水基清洗剂在PCBA清洗工艺中的应用.ppt

水基清洗剂在PCBA清洗工艺中的应用 合明科技 主讲人 IPCTGAsia5 31CN技术组主席王琏 一 水基清洗及水基清洗剂的概念 合明科技 概念 水基清洗剂是以去离子水作为主溶剂 与表面活性剂 助溶剂 添加剂等组合而成 借助于含有的表面活性剂 乳化剂 渗透剂等的润湿 乳化 渗透 分散 增溶等作用来实现对污染物的清洗的一种清洗媒介 IPC定义中去离子水不小于50 水基清洗IPC CH 65B CN中定义 水基清洗是以纯水或者有机或者无机皂化剂对组件进行第一道清洗 然后以纯水冲洗掉组件上的污水的一项制程 安全需求1 操作人员健康2 工作场所的环境安全3 废液排放 组装结构的复杂化和成本控制1 原材料选择范围变窄 2 无铅化技术的导入 工艺难度加大 3 元件的微型化 元件贴装和结构的高密度化 环保管控 安全需求 成本控制 怎么办 合明科技 二 水基清洗剂产生的背景 日益严格的环保管控 蒙特利尔公约 ROHS法规 REACH SS 00259等相关环保法规持续更新 管控的物质越来越多 不断提升的环保安全要求 组装结构的复杂化 清洗要求的提高 及成本的不断增加等等 这些因素都决定了SMT清洗业 无论从清洗设备 工艺技术 还是使用材料的选取都不可避免的遵循一个原则 绿色环保 安全无害 且低成本 高效 高规格 环保安全的水基清洗剂是最理想的选择 也是未来清洗业的发展方向和必经之路 二 水基清洗剂产生的背景 合明科技 清洗思路的转变 溶剂型清洗剂清洗 水基清洗剂清洗 三 水基清洗剂机理 清洗机理水基清洗剂是借助于含有的表面活性剂 乳化剂 渗透剂等的润湿 乳化 渗透 分散 增溶等作用来实现清洗的 根据清洗方向 可分为中性水基清洗剂和碱性水基清洗剂 下面简单介绍几种创新的且在水清产品中应用比较多的水基清洗技术 合明科技 复合相变技术 水基乳化清洗技术 三 水基清洗剂机理 复合相变清洗技术机理图 合明科技 三 水基清洗剂机理 合明科技 水基乳化清洗技术机理图 功率模块清洗 BGA植球清洗 网板清洗 印刷机底部擦拭 炉膛清洗 回流炉清洗 焊接夹具清洗 组装件清洗 通讯 航天 汽车 医疗 表面贴装工艺 半导体制程 倒装芯片清洗 误印清洗 四 水基清洗剂的应用 合明科技 随着元件的微型化 元件贴装和结构的高密度化 无铅化技术的导入 日益严格的环境和物质管控 推动了水基清洗剂的迅速发展 目前水基清洗剂应用在SMT制程上的清洗已十分成熟 并体现出相当的优势 应用领域 四 水基清洗剂的应用 适用水基清洗剂产品中性水基清洗剂清洗对象 见图1 图2 回流焊焊前锡膏残留物 未固化红胶残留 错印板清洗 清洗设备 见图3 图4 超声波钢网清洗机 喷淋式钢网清洗机 合明科技 图1锡膏印刷钢网 图2红胶印刷塑网 图3超声波钢网清洗机 图4钢网喷淋清洗机 网板离线清洗 适用水基清洗剂产品中性水基清洗剂清洗对象主要用于清洗SMT印刷机网板和错印板上的焊锡膏残留 合明科技 网板在线清洗 图1网板印刷机 图2网板印刷机底部结构 四 水基清洗剂的应用 图3炉膛 图1喷壶装 图2喷雾灌装 图4清洗方式 适用水基清洗剂产品碱性水基清洗剂 桶装 喷壶装 气雾剂灌装等 见图1 图2 清洗对象 见图3 回流炉波峰焊炉膛被烘焙的各种助焊剂残留物 松香 油污等比较顽固的残留物质 四 水基清洗剂的应用 合明科技 炉膛清洗 四 水基清洗剂的应用 合明科技 适用水基清洗剂产品碱性水基清洗剂清洗对象 见图1 图2 见图3 旋风器 焊接治具 夹具 冷凝管上被烘焙的助焊剂 及松香 油污等 治具 载具清洗 图1焊接治具 图3可拆零部件 图2链爪 图4治具清洗设备 清洗设备 图4 治具清洗机 适合工件外表面清洗的喷淋清洗机 适用水基清洗剂产品碱性水基清洗剂清洗对象 见图1 图2 SMT THT的PCBA焊接后表面残留的松香助焊剂 水溶性助焊剂 免清洗性助焊剂 焊膏 