印制电路板的清洗技术

1 印制电路板的制造工艺
1 .1 印制电路板的制造工艺
印制电路板 ( PCB，Printed Circuit Board )是目前组装板级电路普遍采用的形式，可以方便地把电子元器件集中安装在电路板上，是电子工业最常应用的技术手段，随着电子工业技术的飞速发展，目前电子元器件正不断向着高度集成化、复合化、小型化方向发展，并形成了带有插脚的插装组件和表面贴装组件两大类。把各种插装组件装配到印制电路板上采用的是插装技术，而把贴装元器件组装到印制电路板上采用的是表面贴装技术。对于在印制电路板上既有插装又有贴装元器件的电子线路就要采用混装技术制造。而电子元器件的焊接已很少再用手工焊接的方法，而是采用工艺先进、 效率高的波峰焊、回流焊等技术。 表面插装工艺采用的波峰焊接过程是在一条流水式传送带生产线上进行的具体包括下面几个步骤 ：
1 .用手工方式( 手工插装) 或机械方式 ( 插装机) 将各种插装组件插装到印制电路板的正面，使插脚从印制线路板的背面露出来
2. 把助焊剂涂敷到印制电路板的背面，使用助焊剂的目的是为了提高可焊性，涂敷助焊剂的方法有发泡式和喷雾式两种方式，在目前工厂使用的各类焊接机上都装有发泡式或喷雾式涂敷助焊剂的装置。发泡式装置是通过孔径细小的发泡注射管，将助焊剂以细密的泡沫形式涂抹到印刷线路板的背面，由于发泡涂敷装置是开启式的， 助焊剂中的溶剂极易挥发,所以助焊剂的浓度会很快发生变化，使用中需要经常添加稀释剂来调整其浓度。而喷雾式涂敷助 焊剂的装置是通过喷雾装置将分散成雾状的助焊剂送到印刷线路板的背面的， 其雾化程度、 喷雾宽度、喷雾量、预热温度等均可调节。采用喷雾涂敷工艺涂敷的助焊剂更均匀， 而且可以节约助焊剂，是今后涂敷助焊剂工艺的主流。
3.印制线路板通过熔化的焊锡液体完成波峰焊接。因为焊接过程是在印制电路板与连续循环的熔化的焊剂形成的一个驻波波峰接触中发生的，所以把这种焊接方式称为波峰焊。其中波峰状流动焊料能够形成两个驻波波峰的焊接称为双波峰焊接
4.进行检验修补工作：即对焊接的效果进行检验， 对漏焊、开焊的焊点进行补焊并剪去过长的插脚。而表面贴装工艺 ( SMT)采用的回流焊接过程也是在一条流水式传送带生产线上进行的。电炉回流焊接是采用同时含有助焊剂和焊剂的焊膏进行焊接的。将蜡状的焊膏印制在电路板的适当点位上，以便使安装于该表面的引线接头在焊剂点焊接就位。然后电路板通过电炉加热，使电路板上的焊膏熔化( 称为 “ 回流” ) 并完成焊接。电炉回流焊接法主要应用于表面安装的元件。 ( 回流焊又称再流焊) 。 焊接过程具体包括下面几个步骤 ：1.把用于焊接的焊膏印刷到印刷电路板上的焊点部位。适用于回流焊接使用的焊膏是一种由锡、铅等金属组成的颗粒均匀的球型粉末用黏结剂熔铸而成的膏状物质，在加热条件下它可以使印刷电路版上的表面贴装元器件通过焊接与电子电路形成互联。
2.通过自动表面贴装的机械装置 ( 贴片机) 把各种贴装元件组装到印制电路版上，表面安装元件与插装元件不同之处在于它没有插脚、 体积更小， 表面贴装技术 ( SMT surface mount technolog/y)是将表面安装元件平贴装联在印制电路板上的技术,随着电子元器件不断变小，这种技术目前巳被广泛采用．
3 .通过传送带生产线把完成表面贴装的印制电路板送到带有红外线加热装置 ( 或热风) 的多温区加热炉中加热完成回流焊接工艺 。回流焊 ( Reflow soldering )是一种将各种电子元件的焊接面涂覆焊料后组装在一起 ，然后在加热炉的加热区域使焊料熔融，再经过冷却区使焊接物冷却的焊接方法。对于在印制电路板上既有插装组件又有贴装组件的电子线路就要采用混装技术制造，即在一条传送带生产线上先用回流焊接工艺把表面安装元件焊接到印制电路板上，再用波峰焊工艺把插装组件焊接到印制电路版上。为了提高波峰焊或回流焊的焊接质量， 防止焊点发生氧化、 减少焊点缺陷，有时要在氮气等惰性气体的保护气 氛中进行焊接。即在波峰焊的焊接室和回流焊的加热炉中充入氮气等惰性气体以排除在高温下有氧化作用的空气。
1.2助焊剂
助焊剂( f l u x ) 是在焊接时用于促进电子元器件同印制电路板连接盘可焊性的活性物质药剂。按照活性物质的活性强度可分为： 免清洗类、适度活性类和活性类；按照形态可分为：液态和膏状
