高可靠PCB組件的清洗工藝設(shè)計(jì)

1、高可靠PCB組件的清洗工藝設(shè)計(jì)Mike Bixenman CTOKyzen 錯(cuò)誤的清洗方法會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能故障或縮短產(chǎn)品壽命， 該文重新審核了免清洗及非免清洗材料的清洗工藝。2007.4.1免清洗時(shí)代，最初的設(shè)備供應(yīng)商主要針對(duì)一類和 二類電子產(chǎn)品的免清洗組裝工藝提供設(shè)備及技 術(shù)支持，而可靠性要求較高的二類產(chǎn)品和三類 產(chǎn)品，焊接后需要清潔殘留在PCB上的助焊劑殘留物及其他 殘留的污染，這時(shí)客戶會(huì)向線路板組裝廠提出清洗要求， 加之產(chǎn)品小型化和高可靠性驅(qū)動(dòng)，更多的客戶將清洗步驟 增加到制造工藝步驟中。如果OEM廠外包合同中有三類電 子組裝產(chǎn)品，那么清洗步驟必須添加到EMS廠的生產(chǎn)工藝 中。為滿足這一需

2、求，加工合同中應(yīng)明確EMS廠要具備不同焊接材料所要求的清洗技術(shù)及清洗設(shè)備。隨著焊接材料由錫鉛共晶合金過渡到滿足RoHS要求的 無鉛合金，EMS廠將無鉛組裝視為一個(gè)挑戰(zhàn)；與此同時(shí)， 對(duì)EMS廠來說清洗也隨之變成了一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。焊接由 錫鉛轉(zhuǎn)為無鉛的過程中，無鉛器件的有鉛焊接也會(huì)出現(xiàn)在 生產(chǎn)車間，無鉛器件可焊端鍍層、PCB鍍層材料如鍍錫或在 鎳/鈀上鍍金，都會(huì)增加焊接難度，因此需要增加助焊劑活 性來滿足焊接要求。EMS廠生產(chǎn)車間向電子產(chǎn)品級(jí)別為三類的客戶介紹 免清洗工藝會(huì)遇到很大挑戰(zhàn)，三類電子產(chǎn)品客戶要求對(duì)焊 膏、波峰焊、手工焊焊料中的助焊劑詳細(xì)介紹，目的在于 了解組裝條件能否滿足產(chǎn)品的高可靠性

3、要求。三類產(chǎn)品要 求的焊接材料中助焊劑為松香基材料（J-STD-001，類型 POL0），供應(yīng)商提供的焊接材料上有免清洗標(biāo)識(shí)，該焊料 實(shí)施清洗工藝時(shí)可把它作為一種新型非免清洗材料介紹。 對(duì)于高密度組裝線路板，器件底部助焊劑殘留物的清洗及 細(xì)間距器件助焊劑殘留物對(duì)EMS廠來講也是一個(gè)挑戰(zhàn)。清洗工藝的設(shè)計(jì) 電子產(chǎn)品制造廠的清洗條件應(yīng)該滿足焊料中不同助 焊劑類型的要求，最好的情況就是助焊劑要求的清洗工藝 剛好與現(xiàn)有設(shè)備和工藝相匹配，生產(chǎn)工藝必須處在可控狀態(tài)，滿足苛刻的環(huán)境要求，同時(shí)價(jià)格優(yōu)惠。優(yōu)化工藝時(shí)要 從以下幾個(gè)方面考慮： ·材料的評(píng)估 ·污染物的評(píng)估 ·驗(yàn)證程序的開

4、發(fā) ·可用的清洗技術(shù)的評(píng)估 ·生產(chǎn)工藝的評(píng)估 ·新工藝的實(shí)施 ·如何發(fā)現(xiàn)工藝問題 ·工藝確認(rèn)材料的評(píng)估 一個(gè)新的清洗技術(shù)的開發(fā)，第一步要評(píng)估線路板的組件: ·部件材料 ·功能 ·元器件·大小/幾何尺寸/結(jié)構(gòu) ·操作要點(diǎn) ·部件特殊要求/約束條件 ·清洗設(shè)備與清洗要求的兼容性部件的材料、大小和幾何尺寸會(huì)造成清洗空間過小， 如類似“三明治”的部件，焊接到PCB上時(shí)，器件底部與 PCB之間距離很小，助焊劑殘留物很難被清洗掉（圖1）。 清洗過程中，體積小重量輕的部件通常需夾具固定或是