手指印 油污 灰尘等污染物清洗设备批量清洗设备 多槽超声波喷淋清洗机 见图3 连续 在线 清洗设备 见图4 合明科技 四 水基清洗剂的应用 PCBA清洗 图1PCBA 图2PCBA 图3全自动化在线式清洗机 图4PCBA超声波清洗机 五 PCBA清洗详解 合明科技 PCBA生产制造用到的清洗工艺中 对于不同级别要求的产品 采用的助焊剂以及经过的工序的差别 需采用的清洗工艺和设备也有所不同 目前水基清洗剂应用在PCBA清洗工艺中 比较常见的清洗工艺有以下几种 PCBA清洗工艺 批量清洗工艺 在线式清洗工艺 合明科技 PCBA在线清洗工艺原理由传送带速度控制的组件连续在输送带上和生产周期时间不间断的清洗方法 适用于大批量PCBA的清洗 通过不同的腔体在线完成水基清洗 水基漂洗 烘干全部工序 五 PCBA在线清洗工艺 工艺流程 入板 漂洗 最后喷淋 化学预洗 化学清洗 化学隔离 预漂洗 风切干燥 烘干 合明科技 在线清洗工艺原理图 漂洗开始 设定次数 清洗泵增压 清洗液储槽 喷嘴喷射 清洗开始 设定次数 冲洗PCBA 5um过滤器 漂洗泵增压 DI水 喷嘴喷射 冲洗PCBA 过滤排放 热风烘干 DI水排放 DI水添加 清洗液闭环使用 五 PCBA在线清洗工艺 PCBA在线清洗工艺剖面图 合明科技 预洗涤 循环洗涤 循环冲洗 化学隔离 最终冲洗 1干燥段 2红外线干燥段 在线PCBA清洗过程的典型阶段 五 PCBA在线清洗工艺 五 PCBA全自动在线清洗 合明科技 蒸发损失 160 循环清洗 排出或者蒸发器 DI水2 3gpm 洗涤 冲洗 干燥 在线清洗流程 合明科技 在线式清洗设备 设备及工艺特点适合大批量PCBA清洗安全全自动化该清洗机针对SMT THT的PCBA焊接后表面残留的松香助焊剂 水溶性助焊剂 免清洗性助焊剂 焊膏等有机 无机污染物进行彻底有效的清洗 清洗剂选用时要考虑与元器件 PCB表面 金属镀层 铝镀层 标签 字迹等材料的兼容性 特殊部件能否经受清洗 五 PCBA全自动在线清洗 全自动化在线式清洗机 合明科技 批量清洗工艺IPC CH 65B CN中定义 批量清洗工艺是按受控生产时间周期的多个部件或者一个部件的不同批分组进行的清洗 五 PCBA批量清洗工艺 批量清洗系统的主要优点体现 提供了一个广泛的可调整清洗过程 不仅可以改变清洗和漂洗的次数 且这些次数的比例也可调节 大幅度的降低运营成本 同时拥有严格的过程控制体系 低成本 较低的清洗剂的使用量和程序的多功能性 耗能低 它们较小的尺寸 能源的利用率高 合明科技 五 PCBA批量清洗工艺 简单介绍批量清洗工艺中比较常用的清洗方式 超声波清洗 超声波清洗原理超声波清洗是利用超声波能在清洗剂中的空化作用 加速度作用及直进流作用 和清洗剂对污垢的超强溶解性相结合 使污垢层被溶解 分散 乳化 或剥离而达到清洗目的 超声波工作原理图 空化侵蚀效应 在空化现象发生时 微小气泡从产生 生长及迅速破裂的瞬间形成超过1000个大气压的瞬时高压 连续不断的瞬时高压就像一连串的小炸弹不断地轰击清洗物表面 使物体表现 缝隙及盲孔中的附着物污垢迅速剥落 合明科技 超声波清洗工艺流程 五 PCBA批量清洗工艺 干燥槽风切或热风 清洗槽清洗剂清洗 一次或多次 漂洗槽去离子水漂洗 一次或多次 下料 上料 超声波清洗工艺特点 一个或多个腔体内完成水基清洗 水基漂洗 烘干全部工序 可用于清洗托高高度低 底部间隙狭小的组装结构 清洗在超声波的有效性最佳温度附近效果最佳化 超声波清洗机 PCBA放入清洗篮 合明科技 鼓泡清洗鼓泡清洗系统中通常使用超声波能量或者浸泡喷射进行搅拌 根据传感器的位置 超声搅拌可以做到对形状很敏感 由此传感器正确的组装位置很重要 批次浸泡清洗设备是将一系列的单独清洗缸或者一系列的清洗模块进行整合 适用于一些批量小或没有高清洁度要求的PCBA清洗 五 PCBA批量清洗工艺 合明科技 