助焊劑殘留以及PCB清洗工藝分析

無論使用何種助焊劑，總會在焊接后的PCB及焊點上留下或多或少的殘留物，這些殘留物不僅影響PCBA的外觀，更可怕的是構(gòu)成了對PCB可靠性的潛在威脅；特別是電子產(chǎn)品長時間在高溫潮濕條件下工作時，殘留物便可能導致線路絕緣老化以及腐蝕等問題，進而出現(xiàn)絕緣電阻（SIR）下降及電化學遷移（ECM）的發(fā)生。

隨著電子行業(yè)無鉛化要求的全面實施，相伴錫膏而生的助焊劑也走過了松香（樹脂）助焊劑、水溶性助焊劑到今天廣泛使用的免洗助焊劑的發(fā)展歷程，然而其殘留物的影響始終是大家尤為關心的方面。

焊接有四種主要方法：

    （1）表面貼裝回流焊接（SMT）

    （2）全板波峰焊接

    （3）選擇性焊接

    （4）手工焊接

每種方法都會留下不同程度的風險，導致存在助焊劑殘留物，可能會導致故障。SMT焊接方式的風險最低，而使用液體助焊劑的風險最高。了解應用過程，助焊劑中的成份以及助焊劑制造商的建議可以極大地提高電子設備的可靠性。

什么是助焊劑？

助焊劑是化學物質(zhì)的酸性混合物，用于在焊接過程中去除金屬氧化物，從而實現(xiàn)良好的焊錫結(jié)合。您可能會聽到“低活性”和“高活性”這兩個術(shù)語，以描述焊接后的助焊劑殘留物是否具有引起清潔相關故障的風險。

但是，從化學的角度來看，這些術(shù)語沒有準確定義，也沒有單一的標準分析或化學測試將助焊劑殘渣分類為“低活性”或“高活性”。這是因為泄漏電流引起的故障不僅取決于助焊劑的化學性質(zhì)和施加的助焊劑的量，而且電氣靈敏度和使用環(huán)境也會對可靠性產(chǎn)生重大影響。

 助焊劑應用

 助焊劑的應用方式有多種，最常見的是：

    （1）焊膏中的助焊劑，用于表面安裝

    （2）用于波峰焊或選擇性焊接液體助焊劑

    （3）用于手工焊接的液體助焊劑

（4）焊絲或焊條中的助焊劑

由于所使用的助焊劑的量很重要，因此這些不同的應用過程會帶來與清潔相關的故障的風險等級不同。錫膏助焊劑的風險最小，這是因為使用網(wǎng)板或印刷機來控制錫膏助焊劑的施加量。表面貼裝中回流焊殘留物造成的故障很少（QFN可能有問題）。液體助焊劑的使用則帶來更大的風險。噴射使用比其他過程可使用更多的助焊劑。

如果未進行最佳控制，則該工藝可能會施加比所需更多的助焊劑，從而留下更多的酸性殘留物，為潛在的化學腐蝕反應創(chuàng)造更有利的條件，而且液體助焊劑也可能會流向未處于高溫下的部分。

控制手工焊接過程中施加的助焊劑的量也可能很困難，過量的助焊劑可能在附近的組件下流動，人工熟練程度影響很大。

組裝過程中或組裝后的失效分析技術(shù)

盡管沒有一個能進行全面風險評估的工具，但是有一些風險評估方法能成功的降低失效的風險。

通常在SMT清洗操作過程中通過溶劑萃取物（ROSE）的電阻率來間接判定助焊劑殘留離子的清潔度，數(shù)值結(jié)果有助于確保合格的焊料和清洗過程。

離子色譜法IC已成為一種常用的技術(shù)，用于識別SMT表面上的常見離子，并提供焊接后殘留的有機弱酸活化劑含量的直接測量值。對于液體助焊劑尤其重要，因為可以很容易地檢測出所施加的助焊劑量，不同的離子色譜方法產(chǎn)生不同的結(jié)果。

完整的組件浸泡測試為整個組件表面上檢測到的平均的離子濃度，而局部提取技術(shù)則可在小范圍內(nèi)測量離子濃度。

所有的離子色譜方法的缺點是缺乏有關通過/失敗的標準；每個焊接過程，設計，環(huán)境會影響良率。我們的經(jīng)驗使我們對離子的平均數(shù)量和不良的數(shù)量以及不同離子色譜系統(tǒng)和技術(shù)的問題有深入的了解。

