高可靠产品清洗工艺及设备综述_吴民.pdf

2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第1期1摘要：以免清洗工艺和一个产品失效案例为开端，介绍了国内外相关标准对高可靠产品清洗的要求。主要讨论清洗工艺及设备，阐述了助焊剂的成分及反应机理、清洗原理与溶剂、清洗设备和工艺参数，最后探讨了清洗设备的趋势。关键词：免洗助焊剂；相似相溶原理；极性分子；非极性分子；离子污染；蒸馏中图分类号：TN605文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0001-06Abstract:Starting with no-clean technology and a failure case,the requirements of cleaning in national and international standards which relate to the products requiring high reliability is introduced.The cleaning process and equipment are mainly discussed,the elements and reaction mechanism of flux,the principle of cleaning and solvent,cleaning equipment and process parameters are illustrated,and the trend of the development of the cleaning equipment is discussed at last.Keywords:no-clean flux;similarity solution principle;polar molecule;non-polar molecule;ionic contamination;distillation Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0001-06高可靠产品清洗工艺及设备综述Summary of Cleaning Process and Equipment Relate to the Products Requiring High Reliability吴民1,2，李福勇1，蒋庆磊1WU Min1,2,LI Fuyong1,JIANG Qinglei1（1 中国电子科技集团公司第十四研究所，南京 210039；2 南京国睿微波器件有限公司，南京 210000）(1 The 14th Research Institute of CETC,Nanjing 210039,China;2 Nanjing Glarun Microwave Devices Co.,ltd.,Nanjing 210000,China)0 引言免清洗工艺是指在电子装联中采用低固态含量、无腐蚀性的助焊剂，焊后残余物极微、无腐蚀，且具有极高的表面绝缘电阻(SIR)，一般情况下不需要清洗就能达到洁净度标准的一类生产技术，如家用电器、消费类电子产品和一般工业品1。与上述产品不同，有一类产品装配后需要将助焊剂残余物清洗干净，如用于卫星、航空飞行器、军事装备、医疗设备及通讯产品的电子组件。电子产品的使用环境也是考虑因素，如处于高温、高湿等比较恶劣环境下的电子产品就必须严格清洗，并对其清洗后的离子含量和表面绝缘电阻严格控制，对于在海洋环境中使用的军舰、轮船上使用的电子设备，还应进行表面处理（喷涂三防漆等）。如何确认产品是否清洗干净，有哪些量化指标衡量洁净度优劣呢？根据GJB5807-2006军用印制基金项目：装备预先研究重点基金项目（6 1 4 0 4 1 3 0 4 0 4）。