PCBA的污染污染物的定义为任何使PCBA的化学 物理或电气性能降低到不合格水平的表面沉积物 杂质 夹渣以及被吸附物 主要有以下几个方面 六 PCBA清洗效果评估 构成PCBA的元器件 PCB的本身污染或氧化等都会带来PCBA板面污染 生产制造过程中助焊剂产生的残留物 也是主要污染物 焊接过程中产生的手印记 链爪和治具印记 及其他类型的污染物 如堵孔胶 高温胶带 手迹和飞尘等 工作场所的尘埃 水及溶剂蒸气 烟雾 微小颗粒有机物 以及静电引起的带电粒子附着于PCBA的污染 合明科技 污染可能直接或间接引起PCBA潜在的风险 诸如 残留物中的有机酸可能对PCBA造成腐蚀 残留物中的电离子在通电过程中 因焊点之间的电位差造成电迁移 使产品短路失效 残留物影响涂覆效果 经过时间和环境温度的变化 出现涂层龟裂 翘皮 从而引起可靠性问题 六 PCBA清洗效果评估 污染的危害 合明科技 腐蚀见右图PCBA组装是使用了铁底材底引线脚底元器件 铁底材由于缺乏焊料底覆盖 在卤素离子以及水分的腐蚀下很快产生Fe3 使板面发红 另外 在潮湿环境下 具有酸性的离子污染物还可以直接腐蚀铜引线 焊点及元器件 导致电路失效 六 PCBA清洗效果评估 污染造成PCBA失效的典型问题 腐蚀 合明科技 电迁移如图如果在PCBA表面有离子污染存在 极易发生电迁移现象 出现离子化金属向相反电极间移动 并在反向端还原成原来的金属而出现树枝状现象称为树枝状分布 树突 枝晶 锡须 枝晶的生长有可能造成电路局部短路 六 PCBA清洗效果评估 锡基镀层的引脚上长出的锡晶须造成引脚间的短路 合明科技 电接触不良见下图在PCBA的组装工艺中 一些树脂比如松香类残留物常常会污染金手指或其他接插件 在PCBA工作发热时或炎热气候下 残留物会产生粘性 易于吸附灰尘或杂质 引起接触电阻增大甚至开路失效 BGA焊点中PCB面焊盘镍层存在腐蚀以及镍层表面富磷层的存在降低了焊点与焊盘的机械结合强度 当受到正常应力作用时发生开裂 造成点接触失效 六 PCBA清洗效果评估 BGA焊点开裂造成电接触不良 合明科技 清洗的必要性 六 PCBA清洗效果评估 外观和电性能要求PCBA的污染物最直观的影响是PCBA的外观 如果在高温高湿的环境中放置或使用 可能出现残留物吸潮发白现象 由于组件中大量使用无引线芯片 微型BGA 芯片级封装 CSP 和01005等 元件和电路板之间的距离缩小 尺寸微型化 组装密度也越来越大 如果卤化物藏在元件下面清洗不到的地方 局部清洗可能造成因卤化物释放而带来灾难性的后果 三防漆涂覆需要在进行表面涂覆之前 没有清洗掉的树脂残留物会导致保护层分层或出现裂纹 活性剂残留物可能引起涂层下面出现电化学迁移 导致涂层破裂保护失效 研究表明 通过清洗可以增加50 涂覆粘结率 合明科技 清洗的必要性 六 PCBA清洗效果评估 免清洗也需要清洗按照现行标准 免清洗一词的意思是说电路板的残留物从化学的角度看是安全的 不会对电路板产线任何影响 可以留在电路板上 检测腐蚀 SIR 电迁移还有其他专门的检测手段主要是用来确定卤素 卤化物含量 进而确定免清洗的组装件在完成组装后的安全性 不过 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 对于可靠性要求高的产品来讲 在电路板是不允许任何残留物或者污染物 对军事应用来讲 即使是免洗电子组装件都规定必须要清洗 合明科技 清洁程度要求 六 PCBA清洗效果评估 电子制造商面临着对生产可靠的硬件所需的清洁等级程度难以抉择 多干净才算足够干净 这个问题给越来越窄的导线和线路带来更多的挑战 在工业中某一领域可接受的洁净度 如一个玩具进行了SMT波峰焊后 对于另外的领域或许就是不可接受 例如倒装芯片封装 很多的工艺专家们可能对清洁度并不十分了解 挑战仍然存在于与残留相关的某个或者某些长期可靠性方面的问题 