Методы отмывки флюса

Сравнительное исследование методов отмывки и эффективное удаление остатков флюса. Часть 1

В электронной промышленности для удаления водорастворимых остатков флюса широко используются процессы на основе чистой деионизованной воды. Однако последние разработки отрасли, а также пользовательский опыт показали, что эти водные процессы больше не обеспечивают требуемых уровней чистоты и не гарантируют долгосрочной надежности сборки.

ВВЕДЕНИЕ

Системам отмывки деионизованной (ДИ) водой становится все труднее удовлетворять требованиям по чистоте, связанным с растущей плотностью упаковки современных печатных конструкций, миниатюризацией компонентов и все более широким использованием низкопрофильных компонентов. Кроме того, значительно увеличилось использование бессвинцовых припоев, требующих более высокой температуры оплавления. Это приводит к увеличению количества сгоревшего флюса и остатков оксида олова, которые труднее удалять, поскольку они образуют не растворимые в воде загрязнения [1]. Сама по себе деионизованная вода неспособна растворять эти неорганические остатки на поверхности платы и под низкопрофильными компонентами [2—3].

На производительность системы отмывки влияют четыре основных фактора: тепловой, механический, чистящее средство, время отмывки или воздействия. Для любого конкретного процесса отмывки эти факторы оптимизируются для достижения желаемого результата. Если отмывка остатков водорастворимого флюса ведется ДИ-водой, возможными параметрами оптимизации остаются только механический и тепловой. Если выбирается отмывка с использованием химических реагентов, помимо оптимизации по механическим и тепловым параметрам применяются разные чистящие средства, в т.ч. разной концентрации и щелочности. Конструкция оборудования отмывки улучшилась, особенно форсунок и стоек. Также может быть полезным увеличение температуры отмывки. Однако увеличение температуры до 70°С и выше нагружает оборудование, а также значительно увеличивает расходы на электроэнергию.



Для растворения и удаления остатков флюса необходимо, чтобы чистящее средство вступило с ним в контакт. При очистке печатных плат со сложной геометрией и плотной упаковкой деионизованная вода с высоким поверхностным натяжением просто не в состоянии добраться до загрязнения независимо от конструкции оборудования отмывки и рабочих параметров. В то же время чистящие присадки, специально предназначенные для использования в оборудовании с распылением в воздухе, могут проникать в мелкие зазоры и капиллярные пространства, лучше растворяя, удаляя остатки и исключая риск электрохимической миграции или токи утечки [2].

В этой статье сравнивается эффективность отмывки низкопрофильных компонентов ДИ-водой и чистящим средством. Чистящее средство, выбранное для этого исследования и далее именуемое средством А, является щелочным; оно специально разработано для растворения остатков флюса при очень низких концентрациях и температурах отмывки. Оценки чистоты были выполнены с использованием визуального анализа путем измерения ионного загрязнения, а также ионной хроматографии. В эксперименте рассматривались исключительно низкопрофильные компоненты, у которых зазор между корпусом и платой составил менее 1 мила (0,001 дюйма, или 25,4 мкм), поскольку их трудно отмывать. Следует заметить, что визуальный анализ проводился после удаления всех компонентов с платы, чтобы можно было проанализировать ее поверхность под компонентами на наличие остатков.

Поскольку даже платы, прошедшие тестирование ионным загрязнением и ионно-хроматографический анализ, могут при эксплуатации выйти из строя, мы рассмотрели два примера, иллюстрирующих эти случаи.

ГИПОТЕЗЫ

Гипотеза 1: водорастворимые остатки флюса труднее полностью удалить из-под низкопрофильных компонентов (с просветом менее 25 мкм) одной лишь деионизованной водой.

Гипотеза 2: увеличение температуры отмывки низкопрофильных компонентов улучшает результаты как для деионизованной воды, так и для химических отмывочных растворов.

Гипотеза 3: средство А с малой концентрацией 3—5% может улучшить результаты отмывки и увеличить рабочий диапазон процесса.

МЕТОДИКА

Схема эксперимента включает анализ пяти показателей, выбранных авторами исследования, чтобы адекватно и комплексно оценить различия, преимущества и недостатки использования растворов средства А с малой концентрацией по сравнении с к ДИ-водой. Был выбран конвейерный процесс отмывки. Все платы были смонтированы и оплавлены с использованием пяти наиболее распространенных свинцовых и бессвинцовых паяльных паст.

ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

1. Эффективность отмывки

Оценить и сравнить эффективность отмывки средством А в концентрации 3 и 5% с ДИ-водой. Для испытаний была выбрана новая тестовая плата ZESTRON (см. рис. 1), на которой установлено много трудно отмываемых компонентов с малым просветом. Платы оплавлялись и отмывались на конвейере при различных температурах. Эффективность отмывки определялась в два этапа:

- осмотр поверхности платы, в т.ч. под всеми компонентами;

- измерение ионного загрязнения и ионно-хроматографический анализ при параметрах отмывки, показавших наилучшие результаты на этапе 1.

2. Совместимость материалов

Различные чувствительные металлы выдерживались в течение 15 мин и 24 ч в емкости со средством А и с ДИ-водой. Совместимость материалов определялась визуально.

3. Потребление энергии

Измерялась нагрузка (в киловатт-часах), необходимая для повышения температуры отмывочной ванны от комнатной до заданной, а также для поддержания заданной температуры отмывки. Испытания проводились для четырех значений температуры. Данные расхода электроэнергии были получены с помощью промышленного измерителя.

4. Использование деионизованной воды

Данные по количеству ДИ-воды, использованной в процессах отмывки как в чистой воде, так и с помощью химических средств, были предоставлены несколькими независимыми источниками. Анализ основывался на использовании замкнутого ДИ-водного оборудования с герметичными отмывочными резервуарами. На основе этих данных было проведено сравнение годовой стоимости.

5. Воздействие на окружающую среду

Существует множество показателей воздействия на окружающую среду. Одним из них является показатель количества летучих органических соединений. Его значение для средства А определялось независимой лабораторией и сравнивалось с отраслевыми нормами для специализированных отмывочных реагентов.

В дополнение к упомянутому анализу использовалась информация от двух компаний, оценивших отмывочные процессы с химическими средствами. В каждом случае использовался водорастворимый флюс, применялась отмывка ДИ-водой, после чего все же не обеспечивалась требуемая надежность изделий. Более того, было установлено, что проблемы с надежностью были вызваны остатками флюса на печатных платах. Поэтому в эксперименте оценивались и сравнивались результаты отмывки плат ДИ-водой и отмывки с использованием чистящего средством А.

ОСНОВНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Показатель эффективности 1: эффективность отмывки

Целью первой части исследования было определение эффективности отмывки деионизованной водой и сравнение с отмывкой средством А. Эффективность отмывки оценивалась в два этапа:

- тестовые платы были подготовлены и отмыты для визуального анализа поверхности и площади под всеми компонентами;

- тестовые платы были подготовлены, отмыты и оценивались с помощью ионного загрязнения и ионно-хроматографического анализа. Для первого этапа на 60 тестовых плат ZESTRON (см. рис. 1) были установлены (по четыре каждого типа) чип-конденсаторы 0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 1812, 1825, 6032 и транзисторы SOT-23, т.е. в общей сложности 36 компонентов на плату. Для второго этапа исследования 40 плат ZESTRON были полностью заполнены всеми компонентами. Все компоненты классифицируются как низкопрофильные с просветом менее 1 мил (25,4 мкм).



Новая тестовая плата ZESTRON была специально разработана для тестирования сложных ситуаций отмывки.

Для этого исследования были выбраны 10 наиболее часто используемых свинцовых и бессвинцовых паяльных паст на основе предыдущих сравнительных исследований отмывки ДИ-водой и реагентами в малой концентрации. Свинцовые пасты были обозначены литерами А, В, С, D и Е, а бессвинцовые — литерами F, G, Н, I, J. Пасты оплавлялись в соответствии с профилями из таблиц 1 и 2.

ВИЗУАЛЬНАЯ ИНСПЕКЦИЯ

После оплавления проводились испытания отмывки этапа 1. Были отмыты 60 плат из 100: 30 из них — деионизованной водой и 30 — средством А. Испытания проводились в конвейерной установке отмывки с четырьмя стойками разбрызгивателей с V-форсунками. Параметры процесса отмывки приведены в таблице 3. После окончания отмывки проводился осмотр поверхности платы и площади под всеми компонентами в соответствии с IPC-A-610, Rev Е-2010 [4].

АНАЛИЗ: ВИЗУАЛЬНАЯ ИНСПЕКЦИЯ

НА ЭТАПЕ 1

Анализ отмывки проводился по одному показателю: полностью ли удалены остатки флюса под каждым компонентом. Если да, то компонент классифицировался как чистый и помещался таблицу. Для каждой отмывочной жидкости и при каждой температуре отмывки требовалось, в общей сложности, проинспектировать место под 180 компонентами как для свинцовых, так и бессвинцовых паст. Все результаты приведены в таблице 4. Кроме того, результаты отмывки представлены в зависимости от промывочной жидкости, температуры отмывки, пасты и типа компонентов. Анализ по типу компонентов подробно приведен на рисунках 2—7, а анализ по пасте — на рисунках 8—13. Графики показывают количество компонентов, пространство под которыми было полностью очищено, что проверялось при извлечении компонентов из тестовых плат.