5、放 在籃子（basket）里進(jìn)行，清洗液必須與元器件、PCB表 面、金屬鍍層、鋁鍍層、標(biāo)簽、字跡等材料兼容，特殊部 件需考慮能否經(jīng)受清洗。污染物的評(píng)估 在詳細(xì)了解了部件的特殊要求/約束條件后，下一步需 要考慮的就是污染物的評(píng)估，其過程要從以下幾方面考慮： ·污染物成分 ·物理特性 ·數(shù)量 ·工藝特征 ·清洗效果和清洗設(shè)備與清洗步驟前道/后道工序之間 關(guān)聯(lián)條件 ·滿足清洗設(shè)備與清洗要求的清洗工藝焊膏、焊膏中的助焊劑、用于波峰焊的助焊劑對(duì)清洗 來講都是非常重要的因素，焊膏印刷壽命、粘性，錫珠， 空洞，潤濕性，焊點(diǎn)外形是評(píng)估焊膏的重要因素，

6、另外焊 膏的轉(zhuǎn)印率，模板對(duì)焊膏的釋放率，塌陷度等因素，也是 設(shè)計(jì)清洗工藝時(shí)必須考慮的形成污染物因素，通過靜態(tài)清 洗速度，可判斷污染物溶解和清除速度。 助焊劑殘留物清洗參數(shù)的設(shè)定取決于助焊劑在焊料 中占的比例、回流后放置的時(shí)間、回流溫度、機(jī)械力、清 洗液的類型。水溶性助焊劑殘留物通常要求回流后盡快清 洗，回流后板子放置的時(shí)間越長，清洗起來越困難。高溫 回流時(shí)助焊劑中較輕的分子容易揮發(fā)，留在PCB上的助焊劑 殘留物多為分子量較大的樹脂，增加了清洗難度。清洗液 選擇時(shí)要考慮對(duì)殘留物的溶解性及不兼容性，這二個(gè)因素 影響靜態(tài)清洗速度。分析上述多個(gè)因素，清洗速度取決于助焊劑殘留物及 回流參數(shù)（圖2），焊膏

7、長時(shí)間高于或接近于液態(tài)溫度時(shí)， 回流后板上殘留物清洗變得困難；手工焊接、返工/返修的 板子清洗比較困難，清洗必須通過試驗(yàn)分析制定有效的清 洗工藝。應(yīng)用測(cè)試實(shí)驗(yàn)室開發(fā) 應(yīng)用測(cè)試實(shí)驗(yàn)室擁有全套設(shè)備，用于產(chǎn)品開發(fā)、問題 分析、性能分析及后道生產(chǎn)的質(zhì)量保證（圖3）。得益于 供應(yīng)商的工藝知識(shí)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的能力會(huì)保持一定的高水 平。而結(jié)合了清洗材料和清洗設(shè)備等開發(fā)能力和知識(shí)，又為EMS工程師提供了良好的技術(shù)保證，確保所有清洗流程 均是真實(shí)、可靠和可用的。根據(jù)被清洗產(chǎn)品的數(shù)量和特性從幾種清洗設(shè)備和清 洗液中進(jìn)行選擇，鎖定工藝之前要對(duì)設(shè)備、清洗材料和產(chǎn) 品的兼容性進(jìn)行研究，一旦兼容性出現(xiàn)問題，那么會(huì)對(duì)設(shè) 備、

8、清洗液或工藝運(yùn)行造成不利的影響，因此，應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 室測(cè)試必須關(guān)注以下要點(diǎn)： ·產(chǎn)量要求 ·污染物特征 ·可供選擇的清洗材料 ·兼容性限制 ·建議工藝程序清洗液的評(píng)估 清洗液的選擇可以改善清洗工藝，也可起到相反的 效果，依據(jù)清洗材料的溶解力，皂化，潤濕性（表面活性 劑）、阻燃劑、泡沫特性等選擇合適的清洗液。通過幾種 不同組合的有效測(cè)試選擇最優(yōu)清洗液及建立正確的執(zhí)行程 序。最大的挑戰(zhàn)，是找出一種適合多種助焊劑殘留物類型 的通用清洗液（圖4），清洗材料制造廠分析了多種污染類型，構(gòu)思通用的清洗材料以增大清洗窗口，這樣客戶可以 根據(jù)自己的產(chǎn)品選擇助焊劑類型

9、而不用擔(dān)心影響清洗效果。理想情況下，工藝工程師在制訂清洗工藝時(shí)首先確認(rèn) 清洗要求、清洗溶劑、滿足清洗要求和工藝控制的清洗設(shè) 備，很多EMS廠面臨使用現(xiàn)有清洗設(shè)備執(zhí)行清洗工藝時(shí)受 到清洗時(shí)間和清洗溫度限制的情況。產(chǎn)品級(jí)別為一類和二類的線路板組裝工藝通常選用 水溶性助焊劑焊膏（助焊劑類型ORM0，ORH0 J-STD- 001組裝要求），低清洗空間的SMD，如TSOPS、陣列封 裝、QFN封裝器件的水清洗工藝對(duì)工程師來講也是一個(gè)挑 戰(zhàn)，有些制造商選擇低濃度的水洗溶劑，以降低溶劑表面 張力，提高清洗效果。有些EMS廠因清洗限制而不得不放棄對(duì)產(chǎn)品清潔度要 求嚴(yán)格的訂單，有些限制來自于清洗材料與設(shè)備的不