 有時會在濕度較高的環(huán)境中進行功能測試，以評估設計在預期的最壞情況下使用環(huán)境中對殘留物的敏感性。如果發(fā)生故障，則通常與泄漏電流或短路有關。在任何可能的情況下，電流限制都可以將短路事件造成的任何損害降至最低。熱損傷會破壞顯示殘留物是否真正導致故障的根本原因所需的證據(jù)。

其他因素

電氣間距是重要的危險因素。組件上較高的V/mil位置更有可能快速的促進殘留物中電化學反應。設計的敏感性也會影響失效的風險。一些高頻設計對任何殘留物都敏感（所有殘留物都被認為是“活性的”，必須清洗組件）。

當使用灌封和三防涂層時，需要考慮灌封或三防涂層是否正確附著在殘留物上以及是否存在會積聚水分的空腔。最后，使用環(huán)境至關重要：在高濕度下使用會帶來更大的風險，因為大氣中的水會吸附到表面，溶解離子并驅(qū)動電化學反應。

 助焊劑清洗工藝

 對于可靠性要求比較高的電子產(chǎn)品，焊接后必須經(jīng)過嚴格的清洗工藝。

為防止由于腐蝕而引起的電路失效，焊接后必須進行獨立清洗才能保證電子設備的可靠性、電氣指標和工作壽命。

印制電路板組件清洗的重要性

清除助焊劑殘留物、膠帶紙或阻焊膜的殘膠、塵埃、油脂、微粒和汗跡等污染物，防止對元器件、印制導線和焊點產(chǎn)生腐蝕和其他缺陷的產(chǎn)生，提高組件的性能和可靠性；

清除腐蝕物的危害，保證組件電氣性能測試的順利進行，焊點過多的助焊劑殘留物會使測試探針不能良好的接觸焊點，從而影響測試結(jié)果的正確性；

組件表面的污染物會妨礙涂敷層的結(jié)合力；

使組件外觀清晰，熱損傷和層裂等一些缺陷顯漏出來，以便進行檢測和排除故障。

污染物的種類和來源

印制電路組件表面的污染物來源較廣，主要包括PCB制作和儲運、元器件制作和儲運以及組件裝聯(lián)過程中形成的污染。對于印制電路組件而言，所謂污染物，是指元器件或組件的物理、化學和電氣性能受到有害影響的表面沉積物和微粒等。一般將組件表面的污染物分為極性或離子污染物、非極性或非離子污染物和微粒狀污染物。

清洗工藝選擇

清洗印制電路板的傳統(tǒng)方法是用有機溶劑清洗，由CFC—113與少量乙醇（或異丙醇）組成的混合有機溶劑對松香助焊劑的殘留物有很好的清洗能力，但由于CFC—113對大氣臭氧層有破壞作用，目前已被禁止使用，目前可選用的非ODS清洗工藝包括水基清洗、半水基清洗、溶劑清洗，另外也可以采用不進行清洗的免清洗工藝。到底選用哪種工藝，應根據(jù)電子產(chǎn)品和重要性、對清洗質(zhì)量的要求和工廠的實際情況來決定。    

水基清洗

水基清洗工藝 水基清洗工藝是以水為清洗介質(zhì)的，為了提高清洗效果可在水中添加少量的表面活性劑、洗滌助劑、緩蝕劑等化學物質(zhì)（一般含量在2％－10％）。

并可針對印制電路板上不同性質(zhì)污染的具體情況，在水基清洗劑中添加劑，使其清洗的適用范圍更寬。水基清洗劑對水溶性污垢有很好的溶解作用，再配合加熱、刷洗、噴淋噴射、超聲波清洗等物理清洗手段，能取得更好的清洗效果。

在水基清洗劑中加入表面活性劑可使水的表面張力大大降低，使水基清洗劑的滲透、鋪展能力加強，能更好的深入到緊密排列的電子元器件之間的縫隙之中，將滲入到印制電路板基板內(nèi)部的污垢清洗除。

利用水的溶解作用與表面活性劑的乳化分散作用也可以將合成活性類助焊劑的殘留物很好在清除，不僅可以把各種水溶性的污垢溶解去除，而且能將合成樹脂、脂肪等非可溶性污垢去除。