作者简介：吴民（1 9 7 8-），男，研究生学历，毕业于西北工业大学，高级工程师，主要从事S MT、微组装、真空共晶焊接和清洗等工艺 技术的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.001综述2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology2助焊剂残余物 助焊剂残余物变色图1 焊点周围的助焊剂残余物板组装件焊后清洗要求、GB/T 4677-2002印制板测试方法、GJB3835-1999表面安装印制板组装件通用要求及IPC J-STD-001H CN焊接的电表1 电子产品分类及检测标准分类产品范围清洗工艺光学检查要求（五倍放大镜）离子污染程度/g(N a C l)/c m2助焊剂残余物/(g/c m2)表面绝缘电阻/M一类：一般电子产品消费类电子产品、办公设备一般不清洗允许有少量不影响外观的残余物存在，且残余物应不覆盖测试点一级：1 0.0一级：2 0 01 0 0二类：耐用电子产品一般工业设备、非生命保障设备清洗或免清洗均可，根据客户要求处理应无明显残余物存在，且残余物应不影响焊点目视检查，并应不覆盖测试点二级：5.0二级：1 0 0三类：高可靠电子产品关键商用、军用设备，如卫星、军事装备、医疗设备必须清洗，半水清洗、溶剂清洗表面应无残余物存在三级：1.5 6三级：4 0气和电子组件要求等相关标准，对组装件进行三级分类，其清洗后的光学检查、离子污染及助焊剂残余物检测标准见表1。为R（Rosin）、RMA（Rosin Mildly Activated）、RA（Rosin Activated）、RSA（Rosin Super-activated），日本电子学会标准（JIS）则根据助焊剂的含氯量划分为AA（质量分数在0.1%以下）、A（质量分数为0.1%0.5%）、B（质量分数为0.5%1.0%）3种等级。焊膏成分为Sn63Pb37合金时峰值温度为215225，SAC305的峰值温度为230245。产品焊接时，在熔点温度以上持续时间3060 s，大量的有机物高温挥发或分解，小部分仍然留在焊点周围，冷却后形成一层较坚硬的固体覆盖在焊点周围。助焊剂残余物的成分相当复杂，主要包括聚合松香物、松香酸盐、活化剂反应物、流变性添加剂等，当它遇到水汽或有机溶剂后，会发生潮解或萃取现象，此时通常会转变成白色，在焊点上或周围阻焊区域出现白色颗粒物3，局部细节如图1所示。本文主要讨论第三类产品：高可靠印制电路板组件、微组装组件的清洗工艺及设备，内容包括助焊剂的成分及反应机理、清洗工艺原理与溶剂、清洗设备。1 助焊剂的成分及反应机理在印制电路板组件和微组装组件的装配过程中，焊后残余物就是清洗工序中需要去除的对象。当前主流产品是免清洗型锡膏，仅有少量客户使用水洗锡膏（也称水溶性锡膏），后者一般规定必须在4 h用清水将助焊剂残余物清洗干净，高可靠电子组件一般采用免清洗型焊膏。免清洗助焊剂是由多种成分溶解在有机溶剂中形成半透明的混合溶液，每一种成分都有不可替代的作用，具体为有机溶剂（30%50%）、树脂（20%40%）、有机酸活化剂（2%5%）、表面活性剂（约2%）、助溶剂、触变剂、成膜剂和防腐蚀剂。以无铅回流焊接为例，活化剂在保温阶段（150170）的作用是去除金属氧化物，常见的反应是有机酸（羟基酸）或无机酸（卤素酸）与金属氧化物发生酸基反应。真空共晶焊接工艺中加入甲酸，甲酸受热分解出氢气，与金属氧化物发生氧化-还原反应，通常用两组方程式表达2。MOn+2nRCOOHM(RCOO)n+nH2O MOn+2nHXMXn+nH2O HCOOHCO2+H2 MOn+2nH2M+nH2O式中：M代表金属元素；O代表氧元素；RCOOH代表羟基酸；X代表卤素，如F、Cl或Br。一般情况下，松香基助焊剂根据有无添加活性剂和化学活性的强弱，被分为非活性化松香、弱活性化松香、活性化松香和超活性化松香四种。美国军用标准（MIL-STD-2000）中分别称一般电子产品选用弱活性的RMA型松香助焊剂，这类助焊剂对焊接氛围没有要求，但它的焊后残余物较多，所以不适合三防涂层处理或封装电路基板。