jié)省了勞動的消耗, 也改善了對工作環(huán)境的污染。超聲波清洗越來越顯示出其不可替代的優(yōu)越性。