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ОТМЫВКИ ДИ-ВОДОЙ

Инспекция поверхности:

- для каждого значения температуры и для всех свинцовых паст поверхность подложки была чистой;

- для каждого значения температуры для бессвинцовых паст незначительный белый остаток наблюдался вокруг различных площадок для трех из пяти типов паст. Инспекция площади под компонентами после свинцовой пасты:

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при всех значениях температур при использовании пасты D (см. рис. 8—10).

- качество отмывки фактически уменьшается с увеличением температуры, о чем свидетельствует отмывка под компонентами 1825, 1812,1210,1206 и 0805 (см. рис. 2—4). Результаты инспекции площади под компонентами после использования бессвинцовой пасты:

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при всех температурных сценариях при использовании паст F и G (см. рис. 11—13).

- увеличение температуры не улучшает качество отмывки более крупных компонентов и фактически ухудшает результаты для типоразмеров 6032 и 1812 (см. рис. 5—7).

- увеличение температуры не улучшает результатов отмывки. На самом деле, при температуре 66°С отмыто меньшее качество свинцовых и бессвинцовых компонентов, чем при 50°С, что уменьшает процент отмытых компонентов с 68% при 50°С до 63% при 66°С для свинцовых компонентов и с 85% при 50°С до 71% при 66°С для бес-свинцовых компонентов (см. табл. 4).

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ОТМЫВКИ СРЕДСТВОМ А (3%)

Инспекция поверхности:

- для каждого значения температуры и всех типов паст поверхность была полностью отмыта, белого остатка не наблюдалось.

Инспекция площади под компонентами после свинцовой пасты:

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при всех температурных сценариях при использовании паст D и Е (см. рис. 8—10);

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при 66°С и использовании паст А, С, D и Е (см. рис. 10);

- увеличение температуры отмывки улучшило результаты как при 57°С, так и при 66°С (см. рис. 9—10). Инспекция площади под компонентами после бессвинцовой пасты:

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при всех температурных сценариях при использовании паст F, G, I и J (см. рис. 11—13);

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при 66°С и использовании паст F, G, Н, I и J (см. рис. 11—13).

Эффективность отмывки под компонентами улучшается для самых сложных компонентов с повышением температуры. На самом деле, площадь под всеми компонентами была абсолютно чистой при 66°С для всех бессвинцовых паст (см. рис. 7).

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ОТМЫВКИ СРЕДСТВОМ А (5%)

Инспекция поверхности:

- для каждого значения температуры и всех типов паст все площадки на поверхности были полностью отмыты, белого остатка не наблюдалось.



Инспекция площади под компонентами после свинцовой пасты:

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при всех значениях температур при использовании паст D и Е. При использовании пасты А площадки под всеми компонентами полностью отмыты при 57 и 66°С (см. рис. 9 и 10).

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при 66°С и использовании паст А, С, D и Е (см. рис. 10).

Инспекция площади под компонентами после бессвинцовой пасты:

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при всех значениях температур и использовании паст F, G, I и J (см. рис. 11—13); всеми компонентами полностью отмыты при 57 и 66°С (см. рис. 9 и 10).

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при 66°С и использовании паст А, С, D и Е (см. рис. 10).

Инспекция площади под компонентами после бессвинцовой пасты:

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при всех значениях температур и использовании паст F, G, I и J (см. рис. 11—13);

- полностью очищенная поверхность под всеми компонентами при 57 и бб°С и использовании паст F, G,

Н, I и J (см. рис. 12—13);

- повышение эффективности отмывки самых сложных компонентов достигается путем увеличения температуры (см. рис. 5—7).

Данные по производительности отмывки средством А как при концентрации 3 и 5% поддерживают авторскую гипотезу 2 о том, что повышение температуры отмывки может улучшить ее результаты. Кроме того, это подтверждает тот факт, что моющее средство, разработанное для растворения остатков водорастворимого флюса, в сочетании с пониженным значением поверхностного натяжения позволяет реагенту проникать в область зазора и капиллярного пространства, тем самым освобождая и удаляя застрявшие остатки.

На рисунках 14—18 представлены фотографии результатов отмывки под компонентами с помощью ДИ-воды и средства А для пасты В (свинцовой) и J (бессвинцовой). Фотографии показывают классификацию результатов: от полностью отмытых до имеющегося остатка. Для этих фотографий авторы выбрали как успешные, так и неудачные результаты отмывки под большими компонентами 6032, 1825, и SOT23.

Окончание статьи читайте в следующем номере «Производства электроники».

Яндекс.Метрика