使用松香基助焊劑或水基清洗劑中加入適當?shù)脑砘瘎�，皂化劑�?span>saponifier）是在清洗印刷電路板時用來與松香中的松香酸、油脂中的脂肪酸等有機酸發(fā)生皂化反應，生成可溶于水的脂肪酸鹽（肥皂）的化學物質(zhì)。這是許多用于清洗印刷電路板上的助焊劑、油脂的清洗劑中常見的成分。

皂化劑通常是顯堿性的無機物如氫氧化鈉、氫氧化鉀等強堿，也可能是顯堿性的有機物如單乙醇胺等。在商用皂化劑中一般還含有有機溶劑和表面活性劑成分，以清洗去除不能發(fā)生皂化反應的殘留物。

由于皂化劑可能對印刷電路板上的鋁、鋅等金屬產(chǎn)生腐蝕，特別是在清洗溫度比較高、清洗時間比較長時很容易使腐蝕加劇。所以在配方中應添加緩蝕劑。但應注意有對于堿性物質(zhì)敏感的元器件的印制電路板不宜使用含皂化劑的水基清洗劑清洗。

在水基清洗的工藝中如果配合使用超聲波清洗，利用超聲波在清洗液中傳播過程中產(chǎn)生大量調(diào)微小空氣泡的“空穴效應”則可以有效的把不溶性污垢從電子結(jié)路板上剝除�？紤]到印刷電路板、電子元器件與超聲波的相溶性要求，印刷電路板清洗時使用的超聲波頻率一般在40KHz左右。水基清洗工藝流程包括清洗、漂洗、干燥三個工序。

首先用濃度為2％－10％的水基清洗劑配合加熱、刷洗、噴淋噴射、超聲波清洗等物理清洗手段對印刷電路板進行批量清洗然后再用純水或離子水（DI水）進行2－3次漂洗，最后進行熱風干燥。

水基清洗需要使用純水進行漂洗是造成水基清洗成本很高的原因。雖然高質(zhì)量的水質(zhì)是清洗質(zhì)量的可靠保證，但在一些情況下先使用成本較低的電導率在5um·cm的去離子水進行漂洗，最后再使用電導率在18um·cm的高純度去離子進行一次漂洗也可以取得很好的清洗效果。

一個典型的工藝過程為：在55℃的溫度下用水基清洗劑對電子線路板進行批量清洗，并配合強力噴射清洗5min，然后用55℃的去離子水漂洗15min，最后在60℃溫度下熱風吹干20min。為了提高水資源的利用率，在清洗工序使用的自來水或在漂洗槽使用過的去離子水，據(jù)文獻介紹在預清洗中使用自來水（含有較多離子的硬水），不僅可以大大降低生產(chǎn)成本，而且它的除污能力一點也不比軟水或去離子水差。

半水基清洗

半水基清洗劑 在半水基清洗劑的組分中一般都有有機溶劑和表面活性劑，如最早使用在印制電路板清洗的EC－7半水基清洗劑就是由萜烯類碳氫溶劑與表面活性劑組成的。在大多數(shù)半水基清洗劑的配方中還含有水，但由于水的含量水多（僅占5％－20％），所以從外觀看半水基溶劑與溶劑清洗劑一樣都是透明、均勻的溶液。

與一般溶劑清洗劑不同的是半水基清洗劑使用的有機溶劑的沸點比較高，所以揮發(fā)性低不必像溶劑清洗劑那樣在封閉環(huán)境下進行清洗，而且在清洗過程中不須經(jīng)常更換清洗劑只須適當補充清洗劑量即可。

配制清洗印制電路板用半水基清洗劑用的有機溶劑主要有萜烯類和石油類碳氫溶劑、乙二醇醚、N－甲基吡咯烷西酮等，選擇溶劑類型時應根據(jù)印制電路板、電子元器件等原材料的污染情況以及焊接時使用的助焊時類型等具體情況老虎。

半水基清洗工藝流程 也是包括清洗、漂洗、干燥三個工序，清洗工序往往配合使用超聲波清洗以提高清洗效果減少清洗時間，由于使用超聲波會提高清洗劑溫度，所以需要注意嚴格控制好清洗溫度，不得超過清洗液的閃點（一般清洗溫度控制在70℃以下）。

