单元8 清洗与返修技术.ppt

单元8清洗与返修技术 SMT清洗技术 SMT返修技术 通常SMA在焊接后 其板面总是存在不同程度的助焊剂残留物以及其他类型的污染物 如堵孔胶 高温胶带的残留胶 手迹 飞尘等 即使使用低固含量的免清洗助焊剂 仍会有或多或少的残留物 而对高可靠性要求的电子产品 为了确保其可靠性 依然需要对其清洗 因此清洗对保证电子产品的可靠性有着极其重要的作用 清洗技术 清洗的目的 1 防止由于污染物对元器件 印制导线的腐蚀所造成的SMA短路等故障的出现 提高组件的性能和可靠性 2 避免由于PCB上附着离子污染物等物质所引起的漏电等电气缺陷的产生 3 保证组件的电气测试可以顺利进行 大量的残余物会使得测试探针不能和焊点之间形成良好的接触 从而使测试结果不准确 4 使组件的外观更加清晰美观 同时也对后道工序的进行提供了保证 清洗技术 清洗剂的特性 1 脱脂效率高 对油脂 松香及其它树脂有较强的溶解能力 2 表面张力小 具有较好的润湿性 3 对金属材料不腐蚀 对高分子材料不溶解 不溶胀 不会损害元器件和标记 4 易挥发 在室温下即能从印制板上除去 5 不燃 不爆 低毒性 利于安全操作 也不会对人体造成危害 6 残留量低 清洗剂本身也不污染印制板 7 稳定性好 在清洗过程中不会发生化学或物理作用 并具有储存稳定性 清洗技术方法分类根据清洗介质的不同 清洗技术有溶剂清洗半水清洗和水清洗技术三大类 根据清洗工艺和设备不同又可分为批量式 间隙式 清洗和连续式清洗2种类型 根据清洗方法不同还可以分为高压喷洗清洗 超声波清洗等几种形式 对应于不同的清洗方法和技术有不同的清洗设备系统 可根据不同的应用和产量的要求选择相应的清洗工艺技术和设备 清洗工艺技术 印制电路板 PCB 在制造过程中的污染物按性质不同一般可分为四种类型 离子型水溶性污垢 非离子性水溶性污垢 非水溶性污垢及不溶性污垢 1 印刷线路板的清洗对象 离子性污垢离子性污垢对印制电路板的破坏力极大 会使电路的信号发生变化 电路板出现电迁移 电路断路 腐蚀以及涂敷层的附着力下降等问题 清洗方法 用水溶解的方法去除 在清洗中需加入适当的添加剂并辅以加热 机械搅拌等物理手段 非离子型水溶性污垢非离子型水溶性污垢可使印制电路板的润湿特性及组装涂覆层的附着力发生变化 使电路板的表面绝缘电阻降低 有时还会有电迁移 腐蚀等现象发生 清洗方法 为更好的去除这类污垢在清洗水中要加入添加剂 并采用提高水温 延长清洗时间 辅之以机械搅拌等措施 非水溶性污垢非水溶性污垢对印制电路板的表面润湿特性 黏结性能 组装涂覆层均有不利的影响 而且对印制电路板上的电联接点耐使用环境影响的可靠性有较大的不利影响 清洗方法 可采用非极性溶剂溶解清洗 不溶性污垢不溶性污垢通常与可溶性污垢混杂在一起 在清洗过程中当可溶性污垢被清除之后 这类污垢通过冲洗等手段即可被清洗掉 清洗方法 通过强力喷射 刷洗 超声波清洗等物理手段去除 污染物清洗机理 从物理学知道 物质与物质之间的结合是依靠原子与原子或分子与分子之间形成的键连接在一起的 原子与原子之间形成的键称为 化学键 化学键的键能较大 要使其分离就比较困难 也就是说 具有原子键结构的污染物 清洗起来就比较困难 分子与分子之间形成的键称为 物理键 物理键的键能比较小 清洗起来就比较容易 有的污染物同时具有这两种键结合 是一种互相共存的状态 在SMA清洗的过程钟中 往往是这种情况 因此 对于这种情况的清洗 一般会采取先溶解污染物 再冲淋的方法进行清洗 污染物与PCB之间的结合除了上述两种键结合外 还有一种称纯粹是吸附作用形成的结合 