高可靠PCB组件的清洗工艺设计

1、高可靠PCB组件的清洗工艺设计Mike Bixenman CTOKyzen 错误的清洗方法会导致产品性能故障或缩短产品寿命， 该文重新审核了免清洗及非免清洗材料的清洗工艺。2007.4.1免清洗时代，最初的设备供应商主要针对一类和 二类电子产品的免清洗组装工艺提供设备及技 术支持，而可靠性要求较高的二类产品和三类 产品，焊接后需要清洁残留在PCB上的助焊剂残留物及其他 残留的污染，这时客户会向线路板组装厂提出清洗要求， 加之产品小型化和高可靠性驱动，更多的客户将清洗步骤 增加到制造工艺步骤中。如果OEM厂外包合同中有三类电 子组装产品，那么清洗步骤必须添加到EMS厂的生产工艺 中。为满足这一需

2、求，加工合同中应明确EMS厂要具备不同焊接材料所要求的清洗技术及清洗设备。随着焊接材料由锡铅共晶合金过渡到满足RoHS要求的 无铅合金，EMS厂将无铅组装视为一个挑战；与此同时， 对EMS厂来说清洗也随之变成了一个更大的挑战。焊接由 锡铅转为无铅的过程中，无铅器件的有铅焊接也会出现在 生产车间，无铅器件可焊端镀层、PCB镀层材料如镀锡或在 镍/钯上镀金，都会增加焊接难度，因此需要增加助焊剂活 性来满足焊接要求。EMS厂生产车间向电子产品级别为三类的客户介绍 免清洗工艺会遇到很大挑战，三类电子产品客户要求对焊 膏、波峰焊、手工焊焊料中的助焊剂详细介绍，目的在于 了解组装条件能否满足产品的高可靠性

3、要求。三类产品要 求的焊接材料中助焊剂为松香基材料（J-STD-001，类型 POL0），供应商提供的焊接材料上有免清洗标识，该焊料 实施清洗工艺时可把它作为一种新型非免清洗材料介绍。 对于高密度组装线路板，器件底部助焊剂残留物的清洗及 细间距器件助焊剂残留物对EMS厂来讲也是一个挑战。清洗工艺的设计 电子产品制造厂的清洗条件应该满足焊料中不同助 焊剂类型的要求，最好的情况就是助焊剂要求的清洗工艺 刚好与现有设备和工艺相匹配，生产工艺必须处在可控状态，满足苛刻的环境要求，同时价格优惠。优化工艺时要 从以下几个方面考虑： ·材料的评估 ·污染物的评估 ·验证程序的开

4、发 ·可用的清洗技术的评估 ·生产工艺的评估 ·新工艺的实施 ·如何发现工艺问题 ·工艺确认材料的评估 一个新的清洗技术的开发，第一步要评估线路板的组件: ·部件材料 ·功能 ·元器件·大小/几何尺寸/结构 ·操作要点 ·部件特殊要求/约束条件 ·清洗设备与清洗要求的兼容性部件的材料、大小和几何尺寸会造成清洗空间过小， 如类似“三明治”的部件，焊接到PCB上时，器件底部与 PCB之间距离很小，助焊剂残留物很难被清洗掉（图1）。 清洗过程中，体积小重量轻的部件通常需夹具固定或是

5、放 在篮子（basket）里进行，清洗液必须与元器件、PCB表 面、金属镀层、铝镀层、标签、字迹等材料兼容，特殊部 件需考虑能否经受清洗。污染物的评估 在详细了解了部件的特殊要求/约束条件后，下一步需 要考虑的就是污染物的评估，其过程要从以下几方面考虑： ·污染物成分 ·物理特性 ·数量 ·工艺特征 ·清洗效果和清洗设备与清洗步骤前道/后道工序之间 关联条件 ·满足清洗设备与清洗要求的清洗工艺焊膏、焊膏中的助焊剂、用于波峰焊的助焊剂对清洗 来讲都是非常重要的因素，焊膏印刷寿命、粘性，锡珠， 空洞，润湿性，焊点外形是评估焊膏的重要因素，

6、另外焊 膏的转印率，模板对焊膏的释放率，塌陷度等因素，也是 设计清洗工艺时必须考虑的形成污染物因素，通过静态清 洗速度，可判断污染物溶解和清除速度。 助焊剂残留物清洗参数的设定取决于助焊剂在焊料 中占的比例、回流后放置的时间、回流温度、机械力、清 洗液的类型。水溶性助焊剂残留物通常要求回流后尽快清 洗，回流后板子放置的时间越长，清洗起来越困难。高温 回流时助焊剂中较轻的分子容易挥发，留在PCB上的助焊剂 残留物多为分子量较大的树脂，增加了清洗难度。清洗液 选择时要考虑对残留物的溶解性及不兼容性，这二个因素 影响静态清洗速度。分析上述多个因素，清洗速度取决于助焊剂残留物及 回流参数（图2），焊膏

