新型汽相清洗剂
去除现代PCB上难以去除的无铅和免清洗焊剂
作者：MicroCare公司：Venesia Hurtubise，Elizabeth Norwood，Wells Cunningham
关键词：
清洗溶剂；汽相清洗；焊剂残留物；视觉检测；SIR评价
引言
电路板制造业从一开始就是用脏乱来形容。电路板被涂上一层厚厚的焊剂，主要是发泡助焊剂，它会覆盖整个电路板的底面。除了低效和视觉凌乱，过多的焊剂也会导致电路板上发生电化学迁移，引起电子产品在使用过程中的意外故障。图1给出了两根印制线之间枝晶生长的实例。这种迁移会由于温度或湿度的变化而发生。一旦枝晶连通两根引线，电路就会短路，并导致整个系统故障。勿庸置疑，快速清洗已成为组装生产过程中的重要工艺。
电子清洗工艺在开始时，溶剂清洗占主导地位，因为其易用、快速清洗和干燥、无斑点等。
20世纪80年代最常见的电子清洁剂是CFC-113（俗称氟利昂 113）。电子工业使用了大约70%的氟利昂113的使用量，1986年电子制造大约使用了9400万磅氟利昂113。20世纪80年代是个人电子设备的爆炸期，包括个人电脑、视频游戏机、个人音乐播放器和其他无数的电路板组装产品。电路板生产量的增加导致了清洗溶剂使用量的激增，进而增大了溶剂排放量。不久以后，就出现了溶剂排放量增加和我们臭氧层减少的问题。1988年，美国批准关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书，强制清洗行业停止生产CFCs。1990年清洁空气法修正案也提出了要减少消耗臭氧层物质，这进一步制约了清洗工业。电子制造商暂时没有了可选择的清洗方案。幸运的是，焊剂制造商开发了免清洗和低残留物焊剂。以前大量使用焊剂的制造商发现，使用更先进的焊接技术，如汽相回流焊接技术，可减少焊剂的使用量和产生更少的残留。到1989年，电子清洗就成为一个稀奇的事物，只有高可靠性电路板才清洗。生产高吞吐量和短生命同期电路板的大多数制造商，如玩具和廉价电子产品制造商，都停止了清洗工艺。即使需要清洗的电路板也都转换为醇、皂化剂和水清洗。尽管有CFC替代品如正丙基溴和氢氟烃，直到最近，电子行业都仍继续远离溶剂清洗。
在过去的十年里，电子产品不断向小型化方向发展，迫使电路板组装密度越来越高。这种小型化导致了即使是轻微的电迁移现象发生，也都可能引起桥接，导致故障。图2给出了基板上低托脚集成电路的一个实例。正如你所看到的，器件和基板之间的距离只有0.002英寸，几个焊球支持着器件。要从器件下方去除任何碎物、焊剂或残留物，需要清洗液的表面张力非常低。这也是可以理解的，甚至轻微的枝晶生长或碎片都会影响这样一个复杂的电路。
虽然免清洗助焊剂配方的目的是在电路板上留下最少的残留物，但是这些残留物仍然会吸潮，影响敷形涂覆的均匀性，或干脆留下不可接受的视觉结果。进一步的规范限制是要求电子产品制造商减少使用含铅焊料，或使用无铅焊料，这就相应地要求焊料和焊剂制造商提供高熔点金属。高温焊接往往留下烧焦的焊剂残留物，它们更加难以清洗。虽然在过去的十年中水清洗一直是卓越的清洗工艺，但是这些新的焊接残留物，揭示了水清洗的许多局限性。不断改进的表面活性剂配方，有助去除这些困难的残留物，但是，当涉及漂洗复杂元件体的下方时，水的高表面张力仍然是一个问题。即使混合液的表面张力低，能够对低托脚器件体下进行清洗，用去离子水穿透相同区域，去除驻留的表面活性剂也是不太可能的。改善清洗工艺的其他因素包括工作温度、化学品浓度、漂洗周期、水纯度和喷淋/清洗机理。由于有各种不同的元件，许多清洗方案都达不到理想的清洗效果。考虑溶剂清洗的电子产品制造商也遇到了问题。对于许多的氢氟烃溶剂，由于缺乏极性，离子去除是一项艰巨任务。然而，即将问世的新溶剂和共溶剂配方，已被证明能够去除离子污染并切断烧焦的残留物。最重要的是，这些先进的溶剂配方为溶剂清洗提供了新的好处，而无需新设备。这些溶剂配方，无论共溶剂或单溶剂，操作方式相同，目前氢氟烃溶剂都是两个汽相清洗槽。正在使用汽相清洗工艺，但在寻找新的溶剂以提高清洗效果的制造商，现在可以实现愿望了，而且无需额外投资设备。
