静态与动态一体的离子污染检测的研究与应用

张 也 刘世群 莫玲玲 蔡 林（广东正业科技股份有限公司，广东 东莞 523808 ）

静态与动态一体的离子污染检测的研究与应用

张 也 刘世群 莫玲玲 蔡 林
（广东正业科技股份有限公司，广东 东莞 523808 ）

目前PCB业内有两种检测离子污染洁净度的方式，即静态与动态。文章着重于介绍集静态与动态于一体离子污染测试仪的原理与应用，分析两种不同方式检测结果、精度与效率。并且通过测试验证，均满足检测要求。一体机功能的全面性提高了离子污染测试仪的性价比，更带来了便捷性。

印制电路板；离子污染检测；电导率；离子浓度

PCB在制程中，会造成表面离子污染物的残留，当残留离子严重时将导致线路出现开路，短路，腐蚀，寿命降低等现象。因此，离子污染的程度必须通过测试仪来进行检测，而检测设备要求现已有明确的规定[1]。离子污染测试原理最早来源于贝尔实验室，当时仅采用去离子水进行萃取，后经美国一海军航空电子设备中心改进，使用异丙醇和去离子水进行喷淋萃取[2]。萃取液按照1.5 ml/cm2的流量，以细流的方式喷射到线路板的两面，萃取时间≥1 min，然后对收集的萃取液测试其电导率进行计算，该测试方法也就是MIL-P-28809标准，若萃取液电阻率为2 MΩ即处于合格上限[3]，测试根据电导率与NaCl的等价关系计算得出离子浓度。后来经美国爱法（ALPHA metals）公司，进行了再次的改进，引入了“动态测试”：加热萃取“的概念[2]，静态/动态测试法一直引用至今。

1 静态/动态一体原理分析

静态/动态一体测试是以下两种测试原理的结合，两种模式可自由切换，下面对静态模式及动态模式的原理分别进行分析说明：

1.1 静态模式原理

静态原理如图1所示：首先保证水箱内萃取液电导率及温度达到设定值，然后放入测试样板，通过磁力泵将萃取液不断循环连续冲洗水箱中的PCB，使PCB离子充分被冲洗溶解到萃取液中，经过一定时间的冲洗后，萃取液的电导率达到一个相对恒定的的值，以电导率与等价氯化钠的关系计算其离子浓度值[4]。

1.2 动态模式原理

动态原理如图1所示：首先保证水箱内萃取液电导率及温度达到设定值，然后放入PCB，先通过磁力泵循环一定的时间≥1 min，（目的是将大部分离子先溶解一遍）然后打开再生阀，（同时传感器将数据开始传送至电脑开始计算）水箱的萃取液经过再生后，再次进入水箱连续冲洗，直至交换柱吸收溶解到萃取液的离子（通过传感器反馈萃取液的电导率数据）至初始的电导率即结束。动态测试过程是以电导率，流量，体积，时间等数据进行微分/函数运算，最终得出离子浓度。

图1 动/静态测试原理

2 静态/动态一体测试条件要点分析

2.1 萃取液

采用异丙醇，和去离子水，体积比为3:1。去离子水：电阻率约为18 MΩ、满足萃取测试条件。异丙醇：利用溶解能力强，电绝缘性好的特性应用至离子溶解过程中。加热萃取的温度控制在40 ℃时，既利于更快的萃取离子，又不使得萃取液过快的挥发。

2.2 离子交换树脂

采用阴阳交换树脂，该类型树脂用于如显示设备，精密线路板等电子特殊产品的漂洗[5]。 该树脂吸收萃取液再生能力＞150 MΩ≈0.07 ms。

2.3 流量

萃取液流速约为12 L/min，水压约0.1 Mpa，对与加快冲洗溶解PCB表面离子，起到一个很好的作用。且流速的采集以每秒四次的速率实时反馈至PC进行运算。

2.4 电导率

测试萃取液根据执行标准，电阻率必须大于6 MΩ[3]，然，PCB测试电阻率一般以（20～66）MΩ为宜[2]，该范围内大气与萃取液的化学效应，处于一个相对平衡状态。其中电极测量上限为10 ms≈0.1 MΩ，等同离子浓度测量范围参照图2：当电导率约为0.6 ms时总质量为24207 mg。以此为例计算最高量程约为：100 000 mg（非直线性增长）。最低量程则以实际仪器性能为准。

