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PCBA清洗真的不重要么?

PCBA清洗真的不重要么?

2020-09-30

1 引言

电子产品是由各种电子元器件组装在印制板上,进而组合成整机。最基本的组装过程是印制电路板组件(简称PCBA)组装(也称电装),PCBA组装中软钎焊(即锡焊)过程是影响电气性能和可靠性的重要环节。根据中国赛宝实验室可靠性研究分析中心提供的PCBA电装品质问题分析统计,腐蚀、电迁移引起的短路、断路等后期使用失效问题占4%,是产品可靠性的几大杀手之一过去人们对于清洗的认识还不够,主要是因为电子产品的PCBA组装密度不高,认为助焊剂残留是不导电的、良性的,不会影响到电气性能。现如今的电子组装件设计趋于小型化,更小的器件,更小的间距,引脚和焊盘都越来越靠近,存在的缝隙越来越小,污染物可能会卡在缝隙里,这就意味着比较小的微粒如果残留在两个焊盘之间有可能引起短路的潜在不良。近两年来的电子组装业对于清洗的要求呼声越来越高,不但是对产品的要求,而且对环境的保护和人类的健康也较高要求,由此催生了许许多多的清洗设备供应商和方案供应商,清洗也成为电子组装行业的技术交流研讨的主要内容之一。
2 清洗的现状

2.1 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:(1)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;(2)PCBA在生产制造过程中,需使用锡膏、焊料、焊锡丝等来进行焊接,其中的助焊剂在焊接过程中会产生残留物于PCBA板面形成污染,是主要的污染物;(3)手工焊接过程中会产生的手印记,波峰焊焊接过程会产生一些波峰焊爪脚印记和焊接托盘(治具)印记,其PCBA表面也可能存在不同程度的其它类型的污染物,如堵孔胶,高温胶带的残留胶,手迹和飞尘等;(4)工作场地的尘埃,水及溶剂的蒸气、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。以上说明污染物主要来源于组装工艺过程,特别是焊接工艺过程。在焊接过程中,由于金属在加热的情况下会产生一薄层氧化膜,这将阻碍焊锡的浸润,影响焊接点合金的形成,容易出现虚焊、假焊现象。助焊剂具有脱氧的功能,它可以去掉焊盘和元器件的氧化膜,保证焊接过程顺利进行。所以,在焊接过程中需要助焊剂,助焊剂在焊接过程中对于良好焊点的形成,足够的镀通孔填充率起着至关重要的作用。焊接中助焊剂的作用是清除PCB板焊接表面上的氧化物使金属表面达到必要的清洁度,破坏融锡表面张力,防止焊接时焊料和焊接表面再度氧化、增加其扩散力,有助于热量传递到焊接区。助焊剂的主要成份是有机酸、树脂以及其他成分。高温和复杂的化学反应过程改变了助焊剂残留物的结构。残留物往往是多聚物、卤化物、同锡铅反应产生的金属盐,它们有较强的吸附性能,而溶解性极差,更难清洗。

2.2 污染的危害

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,因为两焊盘之间电势差的存在会造成电子的移动,就有可能形成短路,使产品失效;残留物会影响涂覆效果,会造成不能涂敷或涂覆不良的问题;也可能暂时发现不了,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。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,导致电气失效。如果PCBA上使用了含银的焊料,在银腐蚀成银离子后,电迁移更易发生,电迁移失效的PCBA在进行必要的清洗后功能常常恢复正常。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它接插件,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,造成电接触失效。

2.3 污染物分类

     PCBA上的污染物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PCB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。附着在PCB上的松香、树脂、残胶等属于物理键结合。所谓“化学键”结合,是指污染物与PCB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。对于PCBA的污染物,一般分为三大类型:(1)极性污染物(也叫无机污染物、离子性残留物、离子污染物)PCBA上的这种污染物是在一定条件下(放在溶液中时)可以电离为带正电或负电的离子的一类物质,如卤化物、酸及其盐。不同的离子污染物在不同的溶液中会以不同的速率分离为正负离子。在潮湿的环境中,当电子部件加电时,极性污染物的离子就会朝着带相反极性的导体迁移,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,增加焊点或导线间的漏电流,甚至发生短路。离子污染物主要有以下几种:FluxActivators 助焊剂活性剂Perspiration汗液IonicSurfactants离子表面活性剂Ethanolamines乙醇胺OrganicAcids有机酸Plating Chemistries电镀化学物质(2)非极性污染物(也叫有机污染物、非离子污染物)PCBA上的这种污染物本身不导电,在电路板上可能相当于一个电阻(绝缘体),可以阻止或减小电流的流通。最典型的是松香本身的树脂型残渣,波峰焊中的防氧化油,贴片机或插装机的油脂或蜡,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。这些有机残留物(如松香、油脂等)会形成绝缘膜,会防碍连接器、开关、继电器等的接触表面之间的电接触,这些影响会随环境条件的变化及时间延长加剧,引起接触电阻增大,造成接触不良甚至开路失效。有时松香覆盖在焊点上还有碍测试,特别是非极性污染物在极性污染物的配合下,还会加剧污染的程度。离子污染物主要有以下几种:Rosin松香Oils油Greases油脂HandLotion 洗手液Silicone硅树脂Adhesive胶(3)粒状污染物     粒状污染物通常是工作环境中的灰尘、烟雾,棉绒、玻璃纤维丝和静电粒子等在 PCB 上留下的尘埃、以及焊接时出现的焊球或锡珠锡渣。它们也能降低电气性能或造成电短路,对电子组装产品造成危害。粒状污染物可以采用机械方式如高压气体喷吹、人工剥离、清洗多种方式来去除。

2.4 清洗的必要性  

PCBA上的污染物最直观的影响是PCBA的外观,如果在高温潮湿的环境中放置或使用,有可能出现残留物吸湿发白现象。由于在组件中大量使用无引线芯片、微型BGA、芯片级封装(CSP)和0201元件,元件和电路板之间的距离不断缩小,板的尺寸变小,组装密度越来越大。事实上,如果卤化物藏在元件下面或者元件下面根本清洗不到的地方,进行局部清洗可能造成因卤化物释放而带来的灾难性后果。这还会引起枝晶生长,结果可能引起短路

3 结束语

一般电子产品PCBA的组装要经过SMT+THT工艺流程,其间要经过波峰焊焊接、回流焊焊接、手工焊接及其他焊接过程,不管是什么方式的焊接,组装(电装)工艺过程都是主要的组装污染来源。清洗就是一个焊接残留物的溶解去除过程,清洗的目的是通过保证良好表面电阻、防止漏电,从而在本质上延长产品寿命。低的表面电阻,腐蚀,导电的表面残留物在电路板表面会形成树枝状分布(树突),造成电路局部短路。