在清洗和漂洗工序之間加有一個乳化回收池，而半水基清洗液中含有的有機溶劑濃度很高，在清洗后仍會有較多的清洗液沾在印制電路板表面，如果清洗后的印制電路板直接放到水漂洗液中，沾在印制電路板表面上的有機溶劑就會將漂洗水污染，大大增加后面水處理工序的負荷，而在清洗和漂洗工序之間增加一個盛有乳化劑水溶劑的乳化回收裝置，就可以把沾在印制電路板表面上的有機溶劑通過乳化分散的方式從印制電路板表面剝除，并可在這個乳化回收裝置中利用過濾器和油水分離裝置，把有機溶劑和污垢沉淀分離并回收，由于進入漂洗槽的印制電路板表面上的有機溶劑已很少，所以既減少了漂洗工序負荷，又減少了廢水處理的負荷。

再用去離子水漂洗2－3次即可把污垢去除干凈。由于半水基清洗是用水做漂洗劑，所以存在與水基清洗相同的干燥難問題，需要采用類似的多種措施提高烘干速度。

半水基清洗工藝的優(yōu)缺點 半水基清洗工藝的優(yōu)點是：對各種焊接工藝有適應性強，所以使用半水清洗工藝不必改變原有的焊接工藝；它的清洗能力比較強，能同時去除水溶性污垢和油污；與大多數(shù)金屬和塑料材料相容性好，與溶劑清洗劑相比不易揮發(fā)使用過程中蒸發(fā)損失小缺點是：存在與水基清洗一樣的需要使用純水漂洗、干燥難、廢水處理量大的問題。半水基清洗工藝需要占用較大的場地和空間，設備一次性投資較大特別是在線清洗機。

由于半水基清洗劑含有較多的有機溶劑，所以要增加對有毒溶劑的防護、防火防爆等安全措施。而且半水基清洗劑不能像溶劑清洗劑那樣通過蒸餾回收再利用，所以成本較高。

溶劑清洗工藝

清洗印制電路板使用的有機溶劑 使用有機溶劑清洗印制電路板是利用其對污垢的溶解作用，在淘汰CFC－113、TCA等ODS清洗劑后，目前使用溶劑清洗劑主要是HCFC、HFC、HFE等氟系溶劑，另外也可用碳氫溶劑、醇類溶劑等。為了提高氟系溶劑的清洗效果在其中還加入碳氫溶劑、醇類溶劑等形成混合溶劑，有些混合溶劑還是具有恒沸點的共沸混合物（如用HCFC－141b－141b與甲醇、HCFC－225與乙醇配成的共沸混合物溶劑清洗劑）。

由于這些氟系溶劑還具有不可燃的優(yōu)點，而且性能與CFC－113很相近，所以清洗工藝及清洗設備基本不需要改變或只需略加調(diào)整即可。

溶劑清洗的優(yōu)缺點 溶劑清洗工藝相對比較簡單，只需用同一種溶劑清洗劑進行清洗和漂洗，由于溶劑清洗劑的揮發(fā)性大都很好，所以不需要專門的干燥工藝。溶劑在使用后可以通過蒸餾與污垢分離并循環(huán)使用，不僅使成本降低，廢液處理也相對簡單。

原使用CFC－113清洗的清洗設備不需大的改造即可使用；溶劑清洗特別適合對水敏感、元器件密封性差的印制電路板的清洗。各種替代溶劑清洗劑存在的缺點在前面已介紹不再重復。

典型的溶劑清洗流程 典型的溶劑清洗流程包括以下幾種：超聲波加浸泡清洗——噴淋清洗——氣相漂洗和干燥 溶劑加熱浸泡清洗——冷漂洗——噴淋清洗——氣相漂洗和干燥 氣相清洗——超聲波加浸泡清洗——冷漂洗——氣相漂洗和干燥 氣相清洗——噴淋清洗——氣相漂洗和干燥。

免清洗工藝

什么是免清洗工藝 免清洗工藝是指通過對印制電路板和電子元器件等原材料的質(zhì)量控制、工藝控制，替代工藝具有改造成本代、生產(chǎn)運行成本低、對環(huán)境友好等特點。