2.5 NaCl标准液

无毒，无危险性，在溶液中以离子的形态构成。用于来检验仪器的精度及性能。将0.6 gNaCl溶于1 ml去离子水，误差约±1%。取总量为40 ml进行测试，测试结果参照图2，误差仅1%＜，满足校准检验要求。

图2 离子浓度与等价氯化钠测量图

2.6 测试量程

测试前需要根据测试板的大小选择适合的水箱，保证其能完全侵没PCB。在此，我们做了一个PCB面积量程计算：萃取液体积为17 L时，最低检测质量值为600 mg，最高质量为100000 mg。如3所示。当板面积不足最小测试面积时，也可放入多块以满足测试条件≤3块为以宜。当然水箱可以加大，便于能测量更大面积的测试板，但是加大的水箱，需要重新考虑最低检测值，以确定最小测试面积。

图3 测试板范围计算

3 静态/动态一体NaCl应用测试

3.1 静态模式NaCl测试

如图4、图5所示，静态测试电导率起初为上升趋势，最后慢慢趋于平稳状态。NaCl标准溶液起初呈一个上升的趋势，说明此时的NaCl正在逐步被溶解到萃取液中，而经过一定的时间的搅拌溶解，NaCl被充分均匀的溶解到了萃取液中，电导率曲线呈现一个相对平稳状态。离子浓度与电导率成正比呈现。

图4 静态测试3000mgNaCl电导曲线

图5 静态测试3000mgNaCl离子浓度曲线

3.2 动态模式NaCl测试

如图6、图7所示，动态测试模式时，会先搅拌一定的时间（曲线起初图空白段），之后，打开过滤阀门，打开阀门的一瞬间，曲线图中直观的反应出电导率曲线从一个很高的值，慢慢的呈现一个下降的趋势，该趋势也是说明了，打开阀门再生后，每次进入水箱循环的萃取液都是相对洁净的，电阻率也就呈一个持续下降的状态，直到电阻率下降到初始的值即测试结束。离子浓度曲线则与电导曲线为反比呈现。

图6 动态测试3000mgNaCl电导曲线

图7 动态测试3000mgNaCl离子浓度曲线

3.3 静态/动态一体NaCl检测总结

等量NaCl测试：如图10（静态）与图12（动态）所示：离子浓度均为：0.33 mg/cm²，由此得出结论：一体离子污染检测中的静态方式与动态方式，均满足离子污染的检测要求。下面为了进一步验证，采用PCB板进行实测。

4 PCB板测试

4.1 PCB静态测试

通过图13、图14，电导与浓度曲线可以解析为：萃取之初电导率呈一个快速的上升曲线，这与NaCl的溶解方式一样，此时很大一部分的离子被溶解，而过一段时间后，由于PCB表面离子黏附程度的不同，一些死角位置或者黏附较强的离子，随着循环冲洗溶解的时间推移，只能慢慢的被溶解，电导率也就一直呈一个缓慢的上升的曲线，这与NaCl呈现的平稳曲线不同。原因是NaCl放入后全部被溶解，没有黏附。所以实际测试PCB呈现缓慢的上升曲线状态时（15 s内±0.02 mg变化），表明测试已经完成，继续测试已无太大的意义（特殊要求除外）。

4.2 PCB动态测试

通过图15、图16，电导与浓度曲线可以看出，动态PCB测试曲线图与NaCl测试类型一致，区别在于PCB板测试时，时间会相对较长。因为，NaCl的溶解能力高于PCB表面离子。测试完成后软件运行自动停止，生成测试结果。