10、兼容 （主要是泵和過濾密封部件）或必須更新現(xiàn)有設(shè)備。清洗 工藝優(yōu)化要求綜合考慮材料、污染物、生產(chǎn)工藝和一些特 殊的工藝條件。一個(gè)優(yōu)化的清洗工藝需須達(dá)到以下要求：1、目檢：無可見殘留物； 2、腐蝕/滲漏：線路板上無自由移動(dòng)的離子和親水殘留物，以免在濕氣重的惡劣環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)，引起電子產(chǎn)品降級(jí)或失效； 3、電性能：經(jīng)由高時(shí)速的RF系統(tǒng)時(shí)，沒引起輸入、輸出線信號(hào)誤傳；4、可測(cè)試性：板子上的殘留物可通過更換ICT測(cè)試探針或夾具穿透；5、粘性：表面無粘性及凸凹材料。生產(chǎn)工藝的評(píng)估 清楚了解了材料和污染物的情況，生產(chǎn)工程師下一個(gè) 要評(píng)估的項(xiàng)目就是生產(chǎn)工藝。產(chǎn)品輸出要求受制于設(shè)備情 況，評(píng)估過程可依照下列幾

11、項(xiàng)進(jìn)行： ·一次性清洗或連續(xù)性清洗模式 ·工藝要求/限制 ·設(shè)備/工具的選擇 ·清洗槽壽命特征評(píng)估清洗工藝中每一工序/用時(shí)安排都是非常嚴(yán)格的，工程 師對(duì)每一工序的任務(wù)要充分理解，要考慮工序能力。在線 清洗工藝包括預(yù)清洗階段，其作用是用化學(xué)清洗劑潤濕線 路板，溶劑與線路板充分接觸，使線路板溫度與清洗液溫 度相同，該過程屬靜態(tài)清洗過程，處在預(yù)清洗與清洗之間 的潤濕階段，目的是使殘留物變軟、溶解，方便清洗階段 的清洗。在清洗階段，部件由于浸泡及沖擊可看到殘?jiān)?，保?足夠的新鮮清洗液優(yōu)化靜態(tài)清洗速度；注意部件表面獲得 的最大清洗力來優(yōu)化動(dòng)態(tài)清洗速度?？够瘜W(xué)腐蝕的

12、部位應(yīng) 該有大的沖擊力，第一個(gè)噴氣孔吹出的氣體將組裝板上化 學(xué)溶劑吹掉，這樣該溶劑又回到清洗槽；第二個(gè)噴氣孔吹 出的氣體/水從線路板上、下流過，帶走板上的殘留物并從 排液口流出。在水清洗部分，一排高壓噴嘴噴出的去離子 水可沖掉任何污染物并稀釋剩余的鐵離子，最后用低水流/ 水壓的純凈DI水沖掉鐵離子，然后進(jìn)入空氣干燥階段。圖 510為工藝要求及受制約部件的在線清洗工藝。注意圖5中的過流管，當(dāng)清洗液槽上的感應(yīng)器出錯(cuò)時(shí)， 槽中液體就會(huì)通過過流管排出，清洗液低溫操作時(shí)容易發(fā) 泡，降低清洗效率，較重的固態(tài)殘留物得不到很好的清 洗。當(dāng)清洗液發(fā)泡時(shí)，高液位傳感器被啟動(dòng)（見圖6），清 洗液從排液管溢流，從而降

13、低清洗效果。圖8是由排氣口吸力過大造成的清洗液流失，這一問題 主要是由清洗液槽中溫度引起，溫度高時(shí)，液體中水分蒸 發(fā)，清洗液總體積下降，清洗液槽內(nèi)溫度過高時(shí)，冷卻階段回收的清洗液很少。圖9，正確的清洗工藝設(shè)計(jì)可阻止清洗液浪費(fèi)，定期檢 查傳感器工況及回收的清洗液的量，保障正確的清洗液過 流排出量。此外，定期檢查設(shè)備的泄露情況，校正噴嘴方向，防止泄露造成清洗液的浪費(fèi)。排氣口也會(huì)造成清洗液浪費(fèi)，空氣流速可從 三方面加以控制以降低清洗液槽溫度，安裝阻霧 器(圖10)，清洗液霧氣遇到阻霧器變冷液化， 隨水滴一起流回到清洗槽中，在噴嘴上方安裝 一個(gè)類似于雨傘的部件，阻止清洗液蒸發(fā)外 逸，減少空氣流動(dòng)造成的

