焊接后印制电路板清洗方法研究
2018-01-04刘岩松
刘岩松
焊接后印制电路板清洗方法研究
刘岩松
（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）
当今的电子装配技术在运作速度和质量上比以往大有提高，电路走线更窄，装配的组件也更密集。为了保证产品在规定的工作环境下正常实现设计中的功能要求、达到所要求的最低时间或周期，焊后清洗技术在整个表面安装技术(SMT)的工艺中扮演着十分重要的角色。在介绍了清洗的重要性的基础上，通过对比手工清洗和溶剂气相清洗的效果，提出气相清洗是去除零件上有机污垢的更有效的清洁方法，此种方法甚至能去除焊接中遇到的最为顽固的污垢。在溶剂蒸汽清洗机中经过清洗的零件从机器中取出时是干燥的，而且表面无任何残留物，最佳地满足了焊接后印制电路板的清洗需求。
焊接后的印制电路板；手工清洗工艺；气相清洗工艺；污垢
1 引 言
通常电子产品在焊接后，其电路板表面总是存在不同程度的助焊剂残留物及其他类型的污染物，即使使用了低固态含量不含卤素的免清洗助焊剂仍会有或多或少的残留物。因此，清洗对保证电子产品的可靠性、电气指标、工作寿命等都有着极其重要的作用[1-2]。
2 焊接后印制电路板清洗的必要性
组装焊接后清洗印制电路板有以下必要性：
（1）能防止电气缺陷的产生。最突出的电气缺陷就是漏电，它是影响印制电路板长期可靠性的重要因素之一。造成这种缺陷的主要原因是PCB上存在离子污染物、有机残料和其他黏附物。
（2）能清除腐蚀物的危害。腐蚀会损坏电路，造成器件脆化；腐蚀物本身在潮湿的环境中能够导电，从而引起印制电路板发生短路故障。清除腐蚀物，同样也是在排除影响印制电路板长期可靠性的因素。
（3）使印制电路板外观清晰。清洗后的印制电路板外观清晰，能使热损伤、层裂等一些缺陷显露出来以便于进行检测和故障排查。
3 污染物的来源分析
焊接后PCB上的白色残留物成份是非常复杂的。可能是助焊剂本身，也可能是其氧化产物，或助焊剂与金属、阻焊膜、PCB层压材料等的反应物。白色残留的产生除与上述物质相关外，还与PCB设计、SMT工艺（回流温度、回流时间）、温度、湿度等因素有关[3]。
4 加工过程追溯
某型电路模块采用回流焊工艺，原材料均检验合格并在有效期内，设备正常运转，工艺温度可控无异常，进行外观目检，操作及互检人员均持证上岗，封装过程及环境满足规定的要求；筛选过程条件和操作均符合电路设计要求和GJB 548筛选试验方法的规定。
5 样品外观分析
随机抽取焊接后的1个模块电路放在16倍显微镜下进行外观目检，发现在板面周围存在不同程度的助焊剂残留及其他类型的污染物，判定外观不合格。详见图1。
图1 存在白色残留物的电路板
由图中可见残留物的特征为白色，据分析，其产生的原因是焊接结束后从焊锡膏中析出了不同程度的助焊剂残留物等，此时需对其进行清洗，以保障电子产品的可靠性、电气指标和工作寿命等。
6 清洗试验
基于以上分析定位，从该模块电路焊接后生成白色残留物的状态着手，在筛选出外观不合格的样品中各抽取2只，分别采用手工清洗方法、超声清洗方法和气相清洗方法进行清洗[4-5]。
6.1 手工清洗方法
使用丙酮溶液浸泡2只模块电路10分钟，用软毛刷在乙醇溶液中将焊接部位的残留物刷掉，取出模块电路，用去离子水冲洗3分钟，再用无水乙醇进行脱水，之后用氮气枪将模块电路表面吹干至无水痕。详见图2。
图2 手工清洗后的电路表面状况
在手工清洗过程中，利用溶解性更强的丙酮去浸泡，可以有效地使残留助焊剂溶解到溶液中，然后将模块电路放入乙醇中进行物理梳刷，将细节残留助焊剂冲刷掉，再用去离子水将有机溶剂进行脱水，最后用氮气进行吹干以达到清洗目的。
6.2 超声清洗方法
使用丙酮溶液浸泡2只模块电路10分钟后，将其放入无水乙醇专用石英容器中，注入无水乙醇浸没2只模块电路，将石英容器放置在超声清洗槽中，进行5分钟（超声功率：240W）超声波清洗，结束后关闭开关用提篮取出。用去离子水冲洗5分钟，用无水乙醇冲洗2只模块电路对其进行脱水处理，然后用氮气枪将其表面吹干。详见图3。
在超声清洗中，与手工清洗的不同之处在于将模块电路放入乙醇中之后，是利用超声振动的原理进行清洗，将细节残留助焊剂冲刷掉，再用去离子水将有机溶剂进行脱水，最后用氮气进行吹干以达到清洗目的。
图3 超声清洗后的电路表面状况
6.3 气相清洗方法
打开设备冷凝系统运行5～10分钟以备下一步冷凝使用，打开设备加热系统将清洗剂加热到沸腾温度后，将待清洗的2只模块电路放入清洗提篮内，工件尽量倾斜摆放，然后打开设备上盖将提篮缓缓放入左侧沸腾池中，煮3～5分钟后，将提篮提至蒸汽区内，蒸汽清洗3～5分钟，手持喷淋枪对准2只模块电路表面，喷淋10～20秒，将提篮缓缓放入右侧漂洗池内漂洗1～2分钟，上述工作完成后将提篮提至冷却区域对工件进行冷凝烘干,待溶剂完全挥发后将提篮取出，放置在通风区域干燥[6]。清洗结果详见图4。
