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。活性劑由有機酸或有機鹵化物組成，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行嚴格的清洗。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，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行離子污染度檢測，同時隨機抽取一塊之前清洗的印制板進行離子污染度抽檢；

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行離子污染度檢測，同時隨機抽取一塊之前清洗的印制板進行離子污染度抽檢。

驗證產(chǎn)品清洗合格后，該批次清洗的印制板才能進入下道工序。否則必須重新進行清洗處理，并且再次按以上規(guī)則重新進行離子污染度檢測，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：使用溶劑進行清洗，然后用熱水進行漂洗，再進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、無機污染物。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，元器件及字符無異常現(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；

c）PM102相容性最好，無褪色、脫落等異常現(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清洗液進行進一步大批量的清洗試驗。清洗后，進行鏡檢，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．