7、长时间高于或接近于液态温度时， 回流后板上残留物清洗变得困难；手工焊接、返工/返修的 板子清洗比较困难，清洗必须通过试验分析制定有效的清 洗工艺。应用测试实验室开发 应用测试实验室拥有全套设备，用于产品开发、问题 分析、性能分析及后道生产的质量保证（图3）。得益于 供应商的工艺知识，应用实验室的能力会保持一定的高水 平。而结合了清洗材料和清洗设备等开发能力和知识，又为EMS工程师提供了良好的技术保证，确保所有清洗流程 均是真实、可靠和可用的。根据被清洗产品的数量和特性从几种清洗设备和清 洗液中进行选择，锁定工艺之前要对设备、清洗材料和产 品的兼容性进行研究，一旦兼容性出现问题，那么会对设 备、

8、清洗液或工艺运行造成不利的影响，因此，应用实验 室测试必须关注以下要点： ·产量要求 ·污染物特征 ·可供选择的清洗材料 ·兼容性限制 ·建议工艺程序清洗液的评估 清洗液的选择可以改善清洗工艺，也可起到相反的 效果，依据清洗材料的溶解力，皂化，润湿性（表面活性 剂）、阻燃剂、泡沫特性等选择合适的清洗液。通过几种 不同组合的有效测试选择最优清洗液及建立正确的执行程 序。最大的挑战，是找出一种适合多种助焊剂残留物类型 的通用清洗液（图4），清洗材料制造厂分析了多种污染类型，构思通用的清洗材料以增大清洗窗口，这样客户可以 根据自己的产品选择助焊剂类型

9、而不用担心影响清洗效果。理想情况下，工艺工程师在制订清洗工艺时首先确认 清洗要求、清洗溶剂、满足清洗要求和工艺控制的清洗设 备，很多EMS厂面临使用现有清洗设备执行清洗工艺时受 到清洗时间和清洗温度限制的情况。产品级别为一类和二类的线路板组装工艺通常选用 水溶性助焊剂焊膏（助焊剂类型ORM0，ORH0 J-STD- 001组装要求），低清洗空间的SMD，如TSOPS、阵列封 装、QFN封装器件的水清洗工艺对工程师来讲也是一个挑 战，有些制造商选择低浓度的水洗溶剂，以降低溶剂表面 张力，提高清洗效果。有些EMS厂因清洗限制而不得不放弃对产品清洁度要 求严格的订单，有些限制来自于清洗材料与设备的不

10、兼容 （主要是泵和过滤密封部件）或必须更新现有设备。清洗 工艺优化要求综合考虑材料、污染物、生产工艺和一些特 殊的工艺条件。一个优化的清洗工艺需须达到以下要求：1、目检：无可见残留物； 2、腐蚀/渗漏：线路板上无自由移动的离子和亲水残留物，以免在湿气重的恶劣环境下发生反应，引起电子产品降级或失效； 3、电性能：经由高时速的RF系统时，没引起输入、输出线信号误传；4、可测试性：板子上的残留物可通过更换ICT测试探针或夹具穿透；5、粘性：表面无粘性及凸凹材料。生产工艺的评估 清楚了解了材料和污染物的情况，生产工程师下一个 要评估的项目就是生产工艺。产品输出要求受制于设备情 况，评估过程可依照下列几

11、项进行： ·一次性清洗或连续性清洗模式 ·工艺要求/限制 ·设备/工具的选择 ·清洗槽寿命特征评估清洗工艺中每一工序/用时安排都是非常严格的，工程 师对每一工序的任务要充分理解，要考虑工序能力。在线 清洗工艺包括预清洗阶段，其作用是用化学清洗剂润湿线 路板，溶剂与线路板充分接触，使线路板温度与清洗液温 度相同，该过程属静态清洗过程，处在预清洗与清洗之间 的润湿阶段，目的是使残留物变软、溶解，方便清洗阶段 的清洗。在清洗阶段，部件由于浸泡及冲击可看到残渣，保持 足够的新鲜清洗液优化静态清洗速度；注意部件表面获得 的最大清洗力来优化动态清洗速度。抗化学腐蚀的

12、部位应 该有大的冲击力，第一个喷气孔吹出的气体将组装板上化 学溶剂吹掉，这样该溶剂又回到清洗槽；第二个喷气孔吹 出的气体/水从线路板上、下流过，带走板上的残留物并从 排液口流出。在水清洗部分，一排高压喷嘴喷出的去离子 水可冲掉任何污染物并稀释剩余的铁离子，最后用低水流/ 水压的纯净DI水冲掉铁离子，然后进入空气干燥阶段。图 510为工艺要求及受制约部件的在线清洗工艺。注意图5中的过流管，当清洗液槽上的感应器出错时， 槽中液体就会通过过流管排出，清洗液低温操作时容易发 泡，降低清洗效率，较重的固态残留物得不到很好的清 洗。当清洗液发泡时，高液位传感器被启动（见图6），清 洗液从排液管溢流，从而降

