清洗工艺选择研究

琚红云

摘   要：在电子组装生产的过程中，要经过SMT、选择性波峰焊或者波峰焊、手工修焊、装配和测试等多个工序。每个工序都会对产品造成不同性质的污染。这些污染物质在湿热、烟雾、高温等的环境作用下，会发生氧化、腐蚀、电迁移等，长期带电的产品就会发生短路、绝缘下降、使用寿命缩短等现象。如果仅是通过涂敷三防漆来抵抗恶劣环境的影响是远远不够的。控制产品的污染物殘留，提高产品清洁度，才是提高产品质量可靠性的必要手段。文章对此进行了分析。

关键词：清洗工艺;PCBA;工艺设计

1    PCBA上的污染的种类

印制电路板组件（Printed Circuit Board Assembly，PCBA）污染物是在各个工序生产过程中附着在PCBA表面肉眼可见的锡珠、残胶、油脂、指印等和不可见的助焊剂残留、粉尘等。这些污染物可以分为极性污染物、非极性污染和粒子污染物。极性污染物包含助焊剂、汗液、焊料残渣和元器件及印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）的氧化物等。非极性污染物包含焊剂中的松香及树脂的残留，胶带、粘结剂残留，皮肤油脂和防氧化剂等。粒子污染物包含尘埃、烟雾、棉絮、锡珠、静电粒子和PCBA加工时产生的玻璃纤维等。极性污染物会造成电迁移、枝晶生长、元器件的引脚腐蚀，严重时会引起电路失效。非极性污染物会吸附灰尘、静电粒子，引起导电接触不良，影响接插件的接触可靠性，粒子污染物则会加剧污染的危害。在以上污染物中危害最大的应属极性污染物，也就是通常说的离子污染物。离子污染物的控制对于产品质量可靠性的控制意义重大。

从元器件、PCBA污染物残留的控制，到生产中使用的焊膏、焊剂、焊锡丝等选型，再到生产过程中操作人员的工作服、手套等穿戴控制，到最后产品的包装、转运工装的管理都会影响到产品污染物含量的高低，最终影响到产品的运行可靠性和寿命的长短。这些生产中的质量控制，是非常细致、周密、严格和系统的，需要投入大量的人力和物力。

2    清洗工艺的种类

清洗工艺对解决PCBA上的污染物是非常必要、有效的手段，典型的清洗工艺有溶剂清洗、半水基清洗和水基清洗。溶剂清洗的原理是利用醇类、酮类、含氟类等溶剂的溶解力完成预洗和漂洗，去除污染物。溶剂型清洗剂挥发快、溶解能力强、对设备要求极低，整个清洗工艺无废水处理。溶剂型清洗剂对环境有一定的破坏作用，会产生温室效应，对工厂的环境有一定的影响。

半水基清洗的原理是使用有机溶剂添加表面活性剂进行预洗，有机溶剂溶解污染物、表面活性剂提供润湿和乳化功能，防止脱离基材的污染物再次吸附到基材上，去离子水进行漂洗。半水基溶剂一般为可燃溶剂，闪电很高、毒性较低，使用上较为安全。清洗后产品需要烘干处理，确保产品中的水汽全部挥发，避免因湿气降低产品性能。烘干设备成本高、占地面积大、能耗大，会增加生产成本。半水基清洗会产生废水，废水均需要通过废水处理装置处理后才能达到废水排放要求。

水基清洗的原理是使用去离子水作为清洗的介质，在水中添水基型有机溶剂，破坏污染物和基材之间的键合，通过水基清洗剂的润湿、溶解、乳化、皂化、螯合等作用实现污染物与基材的脱离。水基清洗不仅能去除极性污染物、非极性污染物，还能去除粒子污染物，是今后清洗工艺的发展方向。水基清洗对前端的研发设计提出了更高的要求，对于器件的防水、密封等要求更严格。对于PCBA的布局更要考虑清洗的方向，避免“阴影效应”造成阴影遮蔽器件无法有效地清洗，水基清洗和半水基清洗同样有产品烘干和废水处理问题。

3    PCBA清洗工艺设计

清洗工艺对研发设计提出了较高的要求。无论是溶剂清洗、半水基清洗，还是水基清洗，都要考虑器件的密封性、耐溶剂性。对于水基清洗还要考虑器件的耐热性，器件的这些性能指标会决定清洗工艺的选择方案。

在研发设计布局时，器件布局的密度、器件封装都会增加清洗工艺的设计难度。焊球阵列封装（Ball Grid Array，BGA）、方形扁平无引脚封装（Quad Flat No-leadPackage，QFN）等这种引脚隐藏在本体之下的器件，引脚<0.1 mm以下的小型方块平面封装（Quad Flat Package，QFP）、无引线陶瓷封装载体（Leadless Ceramic Chip Carrier，LCCC）、01005以及更小的器件等，这些器件在清洗时要选择有较好溶解度的溶剂，但同时也要考虑易漂洗问题。

研发设计时还要考虑布局造成的“阴影效应”，高的器件会遮蔽附近低的器件的清洗效果，甚至会加大漂洗的难度，反而会造成二次污染。

对于清洗工艺的要求是选择合适的清洗溶剂，高强度的清洗剂能够彻底清洁板面，也会造成清洗过度，清洗掉条形码的油墨、器件上的丝印等，低强度的清洗剂又会造成清洗浸泡的时间增长、降低清洗效率。选择合适的清洗剂是清洗工艺研究的重点。清洗设备的选择也是清洗工艺设计的重要环节。

4    清洗工艺的评价

业界内最常见的清洁度的检测方法是目测法、离子污染测试法、离子色谱分析法和表面绝缘阻抗测试法。目测法是最实用、最高效、最便宜的检测手段，只需要一台10～15倍的光学显微镜，即可随时检测PCBA的污染物残留。目测观察PCBA基材，器件引脚周围是否有污染物质，通常未清洗的器件引脚周围包裹着一层松香残留，基材上会有油脂、手印等残留，在10～15倍的光学显微镜观察下，这些残留物清晰可辨。通过目检的方法能直观地比较清洗前后残留物的变化。离子污染测试是检测PCBA表面可导电的离子型污染物总量，不区分离子的总类。IPC-6012中规定了离子的含量，在阻焊涂层前的光PCBA所有类别的离子含量<1.56 μg/cm2 NaCl等渗当量。离子色谱法是采用国际电子工业联接协会IPC-TM-650 2.3.28的方法，可以精确的测量出PCBA上离子残留物的种类和数量。针对RoHS，测试重金属的离子残留，针对离子污染，会测试卤素残留的指标。因为卤素是造成焊点腐蚀的重要因素。表面绝缘阻抗测试，采用IPC-9201的方法进行测试，通过测试清洗前后PCBA的阻抗来比较。

5    结语

随着工业技术的发展、环境变化的要求，对PCBA板面的清洁度的要求会越来越高。采取合适的清洗工艺，对降低产品因污染物造成的性能失效意义重大。