浅谈助焊剂的清洗方法

支雪峰

(苏州华旃航天电器工程技术二部 )

1 引言

通常电缆组装件在焊接后，其焊接部位总是存在不同程度的助焊剂的残留物及其他类型的污染物，如残留的手迹和飞尘等，即使使用固含量低的免清洗助焊剂，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有着极其重要的作用。污染物主要来源于助焊剂中包括松香在内的多种化学成分。随着电子工业的飞速发展和市场的激烈竞争，电装工厂都希望能找出焊接性能优异、价格低廉的焊料及助焊剂产品。助焊剂作为焊料的辅料 ( 质量分数为10% ～ 20%)，不仅可以提供优良的助焊性能，而且还直接影响焊料储存寿命。因此，助焊剂的品质直接影响电缆组装件焊接工序的整个工艺过程和产品质量。在目前生产中使用的助焊剂，根据其后继清洗工艺分为溶剂清洗型、水清洗型和免清洗型 3 种，其中溶剂清洗型包括 CFC(氟氯烃)清洗型及非 CFC 溶剂清洗型。

2 清洗原理

2.1 污染物的种类

1)极性污染物。极性污染物(或称离子型污染物)是指在一定条件下可以电离的一类物质，如助焊剂、焊膏中活性剂，包括卤化物、酸及其盐，它们是引起电迁移的主要原因。电迁移可在导体之间(如焊好的引脚之间)形成树枝状金属物质，引起导体之间的绝缘电阻下降，甚至发生短路。电迁移可用表面绝缘电阻(SIR)是否下降来判断，SIR值越大(无电迁移)，部件越清洁。另外，在潮湿环境下，具有酸性的极性污染物还可以直接腐蚀铜引线、焊点及元器件，导致电气失效。例如，焊料中的铅(Pb)氧化后与助焊剂中的盐酸(HCL)结合，形成氯化铅(PbCL2)；如果氯化铅在清洗期间未被除去，它将与空气中的水汽(H2O)和二氧化碳(CO2)反应，形成碳酸铅(PbCO3)，又重新生成盐酸。如此反复循环，一直继续到焊料中的铅消耗完为止。反应过程如下：

Pb + 1/2 O2= PbO

PbO + 2HCL = PbCL2+ H2O

PbCL2+ H2O +CO2=PbCO3+2HCL

盐酸还会腐蚀存在的铜，形成氧化铜，即

CuO +2HCL =CuCL2+ H2O

2)非极性污染物。非极性污染物(或称非离子型污染物)主要指助焊剂以及焊膏中残 留的有机物，焊接工艺过程中夹带的胶带残留物以及操作人员的肤油等，这些污染物自身发粘，吸附灰尘。有时覆盖在焊点之上的松香或树脂残渣还有碍测试，特别是非极性污染在极性污染物的配合下，还会加剧污染的后果。这是因为松香成分中含有多种酸，如松香酸(abiebicacid)和海松酸(pimaric acid)。

3)粒状污染物。粒状污染物通常是指工作环境中的灰尘、棉绒、烟雾等在 焊接部位上留下的尘埃，以及焊接时出现的焊球。它们也能降低电气性能，对电子组装产品造成危害。尘埃可以采用机械方式，如喷吹或超声波清洗来去除。

2.2 清洗原理

同其他污染一样，污染物也主要是依靠物理键结合与化学键结合产生。所谓“物理键”结合，是指污染物与焊点表面之间以分子间力相结合。通常物理键键能相对较低，一般在 0.8×103～2.1×104J/mol之间。所谓“化学键”结合，是指污染物与焊点表面之间发生化学反应、形成原子之间的结合，生成离子化合物或共价化合物，如松香酸与金属形成的松香酸盐等。化学键的键能较强，在(4.2～8.4)×105J/mol之间。清洗的原理在于破坏污染物与焊点表面之间的物理键或化学键的结合力，从而达到分离污染物的目的。

去除污染物时，除浮尘可以采用高压气体喷吹的方法之外，附着力强、难以去除的污染物普遍采用液态清洗方法，其原理是通过污染物和溶剂之间的溶解或化学反应将污染物从 焊点表面上去除。采用溶解方式时，选择溶剂要采用极性相似的原则，即非极性污染物用非极 性溶剂清洗，极性污染物用极性溶剂进行清洗，因此清洗剂往往用多种溶剂复合。也可以采用化学反应方法清洗，比较典型的是皂化反应，即采用表面活性剂和水一起与松香残留物发生化学反应，生成可溶于水的脂肪酸盐。

