支雪峰

(蘇州華旃航天電器工程技術(shù)二部 )

1 引言

通常電纜組裝件在焊接后，其焊接部位總是存在不同程度的助焊劑的殘留物及其他類(lèi)型的污染物，如殘留的手跡和飛塵等，即使使用固含量低的免清洗助焊劑，仍會(huì)有或多或少的殘留物。因此，清洗對(duì)保證電子產(chǎn)品的可靠性有著極其重要的作用。污染物主要來(lái)源于助焊劑中包括松香在內(nèi)的多種化學(xué)成分。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，電裝工廠(chǎng)都希望能找出焊接性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的焊料及助焊劑產(chǎn)品。助焊劑作為焊料的輔料 ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% ～ 20%)，不僅可以提供優(yōu)良的助焊性能，而且還直接影響焊料儲(chǔ)存壽命。因此，助焊劑的品質(zhì)直接影響電纜組裝件焊接工序的整個(gè)工藝過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量。在目前生產(chǎn)中使用的助焊劑，根據(jù)其后繼清洗工藝分為溶劑清洗型、水清洗型和免清洗型 3 種，其中溶劑清洗型包括 CFC(氟氯烴)清洗型及非 CFC 溶劑清洗型。

2 清洗原理

2.1 污染物的種類(lèi)

1)極性污染物。極性污染物(或稱(chēng)離子型污染物)是指在一定條件下可以電離的一類(lèi)物質(zhì)，如助焊劑、焊膏中活性劑，包括鹵化物、酸及其鹽，它們是引起電遷移的主要原因。電遷移可在導(dǎo)體之間(如焊好的引腳之間)形成樹(shù)枝狀金屬物質(zhì)，引起導(dǎo)體之間的絕緣電阻下降，甚至發(fā)生短路。電遷移可用表面絕緣電阻(SIR)是否下降來(lái)判斷，SIR值越大(無(wú)電遷移)，部件越清潔。另外，在潮濕環(huán)境下，具有酸性的極性污染物還可以直接腐蝕銅引線(xiàn)、焊點(diǎn)及元器件，導(dǎo)致電氣失效。例如，焊料中的鉛(Pb)氧化后與助焊劑中的鹽酸(HCL)結(jié)合，形成氯化鉛(PbCL2)；如果氯化鉛在清洗期間未被除去，它將與空氣中的水汽(H2O)和二氧化碳(CO2)反應(yīng)，形成碳酸鉛(PbCO3)，又重新生成鹽酸。如此反復(fù)循環(huán)，一直繼續(xù)到焊料中的鉛消耗完為止。反應(yīng)過(guò)程如下：

Pb + 1/2 O2= PbO

PbO + 2HCL = PbCL2+ H2O

PbCL2+ H2O +CO2=PbCO3+2HCL

鹽酸還會(huì)腐蝕存在的銅，形成氧化銅，即

CuO +2HCL =CuCL2+ H2O

2)非極性污染物。非極性污染物(或稱(chēng)非離子型污染物)主要指助焊劑以及焊膏中殘 留的有機(jī)物，焊接工藝過(guò)程中夾帶的膠帶殘留物以及操作人員的膚油等，這些污染物自身發(fā)粘，吸附灰塵。有時(shí)覆蓋在焊點(diǎn)之上的松香或樹(shù)脂殘?jiān)€有礙測(cè)試，特別是非極性污染在極性污染物的配合下，還會(huì)加劇污染的后果。這是因?yàn)樗上愠煞种泻卸喾N酸，如松香酸(abiebicacid)和海松酸(pimaric acid)。

3)粒狀污染物。粒狀污染物通常是指工作環(huán)境中的灰塵、棉絨、煙霧等在 焊接部位上留下的塵埃，以及焊接時(shí)出現(xiàn)的焊球。它們也能降低電氣性能，對(duì)電子組裝產(chǎn)品造成危害。塵?？梢圆捎脵C(jī)械方式，如噴吹或超聲波清洗來(lái)去除。