4.3 静态/动态一体PCB测试结论

4.3.1 效率对比

图8、图9为动态/静态测试步骤。

图8 静态测试步骤

图9 动态测试步骤

图10 连续测试静态与动态测试效率对比

通过以上的测试步骤可以看出：静态测试测试结束后。进行下一次测试前，则必须再生。使测试槽内萃取液达到电阻率基准。而动态测试完成后，进行下一次测试前是不需要再生的，因为动态在测试的同时，就已经在不断的再生萃取液，再生的过程也就是动态测试计算的全过程，直至萃取液至起始电阻率的状态即结束。如图10所示，等同的条件下，以20 ml NaCl为基准，17 L萃取液测试。在保证测试完成后，水箱内能保持一个相对洁净的状态（达到起始的电阻率），对于两种模式实测统计：动态效率提升约27%。

4.3.2 离子污染浓度对比

如图11～图14统计得出图15。

图11 静态阻焊板测试图

图12 静态覆铜板测试图

图13 动态阻焊板测试图

图14 动态覆铜板测试图

图15 动态/静态测试测试值比较

图示17表明：PCB测试时动态模式高于静态模式。原因分析：原理的不同及PCB自身的特性，静态为不断的循环，循环后PCB板上面的洁净度与萃取液的洁净度比较相近，两个洁净度相对相等的物质在一起时，是不能进行更深层清洁萃取的。而动态测试时，因为经过了再生，再次回到水箱的萃取时是相对纯净的，而且相对纯净的萃取液能够更深层萃取PCB表面顽固的黏附离子，甚至将PCB内更深层的离子萃取掉。这也就是图示17，动态结果值高于了静态＞60%的原因了。

5 总结

（1）现今MIL-P-28809标准标定了PCB离子污染程度＜1.56 mg/cm²即合格。 而IPC标定了测试的条件[1]，这是以‘静态’为基准所建立的。而对于PCB表面离子污染的检测，我们可以理解静态为浅度表面离子污染的检测。动态为深度表面离子污染的检测。其中动态的检测更为精确（萃取离子能力动态＞静态60%），高效（动态检测效率高于静态27%），动态测试已远高于行业的标准。

（2）作为PCB生产商以动态检测可更好的监控在线的制程工艺。当然PCB的验收还是以现行标准静态为准。对于特殊要求例如航天，军工及特殊PCB板，建议用动态测试作为最好的验证参考，以确保PCB后期使用的稳定性。

[1]GB 4706.1.电器安全标准[S].

[2]GB/T 4677.22-2002. 印制板表面离子污染测试方法[S].

[3]GB/T 18268.1.测量、控制和实验室用电设备电磁兼容性要求[S].

[4]IPC-TM-650.印制板表面离子污染测试方法[S].

[5]MIL-P-55110E.刚性印制板通用技术规范[S].

[6]黄汉松. 关于离子污染测试仪的发展和讨论.

[7]CIPC信息网. 电子线路板表面离子污染的检测[J/OL].

[8]2007年正业科技成功研发的静态离子污染测试仪.豆丁网. 离子交换树脂[OL].

张也，工程师，主要从事线路板测试仪器的研发与应用。

Research and application of combination of static & dynamic ionic contamination testing

ZHANG Ye LIU Shi-qun MO Ling-ling CAI Lin

There are two methods for ion contamination cleanliness in PCB industry: static and dynamic. While this essay focuses on the introduction of the application of ionic contamination testing with static testing and dynamic testing combined together. It clearly analyzes the two different test methods and their test result, function, accuracy and efficiency. The static-dynamic combined ionic contamination testing method has been verified by different application testing. Its comprehensive features reduce the cost and bring unparalleled convenience.

Ionic Contamination Test; Conductivity; Ion Concentration

TN41

A

1009-0096（2015）01-0015-05