對于自動程度較高、生產(chǎn)規(guī)模較大、焊后產(chǎn)品可靠性能指標要求不太高的企業(yè)最適合改用免清洗工藝。而且改用免清洗工藝節(jié)省了清洗設備、清洗劑等費用，可使運行費用大大降低。

采用免清洗工藝應解決的關健問題 在選擇免清洗工藝時應充分考慮到以下三個關健要素：對使用的助焊劑／焊膏的選擇的評價；對生產(chǎn)工藝的調(diào)不整和控制；對原材料的質(zhì)量控制。

對使用的助焊劑／焊膏的選擇和評價 選擇和評價助焊劑量／焊膏是開發(fā)和實施免清洗工藝要解決的首要工作，一定要確保在焊后助焊劑／焊膏的殘留物不會影響電子產(chǎn)品的可靠性能指標。實踐已經(jīng)證明低固含量的弱有機酸助焊劑和中低活性低殘留量的松香助焊劑能滿足電子產(chǎn)品的可靠性性能指標的要求。

一般電子產(chǎn)品的印制電路板都可以選用活性低殘留物量的RMA型松香助焊劑，這類助焊劑對焊接環(huán)境沒有特別的要求，但注意有是它的焊后殘留物仍然較多，所以不適合對使用三防涂層處理或表面封裝的電路板使用。

需要做三防層處理或其他表面防護處理的電路板應使用低固含量的弱有機酸型助焊劑，因為這種類型的助焊劑焊后的殘留物較少，對表面涂層和電路板間的附著力影響最小。但大部份這類助焊劑對電路板和元器件的預熱過程中的防氧化作用較差，所以在使用這類助焊劑時焊接工藝應在氮氣保護下進行。采取氮氣保護措施不僅能防止電路板和元器件在預熱過程中的氧化，而且還可以改善焊接的潤濕性能，減少焊球的形成、提高焊接質(zhì)量。

對生產(chǎn)工藝的調(diào)不整和控制 由于使用了免清洗助焊劑／焊膏，焊接工藝和工藝參數(shù)將不可避免地發(fā)生變化，包括增加使用氮氣作保護氣體、調(diào)整溫度變化曲線、改變助焊劑涂溥方式（改用噴霧式涂溥）、加強對助焊劑和鉛錫焊料成分的監(jiān)測、改變電子元器件的安裝方式、印刷電路板的傳送、安裝方式等。

如在電子元器件和印刷電路板的傳送、安裝方式上改用機械化自動傳送和安裝代替手工操作，從而避免了手汗、指紋對印制電路板可靠性的不良影響。能過對波峰焊機和回流焊機中溫度曲線的調(diào)整，使助焊劑的活性在焊接之前恰好達到最佳狀態(tài)，從而提高燭接質(zhì)量。另外前面已介紹對于可靠性要求較高的印制電路板，在使用低固含量的弱有機酸型助焊劑時，還應在焊接時采用氮氣保護。采用噴霧式涂溥助焊劑并對助焊劑的涂溥量進行嚴格控制，在保證焊接質(zhì)量的前提下盡可能降低助焊劑涂溥量，可使焊后的助焊劑殘留量保持最低水平。

對于焊接可靠性要求比較高的印制電路板，工藝參數(shù)的控制必須更加嚴格，如生產(chǎn)前必須測定波峰焊機和回流焊機中的溫度曲線，使之符合工藝要求，對鉛錫焊料的化學成分必須至少分析一次，如發(fā)現(xiàn)不合要求必須立即更換。在助焊劑采用發(fā)泡涂溥時要對助焊劑進行實時監(jiān)控。在完成免清洗工藝焊接后，進行補焊和修復時一定要使用免清洗的焊絲。只有采取有效的生產(chǎn)工藝才能保證使用免清洗助焊劑／焊料能取得良好的焊接效果。

能原材料的質(zhì)量控制 對各種原材料的高質(zhì)量要求是影響免清洗工藝的重要因素。所以在采用免清洗工藝時必須對各種原材料的質(zhì)量進行嚴格的控制。如對印制電路板和電子元器件的潔凈水平和可焊性、助焊劑／焊料的質(zhì)量及穩(wěn)定性、表面防護材料的質(zhì)量、工藝控制和質(zhì)量管理的有效性進行控制等。因為在生產(chǎn)過程中任何一個環(huán)節(jié)不合格都會導致最終產(chǎn)品不合格。