2.2 清洗原理

同其他污染一樣，污染物也主要是依靠物理鍵結(jié)合與化學(xué)鍵結(jié)合產(chǎn)生。所謂“物理鍵”結(jié)合，是指污染物與焊點(diǎn)表面之間以分子間力相結(jié)合。通常物理鍵鍵能相對(duì)較低，一般在 0.8×103～2.1×104J/mol之間。所謂“化學(xué)鍵”結(jié)合，是指污染物與焊點(diǎn)表面之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、形成原子之間的結(jié)合，生成離子化合物或共價(jià)化合物，如松香酸與金屬形成的松香酸鹽等?；瘜W(xué)鍵的鍵能較強(qiáng)，在(4.2～8.4)×105J/mol之間。清洗的原理在于破壞污染物與焊點(diǎn)表面之間的物理鍵或化學(xué)鍵的結(jié)合力，從而達(dá)到分離污染物的目的。

去除污染物時(shí)，除浮塵可以采用高壓氣體噴吹的方法之外，附著力強(qiáng)、難以去除的污染物普遍采用液態(tài)清洗方法，其原理是通過(guò)污染物和溶劑之間的溶解或化學(xué)反應(yīng)將污染物從 焊點(diǎn)表面上去除。采用溶解方式時(shí)，選擇溶劑要采用極性相似的原則，即非極性污染物用非極 性溶劑清洗，極性污染物用極性溶劑進(jìn)行清洗，因此清洗劑往往用多種溶劑復(fù)合。也可以采用化學(xué)反應(yīng)方法清洗，比較典型的是皂化反應(yīng)，即采用表面活性劑和水一起與松香殘留物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶于水的脂肪酸鹽。

3 清洗類(lèi)型

3.1 溶劑清洗

溶劑清洗是最早采用的方法之一。它主要是利用溶劑的溶解力除去污染物，通書(shū)輔助超 聲波、噴淋以及溫度的作用增強(qiáng)去污能力。采用溶劑清洗，由于其揮發(fā)快，溶解能力強(qiáng)，故對(duì)設(shè)備要求簡(jiǎn)單。早期使用的溶劑是氯氟烴化三氯三氟乙烷(簡(jiǎn)稱(chēng) CFC-113)，具有脫脂效率高、對(duì)助焊劑殘?jiān)芙饬?qiáng)、易揮發(fā)、無(wú)毒、不燃不爆、對(duì)電子元器件和 PCB 無(wú)腐蝕以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的溶劑。但它對(duì)大氣臭氧層有破壞作用，嚴(yán)重危害人類(lèi)的生存環(huán)境，因此這種清洗劑將被淘汰。替代的有機(jī)清洗溶劑可分為可燃性清洗劑和不可燃性清洗劑，前者主要包括有機(jī)烴類(lèi)和醇類(lèi)(如有機(jī)烴類(lèi)、醇類(lèi)、二醇酯類(lèi)等)，后者主要包括氯代烴類(lèi)(二氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯等)和氟代烴類(lèi)(如 HCFC 和 HFC 類(lèi))等。使用這些溶劑進(jìn)行清洗不需要水，清洗、漂洗乃至蒸汽干燥，都使用溶劑，因而不需要純水制備和廢水處理。 可燃性溶劑的揮發(fā)性大，閃點(diǎn)低，使用時(shí)必須對(duì)清洗設(shè)備及其輔助設(shè)備采用防爆措施； HCFC(含氫的氟氯烴)溶劑仍屬破壞臭氧層物質(zhì)，已規(guī)定在 2020 年全面淘汰。氯代烴類(lèi)溶劑如三氯乙烯等毒性大，而且有制癌作用，應(yīng)對(duì)其加強(qiáng)管理。