需要表面防护处理的电路板，应选用低固含量的弱有机酸型助焊剂，它焊后的残余物较少，对表面涂层和电路板间的附着力影响小，但是这类助焊剂在保温过程中的活化效果较差，所以需要在氮气氛围焊接。2 清洗工艺分类、原理与溶剂2.1 清洗工艺分类按照军用印制板组装件焊后清洗要求文第44卷第1期3中内容，根据清洗介质分为水清洗、半水清洗和溶剂清洗三种：水清洗是采用去离子水完成全部清洗的工艺；半水清洗是使用有机溶剂初洗，然后用去离子水漂洗的一种清洗工艺；溶剂清洗是使用溶剂初洗和漂洗的工艺。水清洗一般仅用于水洗焊膏产品，目前几乎被市场淘汰，高可靠产品采用后两种清洗工艺。清洗过程包括初洗、漂洗和烘干三个阶段，结合不同的工具和设备，有手工刷洗、浸泡清洗、喷淋清洗、超声波清洗、离心清洗和气相清洗等。2.2 清洗原理和溶剂成分清洗既可以通过流体冲刷力去除污染物，也可以通过化学溶剂溶解污染物，从而达到去除助焊剂残余物的目的，前者是利用了机械应力，后者是利用了相似相溶原理。“相似”是指溶质与溶剂在分子结构上相似，“相溶”是指溶质与溶剂彼此互溶。分子从极性的角度可分为极性分子和非极性分子，前者定义是分子中正负电荷中心不重合，从整个分子来看，电荷的分布是不均匀的、不对称的，这样的分子为极性分子；后者定义是偶极矩=0的分子，即原子间以共价键结合、分子里电荷分布均匀、正负电荷中心重合的分子。由极性分子构成的污染物就叫极性污染物，极性溶剂容易溶解极性污染物，非极性溶剂容易溶解非极性污染物。常见污染物和溶剂分类见表2。表2 常见污染物和溶剂分类名称举例极性污染物有机酸、无机酸、盐类、碱类、污水、汗液、电镀液、焊接活化剂等极性溶剂水、乙醇、异丙醇、丙酮、环己酮、乙二胺、乙二醇等非极性污染物润滑油、防锈油、机油、淬火油、石蜡、树脂、油脂等非极性溶剂C F C-1 1 3、四氯化碳、己烷、庚烷、二氯乙烯、苯、汽油、煤油等表3 常见溶剂的K B 值序号溶剂名称K B 值 序号溶剂名称K B 值1二氯甲烷1 3 61 8三氟甲苯4 92三氯乙烯1 3 01 9乙基环己烷4 83正溴丙烷1 2 92 0白油3 741,1,1-三氯乙烷1 2 42 1D 7 03 45苯1 0 52 2正戊烷3 46甲苯1 0 32 3斯托达德溶剂3 37全氯乙烯9 02 4L a c t o l S p i r i t s3 38二甲苯8 32 5C F C-1 1 33 29D-柠檬烯6 72 6甲基环己烷2 81 0氯三氟甲苯6 42 7正己烷2 61 1乳酸甲酯6 22 8I s o p e r C,E H,L2 6 2 91 2大豆油甲酯6 12 9正庚烷2 51 3松节油6 13 0O S-1 01 71 4环己烷5 83 1正十二烷1 91 5H C F C-1 4 1 b5 63 2H F E-7 1 0 0/1 6T u r p e n t i n e5 33 3H F C-4 3-1 0 me e91 7D B E5 13 4P F C-5 0 6 00以喷淋清洗为例，在清洗过程中，既有清洗剂与助焊剂残余物发生化学反应，又有“相似相溶”的物理萃取过程，双重效应同时作用下分解助焊剂残余物，然后在喷淋冲刷压力作用下，清洗液将白色残余物从印制板表面去除。当清洗剂的溶解能力与大部分的成分相匹配时，即残余物溶解于溶剂，较少的不可溶解部分被大多数可溶解部分带走，所有残余物都被彻底清理干净。如果溶剂仅溶解少部分残余物成分，带走效应并不能够清除所有的残余物4，如图2所示。业界用贝壳松脂丁醇（KB）值来评价溶剂溶解树脂的能力，是表示非极性溶剂相对溶解能力的指标。KB值高，表示该溶剂的相对溶解能力强，反之则弱。KB值仅对非极性溶剂有意义，常见溶剂的KB值见表3。在常规清洗液中，普遍添加有螯合剂、消泡剂、防腐剂和表面活性剂等成分，如皂化剂，它和助焊剂残余物反应，增加了助焊剂残余物的可溶性，改善了助焊剂残余物的可清洗性。C19H29COOH（松香）+HO