汽相清洗
汽相清洗的初始概念仅是汽相清洗。汽相清洗设备有一个主槽，加热溶剂以形成溶剂蒸汽层。将室温组件放置到这一蒸汽层中，溶剂蒸汽会冷凝在组件表面，溶解油和碎杂物，当溶剂滴落离开组件时，冲洗掉污物。这种清洗工艺的主要优点之一是，清洗的组件只在蒸汽区接触过纯净、清洁的溶剂。此外，随着清洗的组件被加热到蒸汽溶剂的温度，液体将停止冷凝，可以从蒸汽覆盖层中慢慢移出组件，让所有剩余的溶剂蒸发，留下干燥、无斑的组件。
改进的先进汽相清洗机除了汽相清洗还可以液体浸渍。这进一步提高了溶剂渗透到复杂的几何形状、溶解困难污物的能力。许多先进的设备都配备了两个清洗浸渍槽：“沸腾槽”，配有加热元件以产生蒸汽区；“漂洗槽”，收集清洁的蒸馏液。从本质上讲，这些设备的功能是：液体在沸腾槽沸腾，在蒸汽区冷凝，然后在漂洗槽收集纯溶剂。这意味着，在清洗过程中即使有污染物被引入到设备中，清洗溶剂也会被连续地蒸馏到漂洗槽，使污染物保持被困在沸腾槽。先进设备也受益于改进的冷式阻逆凝气装置，它限制溶剂的排放，改善蒸馏过程。图3是一个先进的有两套冷却盘管的两槽汽相清洗机设计示意图。超高的冷却线圈有助于减小环境湿度，否则会导致溶剂的扩散损失。主冷凝冷却线圈作为溶剂蒸汽的边界。一旦热蒸汽到达第一组冷却盘管，它们凝结并滴入水分离器和漂洗槽。移动组件进出设备会破坏这一蒸汽覆盖层；超高的冷却线圈也防止了由于蒸汽扰动出现的损失。
汽相清洗工艺通常仅需要几分钟就能完成。虽然周期时间根据组件的几何形状和污物的困难程度而变化，大多数清洗周期不超过15分钟，彻底清洗和干燥组件。清洗电路板可以在一个或多个浸渍槽中进行，取决于焊剂残留物的清洗困难程度。RMA和松香基助焊剂，通常在汽相区和漂洗槽中清洗即可。难清洗免清洗和高熔点焊剂可能需要在沸腾槽和漂洗槽中浸渍。在清洗过程中沸腾槽非常重要，因为热溶剂可以提供更好的溶解性能。此外，随着焊剂残留物开始在沸腾槽中的积聚，溶解的残留物实际上有助于溶解度；在清洗行业，它是众所周知的“相似相溶”。有些电子制造商表示，担忧浸渍电路到“脏”的沸腾池，会引起二次污染或由固体颗粒引起的破坏，如焊球。然而，沸腾槽后跟随漂洗槽的漂洗，二次污染是可以避免的，焊料球仍然可以通过辅助机构或过滤沸腾槽液体控制，这在大多数汽相清洗设备中是常见的。一旦基板经沸腾槽清洗和漂洗槽漂洗，蒸汽区将通过干净的馏分去除任何剩余的颗粒或残留物，并随着基板从设备中移出，即时干燥。
拥有成本
虽然清洗对电子工业来说是非常重要的，但是它仍然是整个制造过程中的一个方面，所以清洗成本在整体制造成本中需要保持合理的水平。幸运的是，汽相清洗工艺的每次清洗成本都非常低，可与水清洗相媲美或低于水清洗。当对溶剂汽相清洗与水清洗系统进行比较时，还需要考虑很多因素，包括设备投资、设备占地面积、功率、清洗时间、清洗剂/溶剂供给和废物处理。换句话说，一个汽相清洗和水清洗设备每个周期都清洗相同数量的组件，将有不同的总体成本，即清洗每个组件的不同成本。水清洗系统通常有较大的占地面积、大功率要求和更长的清洗周期，因为需要数个清洗和漂洗工作站、加温和机械喷淋和清洗。虽然汽相清洗所需的时间短，整体维护少，但是清洗溶剂通常比水清洗剂要昂贵的多；正确维护设备可保留溶剂，蒸馏过程保持溶剂纯净可连续使用。表1比较了使用同样尺寸的篮具和清洗相同组件数量的水清洗系统和汽相清洗系统的成本和维护差异。正如预期的那样，水清洗系统的许多维护和操作要求远大于汽相清洗系统。而溶剂成本是水清洗剂的三倍以上。当然除了汽相清洗和水清洗外，还有其他的成本更低的清洗工艺，如水或溶剂的手工清洗，这些工艺往往会危及清洗效果。当比较清洗工艺时，要记住最重要的因素是结果，如果它起不到清洗作用，再便宜的工艺也没用。在大多数行业，清洗成本都低于产品故障的代价。