解析电子元器件微组装清洗技术及清洁度评价方法

HelloEE · 发表于 2019-12-11 11:00

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本帖最后由 HelloEE 于 2019-12-11 10:59 编辑

为保证电子元器件在恶劣环境（潮湿、高温、盐雾及粉尘等）下也能够长期稳定的工作，行业内通常会对组装后的电子元器件进行涂覆处理，来增加整机产品的使用可靠性。涂覆方式通常是将与被涂物体外形保持一致的绝缘保护层涂覆到PCBA上，使PCBA在工艺和贮存期间能抵御恶劣环境对产品的影响，从而达到防潮热、防盐雾、防霉菌的“三防”防护能力，同时还可提高产品的机械强度及绝缘特性。若产品表面存在污染物残留，将会导致涂覆失效，因此在涂覆之前，通常会进行清洗。

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1 PCBA污染物及其危害

PCBA上的污染物一般是是指前序工序的残留物和焊接时残留物的总和，主要有助焊剂、焊膏、粘合剂、硅脂、油污、汗迹、纤维、离子、微粒及氧化物等，会对产品发生电迁移、枝晶生长、腐蚀、短路等失效现象，对产品带来极大的可靠性隐患。根据残留物的种类，大体可以分为三类：

离子型和非离子型水溶性污染物；
非水溶性污染物；
不溶性固体微粒。

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离子型水溶性污染物会使电路板的信号发生变化，出现电迁移、腐蚀及涂覆层的附着力下降的情况，尤其是吸湿性和腐蚀性很强的氯离子污染，会使焊点周围聚积出白色、绿色的腐蚀粉末，轻则会因焊接面积减小而使强度降低，产生可靠性隐患，重则会直接导致焊点腐蚀断裂，发生断路现象。

涂覆层脱落（来自网络）

非离子型水溶性污染物（如水溶性助焊剂聚乙二醇）会使电路板的润湿性和涂覆层的附着力下降，造成电迁移和腐蚀等现象。

涂覆层下的电化学迁移（来自网络）

非水溶性污染物，如松香、合成树脂、助焊剂、油脂、指纹印、脱膜剂等，会对电路板表面的润湿特性、粘结性和涂覆层产生不利的影响，还会使阻焊剂、三防漆、灌封料的附着力及外观变差。

固体微粒污染，主要是指聚合物、灰尘、氧化物等残留在电子元件的表面，使涂覆层的结合力和外观变差，降低焊接强度。

另外，集成电路在加工制造过程中也会产生各种残留物，如引线键合中的尾部材料、焊接过程中的焊料颗粒、划片产生的硅碎片、导电胶残留、金属屑及毛发纤维、硅片表面的残留颗粒、有机物等。这些残留物与电路板表面的污染物也很类似，也可分成上述三类。

2清洗工艺的方法

清洗主要以湿法和干法两种方式，而湿法清洗是目前的主流清洗方式，它是利用溶剂表面活性剂和去离子水，通过溶解化学反应转入溶液和冲洗等方式去除产品表面的污染残留物。

手工擦洗法，是最基础也是最简单的一种方法，通常用毛刷或浸有丙酮、甲苯及乙醇等有机溶剂的棉签在PCBA表面进行擦拭处理残留物。但该清洗方法一致性较差，效果也不是十分理想，有可能还会引入新的污染物，甚至损伤产品，只适用于一般可靠性要求较低的PCBA返修，或小作坊加工生产。

溶液浸泡法，就是将要清洗的产品放入介质溶液中浸泡来达到清除表面焊剂残留物的一种常规方法，按照清洗介质又可以分为水清洗、半水清洗及溶剂清洗三种方式。

水清洗方式，是使用去离子水或添加少量的表面活性剂、洗涤助剂等化学物质的去离子水进行初洗和漂洗的一种清洗操作过程。水清洗工艺的主要参数是清洗时间、温度、压力、漂洗次数、清洗剂浓度等方面，有资料研究表明水清洗工艺参数的清洗时间为6min~10min、温度为45℃~50℃、漂洗次数为5次~7次、清洗剂浓度13%左右、去离子水的电阻率不低于1MΩ·cm及质量含量不低于50%时，便可以得到很好的清洗效果。