3 清洗类型

3.1 溶剂清洗

溶剂清洗是最早采用的方法之一。它主要是利用溶剂的溶解力除去污染物，通书辅助超 声波、喷淋以及温度的作用增强去污能力。采用溶剂清洗，由于其挥发快，溶解能力强，故对设备要求简单。早期使用的溶剂是氯氟烃化三氯三氟乙烷(简称 CFC-113)，具有脱脂效率高、对助焊剂残渣溶解力强、易挥发、无毒、不燃不爆、对电子元器件和 PCB 无腐蚀以及性能稳定等优点，是一种理想的溶剂。但它对大气臭氧层有破坏作用，严重危害人类的生存环境，因此这种清洗剂将被淘汰。替代的有机清洗溶剂可分为可燃性清洗剂和不可燃性清洗剂，前者主要包括有机烃类和醇类(如有机烃类、醇类、二醇酯类等)，后者主要包括氯代烃类(二氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯等)和氟代烃类(如 HCFC 和 HFC 类)等。使用这些溶剂进行清洗不需要水，清洗、漂洗乃至蒸汽干燥，都使用溶剂，因而不需要纯水制备和废水处理。 可燃性溶剂的挥发性大，闪点低，使用时必须对清洗设备及其辅助设备采用防爆措施； HCFC(含氢的氟氯烃)溶剂仍属破坏臭氧层物质，已规定在 2020 年全面淘汰。氯代烃类溶剂如三氯乙烯等毒性大，而且有制癌作用，应对其加强管理。

3.2 水清洗型

水清洗型助焊剂中含有有机卤化物、有机酸(OA)、胺和氨类化合物，这些物质在焊后还具有一定腐蚀性，特别是卤素化合物，对基板影响很大，需要通过清洗减少腐蚀性。这些有机物通常可溶于水，所以常用去离子水配上一定量的添加剂作为清洗剂。水清洗型助焊剂是指焊后用皂化水和去离子水清洗，主要是利用去离子水和水中溶解的活性剂、分 散剂、PH缓冲剂、络合剂等通过皂化反应去除印刷电路板上的杂质。水清洗型助焊剂在焊接生产中得到了应用，但是 由于生产成本较高、焊接过程工序多而受到限制，特别是焊接生产中有废水产生，既提高了生产成本也引起环境污染，所以此类型的助焊剂未能完全替代 CFC溶剂清洗型助焊剂。

3.3 免清洗型助焊剂

免清洗助焊剂应满足以下要求[18-19]：1) 润湿率 或铺展面积大；2) 焊后无残留物；3) 焊后板面干燥，不粘板面；4) 有足够高的表面绝缘电阻；5) 常温下化学性能稳定，焊后无腐蚀；6) 离子残留应满足免清洗要求；7) 具有在线测试能力；8) 不形成焊球，不桥连；9) 无毒，无严重气味，无环境污染，操作安全；10) 可焊性好，操作简单易行；11) 能够用发泡和喷 雾方式均匀涂覆。

4 助焊剂清洗应用现状

目前，我公司主要应用醇类清洗剂(如有乙醇、异丙醇等)、MCC-SPR助焊剂清洗剂和超声波清洗。下图1-4分别是焊接清洗前、SPR清洗剂清洗后、异丙醇清洗后、超声波清洗后的焊点对比照片。

图1 焊接清洗前

图2 SPR焊接清洗后

图3 异丙醇焊接清洗后

图4 超声波焊点清洗

通过对比清洗前后的焊点照片，明显可以看出以上三种清洗手段均有明显去除助焊剂残留的效果。

5 优缺点

MCC-SPR清洗：效率高，清洁效果好，特别针对免清洗助焊剂，水溶性助焊剂，焊膏；满足高密度PCB板，BGA器件，CSP器件清洗要求；适用于光缆、连接器，射频端子等精密接插件清洗；无腐蚀性，与大多数器件，塑料相容；导电安全，不可燃，具有清香气味；快速干燥，无残留。但成本相对较高，安全浓度为100ppm，使用时需适当防护，必须通风及戴口罩。

异丙醇清洗：异丙醇成本低廉，用途广泛，对亲油性物质的溶解力很强，易挥发；但静电刷蘸取异丙醇清洗焊点，效率相对较低；且异丙醇属于易燃液体，储存相对有危险；异丙醇有毒性，使用时需避免直接接触皮肤、眼睛等敏感部位。

超声波清洗：可以一次清洗多个焊点，效率高，清洁度高，清洗速度快；不需要人手接触清洗剂，安全可靠；对缝隙，凹凸面、深孔亦可清洗干净，对工件表面无损伤。

由于超声波清洗所具有的独特功能和效率, 现 已广泛应用于电子行业 。对电子产品的可靠性起到了相当关键的作用 。目前, 超声波清洗工艺的新设计, 已开始采用自动化的程序控制。各方面的综合改进工作, 不仅大大节省了劳动的消耗, 也改善了对工作环境的污染。超声波清洗越来越显示出其不可替代的优越性。