高可靠PCB組件的清洗工藝設計

1、高可靠PCB組件的清洗工藝設計Mike Bixenman CTOKyzen 錯誤的清洗方法會導致產(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免清洗時代，最初的設備供應商主要針對一類和 二類電子產(chǎn)品的免清洗組裝工藝提供設備及技 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，這時客戶會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，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挑戰(zhàn)；與此同時， 對EMS廠來說清洗也隨之變成了一個更大的挑戰(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)品級別為三類的客戶介紹 免清洗工藝會遇到很大挑戰(zhàn)，三類電子產(chǎn)品客戶要求對焊 膏、波峰焊、手工焊焊料中的助焊劑詳細介紹，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），供應商提供的焊接材料上有免清洗標識，該焊料 實施清洗工藝時可把它作為一種新型非免清洗材料介紹。 對于高密度組裝線路板，器件底部助焊劑殘留物的清洗及 細間距器件助焊劑殘留物對EMS廠來講也是一個挑戰(zhàn)。清洗工藝的設計 電子產(chǎn)品制造廠的清洗條件應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，同時價格優(yōu)惠。優(yōu)化工藝時要 從以下幾個方面考慮： ·材料的評估 ·污染物的評估 ·驗證程序的開

4、發(fā) ·可用的清洗技術(shù)的評估 ·生產(chǎn)工藝的評估 ·新工藝的實施 ·如何發(fā)現(xiàn)工藝問題 ·工藝確認材料的評估 一個新的清洗技術(shù)的開發(fā)，第一步要評估線路板的組件: ·部件材料 ·功能 ·元器件·大小/幾何尺寸/結(jié)構(gòu) ·操作要點 ·部件特殊要求/約束條件 ·清洗設備與清洗要求的兼容性部件的材料、大小和幾何尺寸會造成清洗空間過小， 如類似“三明治”的部件，焊接到PCB上時，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）里進行，清洗液必須與元器件、PCB表 面、金屬鍍層、鋁鍍層、標簽、字跡等材料兼容，特殊部 件需考慮能否經(jīng)受清洗。污染物的評估 在詳細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，焊點外形是評估焊膏的重要因素，

6、另外焊 膏的轉(zhuǎn)印率，模板對焊膏的釋放率，塌陷度等因素，也是 設計清洗工藝時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)的設定取決于助焊劑在焊料 中占的比例、回流后放置的時間、回流溫度、機械力、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間越長，清洗起來越困難。高溫 回流時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 選擇時要考慮對殘留物的溶解性及不兼容性，這二個因素 影響靜態(tài)清洗速度。分析上述多個因素，清洗速度取決于助焊劑殘留物及 回流參數(shù)（圖2），焊膏

7、長時間高于或接近于液態(tài)溫度時， 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，清洗必須通過試驗分析制定有效的清 洗工藝。應用測試實驗室開發(fā) 應用測試實驗室擁有全套設備，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 供應商的工藝知識，應用實驗室的能力會保持一定的高水 平。而結(jié)合了清洗材料和清洗設備等開發(fā)能力和知識，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、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備和清 洗液中進行選擇，鎖定工藝之前要對設備、清洗材料和產(chǎn) 品的兼容性進行研究，一旦兼容性出現(xiàn)問題，那么會對設 備、

8、清洗液或工藝運行造成不利的影響，因此，應用實驗 室測試必須關(guān)注以下要點： ·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首先確認 清洗要求、清洗溶劑、滿足清洗要求和工藝控制的清洗設 備，很多EMS廠面臨使用現(xiàn)有清洗設備執(zhí)行清洗工藝時受 到清洗時間和清洗溫度限制的情況。產(chǎn)品級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工程師來講也是一個挑 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產(chǎn)品清潔度要 求嚴格的訂單，有些限制來自于清洗材料與設備的不