漂洗次数对比（来自参考文献1）

漂洗温度对比（来自参考文献1）

漂洗时间对比（来自参考文献1）

半水清洗方式，是先采用各种乳化液（极性有机溶剂、非极性有机溶剂或两种的混合有机溶剂）对组件进行清洗，然后再用去离子水漂洗的一种清洗操作过程。半水清洗工艺的参数与水清洗工艺类似，均需要反复试验验证才能固化，以此达到最佳清洗效果。另外半水清洗完成后，产品上会有很多残留的去离子水，室温下难以挥发，因此可以增加一些工序如采用高温60℃~80℃，烘烤30min，或是放入无水乙醇中2min。

标准水清洗篮架中产品的摆放（来自参考文献2）

半水清洗后的产品外观（来自参考文献2）

溶剂清洗方式，是使用有机溶剂进行初洗和漂洗的一种清洗操作过程。是用极性小的憎水性有机溶剂加入一定量极性大的亲水溶剂组成的共沸物或混合物，在较低的温度下对各种有机污染物进行溶解。早期常用的是三氯三氟乙烷或含氟系列的溶剂用作清洗剂，后来发现该类清洗剂会污染环境，故用异丙醇、非线性结构醇、异辛烷恒沸物等不同溶剂的混合物来替代清洗。该方法对松香和合成活性类助焊剂等有较好的溶解清洗效果，优点是电绝缘性好，介电常数低，沸点低、挥发性好，不过缺点也很明显，成本高、安全性较差、清洗流程较长。

超声波清洗法，是由于超声波能够引起质点振动，质点振动的加速度与超声频率的平方成正比，所以强超声波在液体中传播时，由于非线性作用，会产生空化作用。在短时间内产生无数空化气泡并迅速爆破发出的冲击波对污染物反复冲击，从而破坏污染物与清洗件表面的吸附，引起污染物的破坏而脱离清洗件表面分散到清洗液中。随着超声波的频率越低，空化效果越好，也更容易清洗组件表面的残留物。虽然超声波清洗法具有其他清洗方法不可比拟的优势，但缺点也很明显，会对焊点产生疲劳应力，从而损伤产品。而且，超声波清洗在航天领域是禁用工艺。所以，行业内通常会把PCBA放在不同超声波频率下先进行摸底试验，找到超声波频率与清洗效果的最佳状态。常用的超声波清洗频率为20KHz~90KHz。

等离子清洗法，等离子体是除固态、气态、液态以外的第四种物质状态，由离子、电子、自由基和其它中性物质组成，属于干法清洗。当低气压气体遭受到射频的高能输入时，气体通过与高能电子的碰撞而发生电离，然后产生等离子体，可以有效去除元器件表面的残余光刻胶痕迹，焊盘上的树脂残留物，改善有机涂涂覆、粘接剂或焊锡的润湿性和附着力，但对于无机物的去除效果较差，也不适用于大批量的清洗工作。

气相清洗法，属于干法清洗，是通过加热槽内的清洗剂沸腾成为蒸汽上升形成气相区，然后把组件放置在气相区内。由于温度差的作用，蒸汽冷凝在组件表面，溶解并带下组件表面的污染物，回到加热槽，气相清洗液再次通过加热变成蒸汽上升与组件进行接触，从而进行循环清洗。该方法在循环时，蒸汽本身不存在不可汽化的污染物，不会让油脂、小颗粒等污染物离开加热槽，从而保证了清洗质量，目前广泛应用于微波组件的内部多余物控制及去除裸芯片的表面污染物等领域。

气相清洗芯片形貌前后对比（来自参考文献3）

激光清洗法，属于干法清洗，是利用激光器所产生的光脉冲特性，基于高强度的光束、短脉冲激光机污染层之间的相互作用所导致的光物理反应。为了保证基底材料的安全，通常需要调整激光参数，使光脉冲的能量密度严格处于两个阈值之间（高于第一阈值可以有效清除残留物，低于第二阈值可以使基底材料不被损坏）。这种方法属于无接触式清洗，相比传统清洗方法不会产生机械应力，可以在不损伤材料表面的情况下有选择性地清洗材料表面的污染物（亚微米级的污染颗粒），同时不需要任何化学试剂和清洗液，清洗后的废料都是固体粉末，体积小，可回收，可以较轻易解决化学清洗带来的环境污染问题。