图4 气相清洗后的电路表面状况
带有污垢的2只模块电路被放入到热熔剂蒸汽中，蒸汽在接触到相对较冷的模块电路时，就会在其表面冷凝，并溶解零件表面的油脂污垢，溶解了的污垢滴入到下面的沸腾溶剂中，而蒸汽则收集在沸腾溶剂附近的冷凝盘管上，蒸汽在冷却盘管上冷凝后，以液态返回到分离池中，在分离了其中的水分并过滤了杂质后，又可以再次循环使用。溶剂气相清洗原理图见图5。
通过对比手工清洗、超声清洗和气相清洗后的电路表面状况可以看出，通过有机溶剂清洗机清洗过的电路模块，助焊剂残留物基本被彻底清洗掉；手工清洗和超声清洗之后的电路模块有些部位还有助焊剂残留物等污垢。因此，经过综合分析考量，应采用更可靠、更低毒、更安全的有机溶剂来清洗设备，使清洗更彻底，清洗效果更好[7-8]。
图5 溶剂气相清洗原理图
7 结束语
通过采用不同清洗方法的试验对比，将有机溶剂加热汽化的清洗法可以更有效清除助焊剂等污垢。有机溶剂中，溴丙烷具有性能稳定，适合范围广，易干燥，润湿性好，不腐蚀损伤线路板等特点，清洗效果更好，推荐优先使用。面对封装实践过程中层出不穷种类繁杂的污染物，发展更新更高级更绿色的清洗工艺技术和设备来应对新的挑战，也是十分有必要的。
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Study on the Method of Cleaning Post-welding Printed Circuit Board
Contemporary electronic assembly technology is much better than ever before in terms of speed and quality,and has more narrow circuit wiring and more intensive components assembling.In order to ensure that these products work in accordance with the design requirements in the required environment,and to achieve the minimum required time or cycle,the post-welding cleaning technology plays a very important role in the whole SMT(Surface Mount Technology)process.Based on the introduction to the importance of cleaning,and by comparing the effects between manual cleaning and solvent vapor cleaning,it is proposed that vapor cleaning is an effective cleaning method to remove organic dirt on the parts.This method can even remove the most stubborn fouling encountered in the welding operation.When taken out of the machine,the parts are dry and without any residue on the surface after the cleaning in the solvent steam cleaning machines,which can best meet the demand of the post-welding printed circuit board cleaning.
Post-welding printed circuit board;Manual cleaning process;Vapour phase cleaning process;Dirt
10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.002
B
1002-2279-（2017）06-0007-04
刘岩松(1989-)，男，吉林省图们市人，助理工程师，主研方向：电子信息工程。
2017-11-21
