電子組裝中的清洗工藝設(shè)計

作者：電信科學(xué)技術(shù)儀表研究所有限公司/王琳濤;

北京航星科技有限公司/熊京寧

本文來源：北京電子學(xué)會智能制造委員會/劉海濤提供

近年來隨著成本原因以及環(huán)境保護和清潔生產(chǎn)的要求，越來越多的電子廠商在PCBA生產(chǎn)制程中采用免清洗或簡單清洗工藝，也就是在焊接過程中采用免清洗助焊劑。對于非高可靠性的電子產(chǎn)品，采用免清洗工藝可以達到減少工序、降低成本、減少有毒有害溶劑揮發(fā)等目的。然而，眾多電子廠商發(fā)現(xiàn)，采用免清洗或者簡單清洗工序后，如果不能保證板面的污染物殘留干凈，一些PCBA組件經(jīng)過儲存或客戶端使用一段時間后更易產(chǎn)生板面腐蝕甚至電路開路失效。

1.印制板組件污染物的來源

1）元器件引線上的污染；

2）裝聯(lián)操作中產(chǎn)生的污染；

3）助焊劑的污染；

4）焊接過程中的污染；

5）工作環(huán)境的污染。

2.污染物的危害

1）化學(xué)污染的危害；

2）物理污染的危害；

3）機械污染的危害；

4）光學(xué)污染的危害。

由于上述化學(xué)的、物理的、機械的、光學(xué)的污染，造成對電路性能的危害，導(dǎo)致改變或終止電路的正常信號的功能，出現(xiàn)電路中斷、電阻增加、局部發(fā)熱氧化、甚至電路短路，當(dāng)在較高溫度和濕度作用下，還會產(chǎn)生漏電流，介電常數(shù)及損耗系數(shù)的改變等不良現(xiàn)象，最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

3.電子組裝中的清洗工藝設(shè)計

清洗工藝按清洗方式可分為人工刷洗、浸泡清洗、噴淋清洗、超聲波清洗、氣相清洗、微相清洗、等離子體清洗及超凝態(tài)過冷動力學(xué)清洗，在SMT行業(yè)多采用前五種清洗方式。

清洗效果的影響因素主要包括工藝參數(shù)和制程工藝。工藝參數(shù)主要包括清洗功率、清洗劑酸堿度、清洗劑溫度、清洗劑濃度、噴嘴形狀設(shè)計和清洗工藝設(shè)計，制程工藝主要包括元器件封裝及布局、PCB設(shè)計、焊接工藝、焊后停留時間和助焊劑類型和使用。

清洗工藝應(yīng)該滿足不同助焊劑類型要求，同時其清洗工藝與現(xiàn)有設(shè)備和工藝相匹配，生產(chǎn)工藝可控，滿足苛刻環(huán)境要求，同時成本較低。

本文重點介紹工藝參數(shù)固定的情況下，采用噴淋清洗工藝中，我們選擇的清洗工藝是否滿足要求，又如何判斷非目視焊點助焊劑清潔度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，使驗證可視化，優(yōu)化清洗工藝，并綜合考量如何更加有利于節(jié)約清洗劑。

4.助焊劑對焊點的影響

在印制電路板上組裝焊接各種元件、集成電路、芯片、各種連接器、開關(guān)等組件時離不開助焊劑來輔助焊接。

助焊劑組成材料包括：松香（RO）、樹脂（RE）、有機（OR）和無機（IN）。助焊劑殘留物活性分：低活性、中等活性和高活性。

助焊劑鹵化物重量百分比：＜0.05%表示無鹵化物、其他數(shù)值代表有鹵化物。焊劑當(dāng)中的鹵化物活性劑常用來提高焊劑的活性，但是在焊接過程中，這些活性劑會和各種成分發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)形成金屬的鹵酸鹽。

具體要求見下表。

對于高可靠性產(chǎn)品：

《GJB 3243》中規(guī)定，錫膏中焊劑可采用GB 9491中規(guī)定的R型、RMA型焊劑。不準(zhǔn)使用RA型焊劑和OA型焊劑。如采用免清洗焊劑，應(yīng)預(yù)先在合同中規(guī)定。

《航天禁限用工藝》中規(guī)定，采用焊劑芯焊料或液態(tài)焊劑時，不能采用不符合GB9491的R型或RMA型焊劑。導(dǎo)線、電纜的焊接不應(yīng)使用RA型焊劑，其它場合使用RA型焊劑應(yīng)得到有關(guān)部門的批準(zhǔn)。

對比國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，國外標(biāo)準(zhǔn)對松香型標(biāo)識：“RO”，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對松香型標(biāo)識：低活性“R”,中等活性“RMA”,高活性“RA”，具體見下表。