14、浪費(fèi)。可豎放線路板的清洗模式不同于平 放線路板的清洗模式和在線清洗模式， 而洗碗機(jī)式清洗模式對(duì)于依靠流速而不 是沖擊力清洗線路板陰影部分表面污染物 (圖11)是非常有效的。利用高壓噴出清洗液清洗污染物，因液流速度快，清洗時(shí)間短，對(duì)于遠(yuǎn)距離 的器件，噴液時(shí)液流與其它噴管噴出的液體相碰，造成飛 濺，影響清洗效果，洗碗式清洗模式在實(shí)際生產(chǎn)中可使用 夾具固定線路板，這樣清洗液與線路板充分接觸，高效清 洗包括陰影部分在內(nèi)的染物。溶液壽命取決于清洗槽中的臨界污染載荷，在線清 洗工藝會(huì)由于通風(fēng)揮發(fā)而損失液體，并一直延續(xù)到?jīng)_洗環(huán) 節(jié)，液體損失是由新鮮的清洗化學(xué)物質(zhì)和水組成。在一個(gè) 動(dòng)態(tài)過程中，輸入減去輸出一般

15、會(huì)形成穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)一般會(huì) 小于臨界污染載荷。在臨界污染載荷之下運(yùn)行會(huì)延長溶液 壽命(如圖12)。手工清洗操作與自動(dòng)清洗工藝都可有效控制清洗液槽 中溶劑成分，手持式紅外測(cè)試儀測(cè)量清洗液槽中成分，用 堿性滴定法測(cè)試儀測(cè)量清洗液中堿的含量，清洗過線路板 后清洗液堿性增加。自動(dòng)編程控制系統(tǒng)可通過紅外探測(cè)連續(xù)測(cè)量清洗液槽 中液體成分，該測(cè)量系統(tǒng)可測(cè)水、化學(xué)成分，并通過傳感 器保持清洗液中溶劑比例，自動(dòng)工藝控制系統(tǒng)在很小的公 差范圍內(nèi)監(jiān)控清洗劑成分，使生產(chǎn)處于受控狀態(tài) (圖13)。工藝執(zhí)行 工藝工程師在生產(chǎn)執(zhí)行過程中遵循下面幾項(xiàng)建議：·材料的評(píng)估 ·污染物的評(píng)估 ·工藝試驗(yàn)的開

16、發(fā) ·清洗液的選擇 ·清洗設(shè)備及控制設(shè)備的選擇生產(chǎn)中注意以上幾項(xiàng)可降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，工藝工程師 首先采購合適的清洗設(shè)備，然后在生產(chǎn)中不斷發(fā)現(xiàn)問題， 解決問題，才能解除原生產(chǎn)中產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)問題，一旦資金短 缺，工程師可能面臨工藝試驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔悖瑘?zhí)行過程中出現(xiàn) 差錯(cuò)。因此，嚴(yán)格遵循生產(chǎn)工藝規(guī)則，避免生產(chǎn)中浪費(fèi)， 及時(shí)解決工藝問題，提高工程師有效工作時(shí)間。尋找工藝問題一旦發(fā)生工藝問題，第一步要解決的就是分析問題 產(chǎn)生的根本原因。操作者可能報(bào)告說清洗液槽中泡沫增 多，其根本原因是清洗機(jī)內(nèi)空氣流速的問題；如操作員報(bào) 告說清洗后部件上仍留有助焊劑殘留物，分析其根本原因 是由于多次回流焊接造成的；

17、如操作員報(bào)告說清洗液嚴(yán)重 浪費(fèi)，其根本原因是傳送帶上的線路板重疊放置，帶走了 過多的清洗液。正常工藝情況下，一系列的問題都可能發(fā) 生，分析出現(xiàn)問題的根本原因，找到解決問題的根本方案。工藝有效性 IPC-J-STD針對(duì)三類電子產(chǎn)品一類、二類、三類組 裝、焊接提供了標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證清洗工藝的測(cè)試可選用業(yè) 界試驗(yàn)過的測(cè)試結(jié)果。結(jié)論及建議 三類產(chǎn)品及部分二類產(chǎn)品因功能、可靠性對(duì)產(chǎn)品有清 洗要求，這就要求對(duì)免清洗焊接材料及清洗工藝進(jìn)行再認(rèn) 證，由于焊接材料的不斷發(fā)展，對(duì)清洗水平、使用環(huán)境、 清洗材料、工藝解決方案都有更高的要求。先進(jìn)的清洗材 料應(yīng)該滿足更大范圍的環(huán)境要求，清洗多種污染物、助焊 劑殘留物，生產(chǎn)中清洗方案的判定必須做到清潔的產(chǎn)品滿 足客戶要求。清洗材料及清洗設(shè)備供應(yīng)商提供給EMS廠材料、設(shè)備 及完整有效的解決方案，同時(shí)這些供應(yīng)商又提供應(yīng)