或者是决定残留对硬件的功能性影响有多大 合明科技 清洁程度要求 六 PCBA清洗效果评估 需要考虑的有如下几方面的因素 终端使用环境 航天 医疗 军事 汽车 信息科技等 产品的设计 服役周期 90天 3年 20年 50年 保质期 1天 涉及的技术 高频 高阻抗 电源 失效现象与标准所定义的终端产品1 2 3级相对应的产品 例如 移动电话 心率调整器 合明科技 PCBA清洗效果的定性和量化检验 通过洁净度指标来评估 1 洁净度等级标准按中华人民共和国电子行业军用标准SJ20896 2003有关规定 根据电子产品可靠性及工作性能要求 将电子产品洁净度分为三个等级 如表所列 六 PCBA清洗效果评估 合明科技 六 PCBA清洗效果评估 在实际工作中 根除污染实际上几乎是不可能的 一个折中的办法就是确定电路板上的污染可以和不可以接受的程度 按照IPC J STD 001标准助焊剂残留三级标准规定 40ug cm2 离子污染物含量三级标准规定 1 5 Nacl ug cm2 萃取电阻率 2 106 cm请注意 随着PCBA的微型化 几乎可以肯定这个含量太高了 现在常用的离子污染物要求大约 0 2 Nacl ug cm2 2 PCBA洁净度的检测方法2 1目测法利用放大镜或光学显微镜对PCBA进行观察 通过观察有无焊剂固体残留物 锡渣锡珠 不固定的金属颗粒及其他污染物 来评定清洗质量 IPC A 610 电子组件的可接收性 中提供了通用的组装后的检测指南 合明科技 六 PCBA清洗效果评估 IPC A 610中列出的目检标准从1 裸眼 到10 当作一种判定方法 见下表所列 这种方法简单易行 但无法检查元器件底部的污染物以及残留的离子污染物 适合于要求不高的场合 注1 目视检查可能要求使用放大装置 例如出现细间距器件或者高密度组件时 需要放大以检查污染物是否影响产品外形 装配或者功能 注2 如果使用放大装置 放大倍数不可超过4 IPC A 610表 合明科技 六 PCBA清洗效果评估 2 PCBA洁净度的检测方法2 2溶剂萃取液测试法溶剂萃取液测试法有称离子污染物的含量平均测试 测试一般都是采用IPC方法 IPC TM 610 2 3 25 它是将清洗后的PCBA 浸入离子度污染测定仪的测试溶液中 将离子残留物溶于溶剂中 小心收集溶剂 测定它的电阻率 2 3表面绝缘电阻测试法 SIR 这种测试方法是测量PCBA上导体之间表面绝缘电阻 表面绝缘电阻的测量能指出由于污染在各种温度 湿度 电压和时间条件下的漏电情况 其优点是直接测量和定量测量 一般SIR测量条件是在环境温度85 湿度85 RH和100V测量偏压下 试验170小时 2 4离子污染物当量测试法 动态法 参照SJ20869 2003中第6 3的规定 2 5焊剂残留量的检测参照SJ20869 2003中第6 4的规定 七 PCBA清洗考虑要点 焊后 清洗后残留物的检测和分析是组件清洗过程重要的一部分 影响组装线路板清洗过程效果的因素如下图所示 合明科技 电子组件 焊接材料 组装材料 清洗工艺 清洗部件 表面贴装 涂覆层 材料兼容性 元器件下间隙 通孔 粘合剂 弹体体 标签材料 印制板的层压板 问题元器件 焊膏 波峰助焊剂 焊接温度 返工助焊剂 清洗前焊接条件 阻焊剂 加工时间 冲击能量 清洗剂浓度 清洗设备 清洗温度 清洗剂 合明科技 元器件几何形状器件托高高度及对清洗的影响夹裹的液体元器件问题及残留物来自元器件的污染物元器件退化其它元器件清洗考虑要点表面的润湿表面张力和毛细力填充间隙对比未填充间隙助焊剂残留物可变性清洗剂效果 七 PCBA清洗考虑要点 合明科技 八 PCBA清洗案例分享 问题 客户反馈PZ2177AC机型产品 经过清洗后与电容相连的3个焊盘会发白 见下图 导致COB邦定时焊金线焊不上 且客户反映经检测发白的焊盘上主要成分为锡 案例1 合明科技 八 PCBA清洗案例分享 图3 图2 图1 在显微