PCB波峰焊工艺离子清洁度分析

舒伟华 廖声礼

SHU Weihua LIAO Shengli

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

GREE Electrical Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

电子产品的印制线路板在装配过程中，都需要使用不同类型的助焊剂。助焊剂通常由活性剂、成膜剂、添加剂和溶剂等成分组成。活性剂由有机酸或有机卤化物组成，添加剂常由酸度调节剂、消光剂、光亮剂、缓蚀剂和阻燃剂等物质中的一种或几种组成。这些物质在焊接以后所形成的残渣会对电子产品的性能产生不良影响。另外，在印制线路板装配过程中，工艺操作、焊接过程、原材料和工作环境等都会带来不同程度的污染物。随着免清洗工艺的推行，对板面离子清洁度更加重视，所以，正确地选择助焊剂，制定相应的波峰焊工艺参数，对于减少版面残留物，保证电子产品的质量极为重要。本文通过研究，探讨影响离子清洁度的因素。

2 离子污染主要来源

PCB板上因制程及材料来源和人为等原因造成的污染物残留统称污染，这些污染物以阴阳离子的状态来体现和计算，称为离子污染。离子污染的主要来源以板材原材料及制程中的酸根残留等为主。如PCB制程中的酸洗会造成酸性离子（NO3-、SO4-）的残留，喷锡制程中Cl-的残留，PCB本身Br-的残留等以及焊接工艺的助焊剂残留[1]。

3 材料的选择及试验方案

3.1 材料选择

助焊剂：选择的两款助焊剂，助焊剂A和助焊剂B，产品均符合GB/T 31474-2015《电子装联高质量内部互连用助焊剂》要求，且型号符合IPC J-STD-004B中的ROL0型；

印制电路板组装件（PCBA），同批次生产的某种印制电路板组装件，尺寸：21 cm×14 cm；

波峰焊焊料：SnCu0.7，GB/T 31476-2015《电子装联高质量内部互连用焊料》。

3.2 试验方案的制定

根据型号产品使用要求，使用波峰焊工艺焊接印制板试验，试验的项目如下：

（1）助焊剂流量大小对离子浓度污染影响；

（2）波峰焊参数对离子浓度污染影响；

（3）波峰焊内不同状态下离子浓度污染变化情况；

（4）样品放置时间对离子浓度污染影响；

（5）不规范取样对离子浓度污染影响。

4 试验过程

4.1 助焊剂流量大小对离子浓度污染影响

选取两款助焊剂，分别验证不同流量大小对离子浓度污染的影响与变化规律。在正常生产喷助焊剂过波峰焊，只改变流量大小，其它波峰焊参数不调整，测试离子浓度污染，观察对比两者的变化规律。

4.1.1 试验方法

①选用刚开封PCB板，光板测试PCB板离子浓度污染，排除PCB板离子浓度污染过大对试验结果的影响。（我司入厂检验标准，PCB光板离子浓度污染＜8 μg Nacl/sq inches）

②选取同批次PCB板样品，正常生产喷助焊剂A过波峰焊。波峰焊助焊剂流量分别选取20 mL/min、30 mL/min、40 mL/min。

③测试条件②下不同样品离子浓度污染大小。

④选取同批次PCB板样品，正常生产喷助焊剂B过波峰焊。波峰焊助焊剂流量分别选取20 mL/min、30 mL/min、40 mL/min。

⑤测试条件④下不同样品离子浓度污染大小。

测试方法参考IPC-TM-650 2.3.25C[2]，用超纯净的萃取溶液从PCB上移去焊接工艺过程中留下的残余物。对清洁结果的测量是以电导率或电阻系数为评判依据。测试中，用纯的75%IPA（异丙醇）和25%去离子水（体积比）配制的溶液作为萃取液。将PCB置于萃取液中，测量PCB中污染物溶解后萃取液的电导率或电阻系数，作为污染物的依据。由于污染物的离子种类不同，测试中，统一用当量NaCl的离子浓度来代表，即用μgEq NaCl/sq inches来表示，当量NaCl的离子浓度的大小，作为离子污染程度的参数。

4.1.2 助焊剂流量大小对离子浓度污染结果比较

表1为不同助焊剂及流量对离子污染浓度的数据，从表1可见，对于两种助焊剂，增大助焊剂流量均会使正常过波峰焊的PCB板面离子污染浓度增大，即助焊剂流量越大，离子污染浓度越大。并从数据可以看到流量变化，同一型号的助焊剂离子污染浓度的变化范围是：助焊剂A相差约10～20 μg Nacl/sq inches个单位数，助焊剂B相差约25～50 μg Nacl/sq inches个单位数，即不同型号助焊剂离子浓度有差异。

表1 不同助焊剂及流量对离子污染浓度的数据

4.2 波峰焊参数对离子浓度污染影响

波峰焊参数（喷雾速度、喷雾压力、喷嘴高度）对离子浓度污染的影响与变化规律。在正常生产喷涂助焊剂过波峰焊，改变不同波峰焊参数（喷雾速度、喷雾压力、喷嘴高度）[3]，比较离子浓度污染的差异性。