3.2 水清洗型

水清洗型助焊劑中含有有機(jī)鹵化物、有機(jī)酸(OA)、胺和氨類(lèi)化合物，這些物質(zhì)在焊后還具有一定腐蝕性，特別是鹵素化合物，對(duì)基板影響很大，需要通過(guò)清洗減少腐蝕性。這些有機(jī)物通常可溶于水，所以常用去離子水配上一定量的添加劑作為清洗劑。水清洗型助焊劑是指焊后用皂化水和去離子水清洗，主要是利用去離子水和水中溶解的活性劑、分 散劑、PH緩沖劑、絡(luò)合劑等通過(guò)皂化反應(yīng)去除印刷電路板上的雜質(zhì)。水清洗型助焊劑在焊接生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，但是 由于生產(chǎn)成本較高、焊接過(guò)程工序多而受到限制，特別是焊接生產(chǎn)中有廢水產(chǎn)生，既提高了生產(chǎn)成本也引起環(huán)境污染，所以此類(lèi)型的助焊劑未能完全替代 CFC溶劑清洗型助焊劑。

3.3 免清洗型助焊劑

免清洗助焊劑應(yīng)滿(mǎn)足以下要求[18-19]：1) 潤(rùn)濕率 或鋪展面積大；2) 焊后無(wú)殘留物；3) 焊后板面干燥，不粘板面；4) 有足夠高的表面絕緣電阻；5) 常溫下化學(xué)性能穩(wěn)定，焊后無(wú)腐蝕；6) 離子殘留應(yīng)滿(mǎn)足免清洗要求；7) 具有在線(xiàn)測(cè)試能力；8) 不形成焊球，不橋連；9) 無(wú)毒，無(wú)嚴(yán)重氣味，無(wú)環(huán)境污染，操作安全；10) 可焊性好，操作簡(jiǎn)單易行；11) 能夠用發(fā)泡和噴 霧方式均勻涂覆。

4 助焊劑清洗應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我公司主要應(yīng)用醇類(lèi)清洗劑(如有乙醇、異丙醇等)、MCC-SPR助焊劑清洗劑和超聲波清洗。下圖1-4分別是焊接清洗前、SPR清洗劑清洗后、異丙醇清洗后、超聲波清洗后的焊點(diǎn)對(duì)比照片。

圖1 焊接清洗前

圖2 SPR焊接清洗后

圖3 異丙醇焊接清洗后

圖4 超聲波焊點(diǎn)清洗

通過(guò)對(duì)比清洗前后的焊點(diǎn)照片，明顯可以看出以上三種清洗手段均有明顯去除助焊劑殘留的效果。

5 優(yōu)缺點(diǎn)

MCC-SPR清洗：效率高，清潔效果好，特別針對(duì)免清洗助焊劑，水溶性助焊劑，焊膏；滿(mǎn)足高密度PCB板，BGA器件，CSP器件清洗要求；適用于光纜、連接器，射頻端子等精密接插件清洗；無(wú)腐蝕性，與大多數(shù)器件，塑料相容；導(dǎo)電安全，不可燃，具有清香氣味；快速干燥，無(wú)殘留。但成本相對(duì)較高，安全濃度為100ppm，使用時(shí)需適當(dāng)防護(hù)，必須通風(fēng)及戴口罩。

異丙醇清洗：異丙醇成本低廉，用途廣泛，對(duì)親油性物質(zhì)的溶解力很強(qiáng)，易揮發(fā)；但靜電刷蘸取異丙醇清洗焊點(diǎn)，效率相對(duì)較低；且異丙醇屬于易燃液體，儲(chǔ)存相對(duì)有危險(xiǎn)；異丙醇有毒性，使用時(shí)需避免直接接觸皮膚、眼睛等敏感部位。

超聲波清洗：可以一次清洗多個(gè)焊點(diǎn)，效率高，清潔度高，清洗速度快；不需要人手接觸清洗劑，安全可靠；對(duì)縫隙，凹凸面、深孔亦可清洗干凈，對(duì)工件表面無(wú)損傷。

由于超聲波清洗所具有的獨(dú)特功能和效率, 現(xiàn) 已廣泛應(yīng)用于電子行業(yè) 。對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性起到了相當(dāng)關(guān)鍵的作用 。目前, 超聲波清洗工藝的新設(shè)計(jì), 已開(kāi)始采用自動(dòng)化的程序控制。各方面的綜合改進(jìn)工作, 不僅大大節(jié)省了勞動(dòng)的消耗, 也改善了對(duì)工作環(huán)境的污染。超聲波清洗越來(lái)越顯示出其不可替代的優(yōu)越性。