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。一個優(yōu)化的清洗工藝需須達到以下要求：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，引起電子產(chǎn)品降級或失效； 3、電性能：經(jīng)由高時速的RF系統(tǒng)時，沒引起輸入、輸出線信號誤傳；4、可測試性：板子上的殘留物可通過更換ICT測試探針或夾具穿透；5、粘性：表面無粘性及凸凹材料。生產(chǎn)工藝的評估 清楚了解了材料和污染物的情況，生產(chǎn)工程師下一個 要評估的項目就是生產(chǎn)工藝。產(chǎn)品輸出要求受制于設備情 況，評估過程可依照下列幾

11、項進行： ·一次性清洗或連續(xù)性清洗模式 ·工藝要求/限制 ·設備/工具的選擇 ·清洗槽壽命特征評估清洗工藝中每一工序/用時安排都是非常嚴格的，工程 師對每一工序的任務要充分理解，要考慮工序能力。在線 清洗工藝包括預清洗階段，其作用是用化學清洗劑潤濕線 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渣，保持 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)化動態(tài)清洗速度?？够瘜W腐蝕的

12、部位應 該有大的沖擊力，第一個噴氣孔吹出的氣體將組裝板上化 學溶劑吹掉，這樣該溶劑又回到清洗槽；第二個噴氣孔吹 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，當清洗液槽上的感應器出錯時， 槽中液體就會通過過流管排出，清洗液低溫操作時容易發(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。當清洗液發(fā)泡時，高液位傳感器被啟動（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，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，冷卻階段回收的清洗液很少。圖9，正確的清洗工藝設計可阻止清洗液浪費，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，定期檢查設備的泄露情況，校正噴嘴方向，防止泄露造成清洗液的浪費。排氣口也會造成清洗液浪費，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 一個類似于雨傘的部件，阻止清洗液蒸發(fā)外 逸，減少空氣流動造成的

14、浪費?？韶Q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， 而洗碗機式清洗模式對于依靠流速而不 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，清洗時間短，對于遠距離 的器件，噴液時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 洗工藝會由于通風揮發(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物質(zhì)和水組成。在一個 動態(tài)過程中，輸入減去輸出一般

15、會形成穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)一般會 小于臨界污染載荷。在臨界污染載荷之下運行會延長溶液 壽命(如圖12)。手工清洗操作與自動清洗工藝都可有效控制清洗液槽 中溶劑成分，手持式紅外測試儀測量清洗液槽中成分，用 堿性滴定法測試儀測量清洗液中堿的含量，清洗過線路板 后清洗液堿性增加。自動編程控制系統(tǒng)可通過紅外探測連續(xù)測量清洗液槽 中液體成分，該測量系統(tǒng)可測水、化學成分，并通過傳感 器保持清洗液中溶劑比例，自動工藝控制系統(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建議：·材料的評估 ·污染物的評估 ·工藝試驗的開

16、發(fā) ·清洗液的選擇 ·清洗設備及控制設備的選擇生產(chǎn)中注意以上幾項可降低生產(chǎn)風險，工藝工程師 首先采購合適的清洗設備，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)品風險問題，一旦資金短 缺，工程師可能面臨工藝試驗能力不足，執(zhí)行過程中出現(xiàn) 差錯。因此，嚴格遵循生產(chǎn)工藝規(guī)則，避免生產(chǎn)中浪費， 及時解決工藝問題，提高工程師有效工作時間。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。操作者可能報告說清洗液槽中泡沫增 多，其根本原因是清洗機內(nèi)空氣流速的問題；如操作員報 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、如操作員報告說清洗液嚴重 浪費，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針對三類電子產(chǎn)品一類、二類、三類組 裝、焊接提供了標準要求，驗證清洗工藝的測試可選用業(yè) 界試驗過的測試結(jié)果。結(jié)論及建議 三類產(chǎn)品及部分二類產(chǎn)品因功能、可靠性對產(chǎn)品有清 洗要求，這就要求對免清洗焊接材料及清洗工藝進行再認 證，由于焊接材料的不斷發(fā)展，對清洗水平、使用環(huán)境、 清洗材料、工藝解決方案都有更高的要求。先進的清洗材 料應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。清洗材料及清洗設備供應商提供給EMS廠材料、設備 及完整有效的解決方案，同時這些供應商又提供應