这样的结合 结合力比较小 用机械力或物理的方法 就可以清洗干净 弄清了污染物与PCB之间的结合机理 就找到了清洗的方法 也就是有针对性地打断污染物与PCB之间的化学键或物理键 从而将污染物从PCB上清洗干净 印制电路板组装件焊接后进行清洗 主要清洗方法包括三种 溶剂清洗 半水清洗及水清洗 溶剂清洗是利用溶剂相似相溶原理去除污染物的一种清洗方法 半水清洗技术是指用半水清洗剂即有机溶剂与水形成的乳化液来清洗污垢 此工艺采用非ODS溶剂进行清洗 其工艺方法与溶剂清洗工艺相似 水清洗技术可以分为高纯水清洗和水中添加表面活性剂清洗两种工艺 清洗工艺技术 1 溶剂法清洗工艺 1 去脂溶剂蒸汽清洗法 这是较早采用的一种清洗方法 工艺方法是先将有机溶剂加热至沸点 产生高温的有机溶剂蒸汽 然后将SMA放入清洗机有机溶剂高温蒸气区内 其蒸气遇到温度较低的工件表面形成露珠 释放出汽相潜热 形成的液态露珠溶剂与表面污染物发生作用 溶解掉残留污染物 含有污染物的液滴离开SMA表面并带走污染物 最后通过蒸气冷凝回收回来的洁净溶剂对工件进行喷淋 用机械力冲刷掉污染物 喷淋后工件仍在蒸气区内 当表面温度达到蒸气温度时 表面不再出现热交换 此时工件已洁净并干燥 此时取出工件 达到清洗的目的 此清洗法适合在污染不严重而洁净度要求较高的情况下使用 批量式溶剂蒸汽清洗设备如图10 1所示 工艺过程 加热有机溶剂 放入SMA 汽相洗 喷淋 干燥 取出SMA 2 沸点超声清洗法 此法是在去脂溶剂蒸汽清洗法的基础上发展起来的 不同的是多了一套超声波发生装置 其工艺过程是将被清洗的SMA浸入装有去脂溶剂的超声槽中 将溶剂加热至沸点后启动超声波发生器 发出的超声波经换能器转化为机械振动 清洗剂在机械振动作用下产生很强的冲击力 使分子内的化学键断裂以清除SMA上的污染物 SMA经超声作用后 再用溶剂喷淋冲刷污染物 最后干燥并取出SMA 达到清洗目的 此法清洁效果好 适用于污染较严重的SMA 但超声波的高频振荡波会透过封装材料进入器件的内部而造成晶体管或IC内部芯片焊点破坏 对于航天航空 军事领域及生命保障类重要电子产品不宜使用这种清洗方法 工艺过程 加热有机溶剂 SMA浸入溶剂 超声清洗 喷淋 干燥 取出SMA DGD 4042全自动PCB板超声波清洗机外形 3 连续式溶剂清洗工艺连续式溶剂清洗工艺原理与去脂溶剂蒸汽清洗法相同 也是让SMA经过蒸气加热溶解污染物 然后冲淋干燥的工艺过程 不同的是 整个过程是在清洗设备中连续完成的 此法蒸气损失较小 适合大批量生产 连续式溶剂清洗机结构如图10 3所示 工艺过程 加热有机溶剂 放入SMA 汽相洗 或启动超声清洗 多次喷淋 干燥 取出SMA 2 皂化法水清洗 皂化法清洗SMA的机理是利用皂化法原理 即以水为溶剂 在皂化剂 一种氨类碱性溶液 作用下 把难以清洗的松香残留物变成水溶性松香脂肪酸盐 在高压水的喷淋下 松香脂肪酸盐能方便地清除掉 最后用纯水清洗干净 皂化法水清洗的优点是 系统适应性强 清除的污染物广泛并可以根据焊剂的类型来选择皂化剂 但清洗效果不及含氟溶剂 皂化剂及残渣还会带来二次污染 且对非松香类的焊剂残留物 其清洗效果不太好 工艺过程 皂化剂清洗 高压水喷淋冲洗 纯水冲洗 干燥 取出SMA 3 半水清洗 半水清洗就是先采用某种对环境没有破坏作用 无毒 无腐蚀性的溶剂洗涤SMA 之后再用水进行清洗 最后将被清洗的SMA烘干 从而达到清除SMA上的污染物的目的一种清洗方法 对半水清洗的溶剂要求 既是松香的良溶剂 又能溶解在水中 还不污染环境 在溶剂清洗时 