選擇替代技術(shù)應考慮的主要因素 在選擇究竟使用哪些替代技術(shù)時應考慮的因素是多方面的，而且往往是相互制約的，所以應該從自己的具體實際情況出發(fā)，綜合考慮才能找到最適合的替代技術(shù)。應考慮到的因素主要有下列幾項：

電子產(chǎn)品的情況 即考慮電子產(chǎn)品的重要性和它對清洗質(zhì)量的要求：一般來說電子產(chǎn)品的重要性越高，它對清洗質(zhì)量的要求也越高，如用于人造衛(wèi)星、航天航空儀表、海底電信、軍用裝備、涉及生命的醫(yī)療設備的電子產(chǎn)品，要求有極高的可靠性，而生活類用品，一般性工業(yè)用品的可靠性要求就低得多。

而電子產(chǎn)品使用的環(huán)境也有很大的關系，如經(jīng)常處于高溫、高濕等比較惡劣環(huán)境下的電子產(chǎn)品就必須嚴格清洗，并對其清洗后的離子污染和表面絕緣電阻必須嚴格控制，而對于在海洋環(huán)境中使用的軍艦、輪船上使用的電子設備，還應進行表面處理。根據(jù)我國的ANSI／J－STD－001B標準把電子產(chǎn)品分為三個等級，其中等三類電子產(chǎn)品屬于必須清洗并且必須嚴格控制其清潔度的，對其離污染和表面絕緣電阻應該逐批檢測，而第一類電子產(chǎn)品則可以免清洗，其清潔度應該定期檢測。

使用的助焊劑類型 采用不同的焊接工藝在印刷電路板上殘留的助焊劑數(shù)量也是不同的，相應的清洗工藝和清洗劑種類也是不同的。采用化學活性高的助焊劑，焊接的可靠性也高，但焊接后助焊劑的殘留物的腐蝕性也高，必須采用清洗效果好的清洗工藝和清洗劑將殘留物徹底清除。反之采用化學活性較低或固含量較低助焊劑，焊接的可靠性也較低，但其焊接后助焊劑的殘留物較少腐蝕性也較小，可采用一般的方法清洗甚至免清洗。

對于各種清洗工藝的缺點有沒有一種能及環(huán)保又高效切成本低的清洗工藝呢？答案是有的，那就是干冰清洗工藝

干冰清洗工藝

干冰清洗工藝不僅清洗助焊劑效率快，而且環(huán)保無污染，同時不會損傷PCB板上的各個零配件。

干冰清洗原理

干冰清洗（dry ice blast cleaning）又稱冷噴，是以壓縮空氣作為動力和載體，以干冰顆粒為被加速的粒子，通過專用的噴射清洗機噴射到被清洗物體表面，利用高速運動的固體干冰顆粒的動量變化（Δmv）、升華、熔化等能量轉(zhuǎn)換，使被清洗物體表面的污垢、油污、殘留雜質(zhì)等迅速冷凍，從而凝結(jié)、脆化、被剝離，且同時隨氣流清除。不會對被清洗物體表面，特別是金屬表面造成任何傷害，也不會影響金屬表面的光潔度。

干冰清洗機清洗前后對比

SP27D干冰清洗機在線清洗安全環(huán)保干冰清洗完全無毒，并且不使用任何危險化學品。除了清洗和安全外，干冰是作為其他工業(yè)過程的副產(chǎn)品獲得的，它是由回收的CO2制成的。它不會產(chǎn)生二氧化碳或向大氣中添加二氧化碳，因此不會對溫室效應產(chǎn)生影響。

干冰清洗是安全且完全環(huán)保的！干冰清洗你故意快速有效干冰擁有極高的清洗速度和大范圍的噴嘴相結(jié)合，大大提高了清洗的速度。

TooIce干冰噴射清洗可以更高效節(jié)能、更安全環(huán)保地應用在PCB助焊劑清洗工藝中。它不會損失PCB表面、改變形狀或以任何方式損壞設備，可為工廠提供更行之有效的清洗選擇。總的算下來，將干冰噴射技術(shù)集成到其清洗過程中的制造商會發(fā)現(xiàn)不僅僅效能提升了，環(huán)保要求達標了，人力資源成本也減少了，還為員工創(chuàng)造了更安全健康的工作環(huán)境，皆大歡喜。