4.2.1 测试方法

①助焊剂A，链速1400 mm/min，流量30 mL/min，正常预热过锡炉；

②在其它变量不变的情况下，改变其中一个参数。喷雾速度变化值为200 mm/s、300 mm/s、400 mm/s；喷雾压力变化值为0.01 Mpa、0.03 Mpa、0.05 Mpa；喷嘴高度变化值为60 mm、80 mm、100 mm。

③分别测试条件②下所有样品。

4.2.2 波峰焊参数对离子浓度污染影响测试结果比较

从试验分析得出，按照正常生产喷助焊剂过锡炉，改变以上波峰焊参数（喷雾速度、喷雾压力、喷嘴高度）对最终离子浓度污染测试值影响很小，这些喷雾工艺参数变化对离子浓度污染值的影响在2～3.5 μg Nacl/sq inches个单位内。说明喷雾速度、喷雾压力、喷嘴高度等参数并非影响离子浓度污染大小的主要因素，详见表2。

表2 波峰焊参数对离子污染浓度的数据

4.3 波峰焊内不同状态下离子浓度污染变化情况

分析验证PCB板在波峰焊内不同状态下，如：喷助焊剂前、喷助焊剂未预热、喷助焊剂预热后、过锡炉后等状态下离子浓度污染变化趋势。

4.3.1 试验方法

选择助焊剂A，选取喷涂助焊剂前、喷助焊剂未预热、喷助焊剂预热后、过锡炉后等状态下样品，测试离子浓度污染值。

4.3.2 波峰焊内不同状态下离子浓度污染试验结果

PCB板喷涂助焊剂后在未预热和不过锡炉的状态下，离子污染浓度较高。离子浓度污染值能达到60 μg Nacl/sq inches。在经过预热后，离子污染浓度会降低，离子浓度污染值降低至40 μg Nacl/sq inches。如助焊剂正常预热并进行过锡后，离子污染浓度会再一次降低，离子浓度污染值最终能降低至30 μgNacl/sq inches。单过锡炉不喷助焊剂的状态下，离子污染浓度不超过5 μg Nacl/sq inches，与光板测试离子污染浓度值变化差异不大。因此可以推测，单独锡料接触PCB板对离子浓度污染影响不大，影响离子浓度污染值与助焊剂有关，而焊接温度对助焊剂影响很大[4]，数据见表3。

表3 波峰焊内不同状态下离子浓度的数据

4.4 样品放置时间对离子浓度污染影响

分析验证待测试样品放置在静电袋后，放置时间长短对离子浓度污染的规律。

4.4.1 试验方法

选择2拼板的PCB板样品，同一参数和状态条件下过板，保存在静电袋中，对比放置10天、20天、30天和40天后离子浓度污染值。

4.4.2 试验结果

对比放置时间不同天数前后样品，放置一个月后测试的样品比原样品离子浓度污染值有所增加，说明放置时间会影响离子浓度污染测试值，放置时间增长会使离子浓度污染值增大。放置约1个月的时间趋于稳定，详见表4。对于焊接后的板面离子残留，主要是一些松香树脂和羧酸盐类，通常是有极性的，而且随着时间的推移，有可能在线路板上引起电气化学效应，这些污染物的存在尤其危险[5]。所以行业对于高可靠性要求的焊接工艺，都要求清洗，且焊接与清洗工艺之间停留时间不宜过长。

表4 样品放置不同时间离子浓度的数据

4.5 取样方式对离子浓度污染影响

分析验证不规范取样（使用徒手接触PCB板）对离子浓度污染的规律。

4.5.1 试验方法

选择2拼板的PCB板样品，其中1拼板采用不规范取样，使用徒手接触PCB板。测试离子浓度污染值对比两者的差异。

4.5.2 取样方式对离子浓度污染的试验结果

测试结果见表5。

表5 取样方式对离子浓度的影响数据

从以上数据分析得出，用手直接接触PCB板不规范方式取样的样品，离子浓度污染测试值比规范取样要高。因为手中汗液含有NaCl，如果取样过程中使用手接触PCB板，将会对最终离子浓度污染测试值有直接影响，用手接触PCB板等不规范的取样方式，将会使离子浓度测试值偏大。

5 结论

通过验证，助焊剂流量与离子污染浓度的定性关系有了清楚的认识，增大助焊剂流量均会使正常过波峰焊的PCB板面离子污染浓度增大，即助焊剂流量越大，离子浓度污染越大。助焊剂本身物理特质会整体决定离子浓度污染值大小，具体体现在不同品牌助焊剂测试离子浓度值有较大差异。制造工艺过程中的喷雾速度、喷雾压力、喷嘴高度等参数并非影响离子浓度污染大小的关键因素。过波峰焊不同状态下，离子浓度污染测试大小规律如下：喷助焊剂未过预热和锡炉＞正常过预热未过锡炉＞正常过预热正常过锡炉。放置时间增长和不规范的接触方式会使最终离子浓度污染值增大。