常用的松香助焊劑由松香樹脂組成，而松香樹脂的主要成分是松香酸，松香酸的分子中有不飽和的雙鍵，因此特別容易氧化。印制電路板在焊接受熱時，松香酸迅速氧化，形成過氧化物和酮化合物，并且殘留物附著在焊點表面。助焊劑中的松香本身是不溶于水的，但助焊劑在儲存和使用過程中，會吸收空氣中的潮氣，即使沒有濕度的影響，僅僅環(huán)境的變化，日夜交替，松香或樹脂開裂（見下圖），與空氣當(dāng)中的水分和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，形成碳酸鹽。反應(yīng)物將造成對電路性能的危害，導(dǎo)致改變或終止電路的正常信號的功能，出現(xiàn)電路中斷、電阻增加、局部發(fā)熱氧化、甚至電路短路，當(dāng)在較高溫度和濕度作用下，還會產(chǎn)生漏電流，介電常數(shù)及損耗系數(shù)的改變等不良現(xiàn)象，最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

若在焊點表面殘留某些含有如鹵素離子（如含鹵素的活性松香助焊劑、空氣中存在含有氯的鹽霧成分及汗?jié)n等）的殘留物，那么在鹵素離子的作用下將發(fā)生系列化學(xué)反應(yīng)，生成腐蝕產(chǎn)物，見下圖。而且只要環(huán)境中有水和二氧化碳，這種腐蝕過程將永無休止地循環(huán)下去，直到焊料中的鉛全部被消耗殆盡，從而使電子裝備徹底損壞。因此研究焊后PCBA表面的清潔度狀況對于某些高可靠性產(chǎn)品是非常重要的。

對于高可靠電子產(chǎn)品，不論是通孔插裝還是表面組裝，無論采用哪一種工藝，在再流焊、波峰焊、浸焊或者手工焊后，也無論選用哪一種助焊劑，包括采用免清洗助焊劑后，印制電路板組件都必須進行嚴格的、一絲不茍的、有效清洗，以除去助焊劑殘留物和各種污染物。特別在在高密度、高精度組裝中，由于助焊劑可進入表面組裝元器件和基板之間的微小間隙，從而使得清洗顯得更加困難也更顯重要和必要。

在PCBA清洗時，清洗劑對PCBA焊點表面潤濕、溶解、乳化、皂化和螯合作用等，并通過噴淋方式施加一定的機械力將污染物從PCBA焊點表面剝離下來，直至焊點周圍無白色殘留物，然后漂洗或沖洗干凈，最后吹干、烘干或自然干燥。

5.PCBA焊點助焊劑檢驗標(biāo)準(zhǔn)

a.《IPC-A-610G 電子組件的可接受性》對助焊劑的評判和分析

運用這些要求時，需要鑒別和考慮助焊劑的分類（見J-STD-004）和組裝工藝，即免清洗型、清洗型等。

目標(biāo)-1，2，3級

?清潔，無可見殘留物。

可接受-1，2，3級

?對于清洗型助焊劑，不允許有可見殘留物。

?對于免清洗工藝，可允許有助焊劑殘留物。

缺陷-1，2，3級

?可見的清洗助焊劑殘留物，或電氣配接面上的活性助焊劑殘留物。

注1:經(jīng)認證測試合格后，一級可接受。還要檢查元器件內(nèi)部或底部截留的助焊劑殘留物。

注2:助焊劑殘留物活性的定義見J-STD-001和J-STD-004。

注3:指定的“免洗”工藝必須滿足最終產(chǎn)品的清潔度要求。

b.《GJB 5807-2006軍用印制電路板焊后清洗要求》對清潔度評估要求

松香型助焊劑，正常時由于其中含鹵素的活性物質(zhì)被松香樹脂包圍著，在一定環(huán)境條件下不會出現(xiàn)腐蝕性。如果清洗方式或清洗程序選擇不當(dāng)，它只能清洗松香而無法去除含鹵素的離子，就會加速腐蝕；對于不含鹵素的松香型助焊劑，如果清洗不徹底（見下NG圖），白色殘留物吸潮，導(dǎo)致信號異?；蚨搪?。

雖然《IPC-A-610G》和《GJB 5807-2006》給出了助焊劑污染物的評判標(biāo)準(zhǔn)和具體的要求，但是對每一個批次或者每一個產(chǎn)品都進行測量和評定，成本又是高昂的。

松香型助焊劑較易清洗干凈，板卡干凈與否最直觀的檢驗就是焊點周圍有無白色殘留物（見右OK圖），所以我們只要驗證無白色殘留是否可以滿足板卡清潔度要求即可。

6.清洗模擬試驗

從理論上講，PCBA能否清洗干凈，基于最小元件離板距離（Stand off）與該元件的對角線距離。如果對應(yīng)關(guān)系不滿足相互關(guān)系，則元件焊點，特別是球柵陣列封裝更容易殘留雜質(zhì)。如果不能達到最小的離板距離（Stand off），對元件下的適當(dāng)清潔是困難的，這種情況下推薦使用免洗助焊劑。