它能快速地溶解松香 用水清洗时 溶剂溶于水 而松香残留物就会浮在水中 很容易将其分离 实现去除污染物的目的 目前用于半水清洗的溶剂有两类 1 萜烯类溶剂萜烯是从木材和橘皮中提取的天然烃类有机物 它的基本成分是烃和有机酸 萜烯本身可以由生物分解 不会对臭氧层有破坏作用 无毒 无腐蚀 萜烯对焊剂残留物有很好的溶解能力 用于电子清洗材料的萜烯类其商品名称为EC 7 使用EC 7作为清洗剂应注意的是 EC 7是一种可燃性物质 沸点仅为47 2 故只能用于冷洗或N2气保护氛围中清洗 以防引起火灾 清洗后的废液必须采用特制的油水分离器进行分离并回收 而不能直接排入下水道 以防发生火灾 2 烃类混合物清洗剂美国杜帮 Dopout 公司在1989年开发了一种名为Axarel38的清洗剂 它的主要成分是烃类混合物 这种清洗剂含有离子和非离子成分 对各种离子型和非离子型污染物都具有溶解性 有助与进行高效清洗 这种清洗剂具有闪点高 毒性低的优点 因此Axarel38是一种较为理想的半水清洗溶剂 并且能与多种助焊剂相适应 半水清洗工艺流程 溶剂或乳化剂清洗 附加喷射 超声 水漂洗 两道 热风干燥 出板 附属工艺包括纯水制备 废水处理等 4 净水清洗 净水清洗SMA的方法 主要是针对焊接工艺中使用水溶性助焊剂 焊膏 的SMA组件 净水清洗方法又可分为以下两大类 1 在纯水中加入皂化剂 表面活性剂的水基清洗方式 可以对松香焊剂 油污 离子污染等进行清洗 2 使用纯水对水溶性焊料 焊剂进行清洗的纯水清洗 清洗时 洗涤和漂洗都是用净水或纯水 净水清洗特点有以下几点 1 安全性好 2 配方组成自由度大 清洗范围广 对极性和非极性污染物都有良好的清洗效果 3 价格低 原料易得 4 允许使用超声波的情况下 洗涤效果更好 5 不足之处是水溶性助焊剂 焊膏 质量尚不太稳定 工艺难控制 净水清洗工艺流程 纯水或水基皂化液 清洗 冲洗 纯水漂洗 纯水漂洗 风刀 热风干燥 清洗工艺技术 PCB的传统清洗剂多为CFC 113 该溶剂表面张力和粘度较小 与相同沸点的其他溶剂相比 具有良好的去水和蒸发作用 而且CFC 113最重要的优点是KB值适中 同时对材质的兼容性较好 由于CFC 113性能稳定 适合范围广 易干燥 润湿性好 不腐蚀损伤线路板 清洗效果好 可操作性好 易于回收 曾被我国很多单位广泛使用或现在仍有使用 是电子产品电路板清洗的主要溶剂 然而 作为 蒙特利尔议定书 的缔约国 我国已规定将在2006年全面禁止此类溶剂的使用 因此这种清洗方法将很快被淘汰 ODS清洗剂替代技术要求 理想的ODS替代品清洗剂必须具备以下条件 优良的溶解与清洗能力 无毒 无公害 符合国际公约的要求 不可燃 性能稳定 无腐蚀性 不影响产品品质 易蒸发 无残留物 良好的性能价格比 替代费用可被接受 现有非ODS清洗剂 目前 CFC 113的替代溶剂主要有HCFC系列溶剂 氯代烃合成溶剂 烃类溶剂 醇类溶剂 碱性水溶液等 替代CFC 113的氟系清洗剂主要有HCFC 含氢氟氯化碳 HFC 含氢碳氟化物 HFE 氢氟醚 及PFC 全氟化碳 等 其中HFC HFE PFC本身不具有清洗力 需要和其它化合物组合后才能使用 该类清洗剂具有与CFC 113接近的清洗性能 稳定 低毒性 不燃 安全可靠 但是通常价格昂贵 迄今为止 还没有一种替代物在适用范围和清洗效果上 都能和CFC 113相似的 人们正在研究一种对环境无影响 又能完全取代氟立昂的清洗剂 目前对印制电路板组装件焊接后的非ODS 消耗臭氧层物质 清洗质量的控制有两种工艺方法 免清洗焊接工艺 