冰粒清洗法，属于干法清洗，是利用微小冰粒喷射到清洗表面，运用冷却效应对，对表面采用瞬间降温使表面的残留物在极短的时间内硬化收缩，由于残留物与清洗表面的收缩率存在差异，而易于剥离，将随着冰粒碰撞、破裂而一并去除。该方法可以清除1μm以下的残留物，而且冰粒可以达到超微细程度，一些在狭小缝隙的残留物也可以轻易清除。另外，也可以根据残留物的性质及附着牢固度，选择适当的参数（冰粒大小、硬度、喷射压力、喷射角度），较适用于洁净度要求极高的半导体化学气相沉积膜（CVD膜）的超净清洗。

免清洗法，关于免清洗，首先要区分“免清洗”和“不清洗”是两个不同的概念。所谓不清洗，是指采用传统的松香助焊剂（RMA）或有机酸助焊剂，焊接后虽然有一定的残留物，但不清洗也能满足某些产品的质量要求。而免清洗是指采用免清洗焊膏和免清洗助焊剂替代传统的松香型焊膏和助焊剂，同时还包括了手工焊接及返修中特殊焊料和助焊剂的应用。在惰性环境下焊接后，残留物极小、无腐蚀、具有极高的表面绝缘电阻（SIR），一般情况下不需要清洗既能达到离子洁净度的标准（美军标MIL-P-228809），可直接进入涂覆。免清洗技术的实施，可避免清洗应力对焊接组件的损伤，有利于提高产品质量。

3清洗方式的选择原则

GJB5807-2006《军用印制板装件焊后清洗要求》中4.2条明确指出清洗方式的选择原则：

（1）采用含树脂型助焊剂或松香基助焊剂的焊膏进行回流焊方式焊接的组装件，应选用半水清洗、溶剂清洗或水清洗；采用含水溶性助焊剂进行回流焊方式焊接的组装件，应选用水清洗；

（2）采用树脂型助焊剂进行波峰焊接的组装件，应选用半水清洗、溶剂清洗或水清洗；采用合成型活性助焊剂进行波峰焊接的组装件，应选用半水清洗或溶剂清洗；采用水溶性助焊剂进行波峰焊剂的组装件，应采用水清洗；

（3）采用含树脂型助焊剂或松香基芯状助焊剂的焊锡丝进行手工焊接的组装件，应选用半水清洗，溶剂清洗或水清洗。

4清洁度检测方法及验收要求

（1）目视检查

放大5倍对清洗后的组装件进行检查。组装件的清洁度应符合下列要求（GJB5807-2006）：

一级电子产品，表面允许有少量不影响外观的残留物存在，且残留物应不覆盖测试点；

二级电子产品，表面应无明显残留物存在，且残留物应不影响焊点目视检查，并不覆盖测试点；

三级电子产品，表面应无残留物存在。

（2）表面离子残留物测试

对清洗后的组装件进行离子污染检测，通过用萃取液清洗试样表面并测量收集液的电阻率，计算出表示印制板污染程度的单位面积上的氯化钠含量。离子污染物的特点为可溶于水，离子污染测试通过将待测线路板浸入测试槽体内，通过槽体内的萃取溶液（75%体积的异丙醇+25%体积的蒸馏水）萃取电路板上残留离子，然后通过传感器测量溶液的电导率，以溶液的电导率为判断依据，转换为一个单位表面积上的氯化钠当量，最后得出清洁度值。组装件的清洁度应符合下列要求（GJB5807-2006）：

一级电子产品，离子残留物应不大于10.0μg（NaCl）/cm2；

二级电子产品，离子残留物应不大于5.0μg（NaCl）/cm2；

三级电子产品，离子残留物应不大于1.56μg（NaCl）/cm2。

其它标准清洁度值要求如下表所示：