13、低清洗效果。图8是由排气口吸力过大造成的清洗液流失，这一问题 主要是由清洗液槽中温度引起，温度高时，液体中水分蒸 发，清洗液总体积下降，清洗液槽内温度过高时，冷却阶段回收的清洗液很少。图9，正确的清洗工艺设计可阻止清洗液浪费，定期检 查传感器工况及回收的清洗液的量，保障正确的清洗液过 流排出量。此外，定期检查设备的泄露情况，校正喷嘴方向，防止泄露造成清洗液的浪费。排气口也会造成清洗液浪费，空气流速可从 三方面加以控制以降低清洗液槽温度，安装阻雾 器(图10)，清洗液雾气遇到阻雾器变冷液化， 随水滴一起流回到清洗槽中，在喷嘴上方安装 一个类似于雨伞的部件，阻止清洗液蒸发外 逸，减少空气流动造成的

14、浪费。可竖放线路板的清洗模式不同于平 放线路板的清洗模式和在线清洗模式， 而洗碗机式清洗模式对于依靠流速而不 是冲击力清洗线路板阴影部分表面污染物 (图11)是非常有效的。利用高压喷出清洗液清洗污染物，因液流速度快，清洗时间短，对于远距离 的器件，喷液时液流与其它喷管喷出的液体相碰，造成飞 溅，影响清洗效果，洗碗式清洗模式在实际生产中可使用 夹具固定线路板，这样清洗液与线路板充分接触，高效清 洗包括阴影部分在内的染物。溶液寿命取决于清洗槽中的临界污染载荷，在线清 洗工艺会由于通风挥发而损失液体，并一直延续到冲洗环 节，液体损失是由新鲜的清洗化学物质和水组成。在一个 动态过程中，输入减去输出一般

15、会形成稳态，稳态一般会 小于临界污染载荷。在临界污染载荷之下运行会延长溶液 寿命(如图12)。手工清洗操作与自动清洗工艺都可有效控制清洗液槽 中溶剂成分，手持式红外测试仪测量清洗液槽中成分，用 碱性滴定法测试仪测量清洗液中碱的含量，清洗过线路板 后清洗液碱性增加。自动编程控制系统可通过红外探测连续测量清洗液槽 中液体成分，该测量系统可测水、化学成分，并通过传感 器保持清洗液中溶剂比例，自动工艺控制系统在很小的公 差范围内监控清洗剂成分，使生产处于受控状态 (图13)。工艺执行 工艺工程师在生产执行过程中遵循下面几项建议：·材料的评估 ·污染物的评估 ·工艺试验的开

16、发 ·清洗液的选择 ·清洗设备及控制设备的选择生产中注意以上几项可降低生产风险，工艺工程师 首先采购合适的清洗设备，然后在生产中不断发现问题， 解决问题，才能解除原生产中产品风险问题，一旦资金短 缺，工程师可能面临工艺试验能力不足，执行过程中出现 差错。因此，严格遵循生产工艺规则，避免生产中浪费， 及时解决工艺问题，提高工程师有效工作时间。寻找工艺问题一旦发生工艺问题，第一步要解决的就是分析问题 产生的根本原因。操作者可能报告说清洗液槽中泡沫增 多，其根本原因是清洗机内空气流速的问题；如操作员报 告说清洗后部件上仍留有助焊剂残留物，分析其根本原因 是由于多次回流焊接造成的；

17、如操作员报告说清洗液严重 浪费，其根本原因是传送带上的线路板重叠放置，带走了 过多的清洗液。正常工艺情况下，一系列的问题都可能发 生，分析出现问题的根本原因，找到解决问题的根本方案。工艺有效性 IPC-J-STD针对三类电子产品一类、二类、三类组 装、焊接提供了标准要求，验证清洗工艺的测试可选用业 界试验过的测试结果。结论及建议 三类产品及部分二类产品因功能、可靠性对产品有清 洗要求，这就要求对免清洗焊接材料及清洗工艺进行再认 证，由于焊接材料的不断发展，对清洗水平、使用环境、 清洗材料、工艺解决方案都有更高的要求。先进的清洗材 料应该满足更大范围的环境要求，清洗多种污染物、助焊 剂残留物，生产中清洗方案的判定必须做到清洁的产品满 足客户要求。清洗材料及清洗设备供应商提供给EMS厂材料、设备 及完整有效的解决方案，同时这些供应商又提供应