下表顯示推薦的元件離板距離的相互關(guān)系。

焊點周圍白色殘留物干凈與否，可以通過放大鏡等裝置進行檢驗，但對于BGA、LGA等球柵陣列封裝的器件，無法直接檢驗是否清洗干凈，則無法判定我們的清洗工藝選擇是否有效？我們又有什么方法來檢驗?zāi)兀?/span>

將物料拆焊，焊點狀態(tài)會破壞，無法判斷是否清洗干凈，最好的辦法就是物料不拆焊，能夠直接檢驗。

球柵陣列（BGA）器件焊點可視化判斷清潔度的方法：

PCBA焊接完成后，焊點周圍會有透明助焊劑殘留，球柵陣列（BGA）器件類焊點在本體下方，無法直接目視，清洗后無法直接判斷有無助焊劑殘留和白色殘留。此方法可以直接目視判斷焊點有無清洗干凈。

選用不同尺寸的透明片，不同尺寸的焊球，模擬不同封裝球柵陣列器件清洗后狀態(tài)，可視化驗證清洗工藝選擇有效性，也可以對清洗工藝選擇和優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義，輔助判斷清洗工藝選擇正確性。

PCBA可視焊點可以通過40X放大鏡觀察焊點間有無助焊劑殘留和有無白色殘留物，對于球柵陣列（BGA）器件非可視焊點無法直接觀察，無法證明是否符合《GJB 5807-2006》三級檢驗標(biāo)準(zhǔn)，可以通過以下方法驗證球柵陣列（BGA）器件焊點可視化判斷清洗是否合格，并固化清洗參數(shù)。

球柵陣列（BGA）器件焊球尺寸和封裝尺寸見下表：

球柵陣列（BGA）焊球尺寸

部分球柵陣列（BGA）封裝尺寸

準(zhǔn)備包含有不同焊球間距焊盤的PCB裸板和相應(yīng)球柵陣列（BGA）封裝尺寸的透明片，在裸板球柵陣列（BGA）器件焊盤上進行刮膏，根據(jù)球柵陣列（BGA）焊球尺寸表格中的不同焊球間距焊接后塌陷高度進行植球。

焊接完成后，焊點周圍助焊劑殘留不清除（見下圖），將相應(yīng)尺寸透明片固定在植球焊盤上，形成類BGA焊接狀態(tài)。將不同封裝尺寸和焊球間距進行組合來實現(xiàn)不同封裝的BGA焊接。

PCBA制作完成后，選擇合適的清洗參數(shù)對其進行清洗，清洗結(jié)果可視化判斷BGA類器件是否已經(jīng)清洗干凈。PCBA干凈與否最直觀的檢驗就是焊點周圍有無白色殘留物（見下圖），所以我們只要檢驗無白色殘留即可證明PCBA清潔度符合《GJB 5807-2006》三級檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

有助焊劑殘留或白色殘留物，表示未清洗干凈；

2.無助焊劑殘留或白色殘留物，表示清洗干凈。

在確定清洗方式時，也要考慮到清洗過程中板卡之間的相互影響，即陰影效應(yīng)。PCBA擺放時，垂直向下看時不能有板之間的遮擋，以防止陰影效應(yīng)，見下圖。

噴淋旋轉(zhuǎn)清洗機，腔體內(nèi)四角無法直接噴淋導(dǎo)致清洗效果較弱，所以清洗密間距芯片板卡禁止擺放清洗機艙內(nèi)四角。

PCBA清洗時密間距器件面斜向上，接插件、CPCI、RJ45等三面密封連接器或高連接器，將連接器的開口朝向側(cè)面或下面，避免高連接器在清洗時對矮件造成的陰影效應(yīng)，并防止器件密封腔截流清洗劑，造成浪費。

以上都是我們在選擇和優(yōu)化清洗工藝時必須要考慮的前提。

7.結(jié)論

對比前后清洗效果，玻璃片下助焊劑殘留消失，且無白色殘留物，無白色殘留物是否滿足板卡清潔度評估要求，需要到檢測機構(gòu)進一步驗證，如果驗證成功，則可以證明清洗工藝選擇正確。

此種方法，可以從側(cè)面佐證自己的清洗工藝選擇是否正確，球柵陣列器件是否清洗干凈，從而固定產(chǎn)品清洗工藝，避免重復(fù)到檢測機構(gòu)鑒定，節(jié)約成本。

條件允許的情況下，在不同封裝BGA焊盤上植相應(yīng)尺寸的焊球，將玻璃板固定在上面進行清洗，使模擬更貼近實際，驗證BGA底部焊點清洗效果，有無白色殘留物，是否清洗徹底。

PCBA間擺放間隙與尺寸之間的關(guān)系也值得我們深究，只有把各方面的參數(shù)摸索清楚，才能夠優(yōu)化我們的清洗工藝，節(jié)約成本。

原文標(biāo)題：球柵陣列器件焊點清洗可視化檢驗

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審核編輯：湯梓紅