免洗技术是指通过改进生产设备 加工工艺和产品设计提高元器件的质量 使原清洗对象可以免除清洗直接进入下一道工序 保证元器件的洁净质量与用ODS清洗后的相同 由于所使用的免清洗液态助焊剂不含卤化物活性剂 印制电路板组装件焊后无需清洗即可进入下一工序 免清洗技术应用新材料和新工艺来达到以往焊后需要经过清洗才能达到的质量要求 PCB的非ODS清洗工艺 免清洗再流焊技术 是电子组装工艺中的重要工艺环节 通过采用低固态物质含量 不含任何卤化物 焊后仅有微量无腐蚀性残留物 而且焊后绝缘电阻高的免清洗焊膏和工艺控制来达到免清洗效果 主要解决表面贴装元器件的再流焊接 免清洗工艺的实现不仅依赖于免清洗助焊剂 焊膏 还依赖于焊接设备 元器件 PCB板 工艺流程和工艺参数 工艺环境 工艺管理等诸多因素 采用免清洗助焊剂后 助焊剂的涂敷方法十分重要 涂敷质量的好坏 将会直接影响到焊后质量 在免清洗工艺中可以采用以下两种助焊剂涂敷方式 发泡式目前众多的生产企业使用的波峰焊机装有发泡式涂敷助焊剂装置 这些设备只要清洗干净 对发泡装置不加改造或稍加改造即可用于免清洗工艺 投资少 采用发泡工艺的缺点是助焊剂的用量不易控制 涂敷不均匀 在PCB板上有残留助焊剂 给免清洗工艺带来明显的影响 另外 发泡式装置是开启式的 助焊剂中溶剂极易挥发 需定时测量助焊剂的密度 添加稀释剂来调正其密度 以保证达到最佳焊接效果 同时因吸收空气中水分和落入灰尘等杂质极易使助焊剂变质 使用一段时间后需要更换助焊剂 造成一定的浪费 喷雾式通过喷雾装置将雾状的助焊剂送到PCB板焊接面上 其雾化程度 喷雾宽度 喷雾量 预热温度等均可调节 这种涂敷工艺 涂敷很均匀 而且可以节约助焊剂 比发泡式可以节省50 65 焊后板面相当干净 也不需要像发泡式那样定期更换助焊剂或添加稀释剂 助焊剂是完全封闭在加压的容器中 不必考虑溶剂的挥发和吸收大气中的水分 这样助焊剂成分不变 一次加入后可以直到用完为止 使用喷雾涂敷工艺 需要具有良好的通风装置 将挥发的易燃的溶剂蒸气排除出去 喷雾式涂敷助焊剂是实现免清洗工艺最佳涂敷方式 是今后涂敷助焊剂工艺的主流 无铅组装PCB的清洗 用无铅焊料组装的SMA 对于高质量 高可靠性要求的产品 焊后需要进行清洗 因为无铅焊料的特点是熔点较高 不易湿润 因而要求助焊剂能够增强湿润程度 助焊剂浓度和用量较有铅焊接有所增加 导致焊后有助焊剂残留物存在 这将影响焊点的可靠性 图 a 所示为无铅焊点表面可以看到有较多助焊剂残渣 图 b 所示为经过清洗的无铅焊点表面 图 a 图 b 1 无铅焊接对清洗工艺的影响 使用无铅锡膏 其峰值温度要比锡铅锡膏高出34 左右 可能造成更多的氧化和助焊剂的聚合反应 这些反应使得助焊剂残留物在焊接过程中更多地被 烘焙 使其更难被清洗 焊膏中较高沸点的溶剂 增量的松香成分 固含量 和特别是抑制在高温下焊料氧化的更强的活化成分都会造成助焊剂残留物增多并对清洗工艺提出更高的要求 2 清洗剂的选用 依据需要清洗的不同残留物类型 选用不同的助焊剂 通常对于焊后助焊剂残留物则使用碱性清洗剂 有三种基本的清洗剂 溶剂型清洗剂 水基不含表面活性剂的清洗剂 和水性碱基表面活化清洗剂 3 清洗工艺 将无铅焊接SMA进入清洗设备 采用三种清洗剂类型中的任一种进行清洗 清洗在50 下进行 采用去离子纯水冲淋漂洗 干燥 经过清洗的SMA在40倍放大的显微镜下目检和采用离子污染检测仪测试 残留物目检和离子污染测试均显示三种清洗剂类型都有很好的清洗结果 95 经检测的SMA板显示残留物被完全去除 其余的5 SMA上的部分残留物在调整原有的清