1.2 .1 助焊剂在印制线路板的焊接工艺中的作用助焊剂在目前的印制线路板的焊接工艺中仍是不可缺少的物质。因为仅靠焊料的可焊性和焊接工艺及焊接设备的性能，并不能保证印制线路板的组装焊接一次成功。助焊剂在焊接工艺中起到的是使焊接表面洁净、 防止焊料发生氧化、降低焊料表面张力、 提高焊接质量的作用。 助焊剂中含有的化学活性物质，通过与氧化物和其他污染物质起化学反应，能清除掉钎焊表面的氧化物和其他污染物质；并能溶解在与金属氧化物反应过程中形成的金属盐类 ；并具有保护焊接表面防止表面被再次氧化的作用。一般说来使用的助焊剂的化学活性与焊料的可焊性是正相关的，即助焊剂的化学活性越高， 可焊性也越高， 焊点的可靠性也越高。所以助焊剂是为保证焊接质量和工艺的可靠性而不得不使用的物质。但是使用助焊剂之后如果它的残留物不能很好地被清除，它的化学活性就会继续发挥作用而影响焊点的可靠性和寿命，所以一般都需要通过清洗工艺把它的残留物清除。
1.2.2 助焊剂的类型
完成焊接后残留在印制电路板上的主要污染物是助焊剂，而不同的焊接工艺使用的助焊剂种
类成分各不相同，所以采用的清洗工艺方案也不同。因此在确定清洗工艺方案之前有必要了解使用的助焊剂的类型.
目前在印制线路板的焊接工艺中使用的助焊剂主要有以下几种类型。
A．松香型助焊剂
松香型助焊剂是传统使用的助焊剂品种，它具有良好的可焊性，焊接中不需要特别的保护气
氛。 松香型助焊剂中的主要化学活性物质是松香，松香是松脂蒸馏分离去除松节油后得到的透明的玻璃状脆性物质,主要化学成分是松香酸( C14H29COOH) 和松脂酸酐 ，松香不溶于水，但可溶于乙醇、丙酮、苯等有机溶剂，松香在常温下基本上对焊接是没有化学活性的，但随着温度的升高， 它的化学活性逐渐增强， 含在松香中的松香酸等酸性物质在焊接过程中能与焊料和线路板上的金属氧化物作用将其去除使焊接表面洁净并隔绝空气防止其再氧化，降低焊料表面张力使焊接牢度提高。 但松香在焊接受热过程中会氧化分解,产生的白色残渣不仅会使焊接性能变差，而且残渣中的极性大的离子性成分会造成印刷线路板的绝缘性变差和发生腐蚀。
目前工业上使用的松香型助焊剂按化学活性的大小分为以下四种类型。 由于松香溶于乙醇， 所以松香助焊剂常常用松香和乙醇配制成。为了提高化学活性在配方中还加入了其他化学成分。
R型： R是英语松香 ( R o s i n )的字头R型是化学活性最低的一种松香焊剂。它只由松香和乙醇配制而成， 它的清洁作用较弱，仅用于可焊性能较高的印刷电路板的焊接。在室温下残留物基本上是惰性的、不亲水的、具有一定的防潮功能的，所以在焊接后通常可不清除。
RMA型：是具有适度活性的松香型助焊剂，R MA是英语适度活性松香助焊剂 ( Rosin Moderately Activated flux )字头的缩写，在焊剂中加入了少量邻苯二甲酸、三乙醇胺等活性物质以提高焊接活性。这类助焊剂焊接后的残留物的活性较低，在焊接后通常可不清洗。
R A型是活性松香助焊剂 ( Rosin Activated flux ) 。 通常在焊剂中添加溴化水杨酸等活性物质，以增强焊接活性。
RS A型：R S A是英语超级活性的松香助焊剂( R o s i n? S u p e r?? A c t i v a t e d? f l u x ) 字头的缩写，目前RS A型助焊剂己不多用。 当时使用的目的是提高 R A型助焊剂的焊接能力。RS A的配制者用普通R A助焊剂中的氯化物的1.5 倍的活性成分来提高其氯化物的含量。常用的活性成分是二乙胺的盐酸盐或活性极强的氯化锌等无机卤化物。可用于可焊性极差的焊接。而与常规 R A助焊剂相比，它的松香、异丙醇和表面活性剂的含量都是同样
的。虽然它增加了5 O ％的活性成分，但这种助焊剂的焊接能力并不能提高 5 O ％。因此 R S A目前用的不多， 文献中介绍得也不多。 美国在改用免洗助焊剂前， 使用性能最好的一种RS A助焊剂的商品名是 Ke n c o?? 4 6 5 -X。使用 RA、RS A两类松香型助焊剂焊接的电子线路板可以用含皂化剂的水清洗、 半水基清洗，也可以用溶剂清洗。
B．合成活性助焊剂( synthetic flux )由于松香是一种天然物质，其成分随产地自然条件不同而变化，焊接时在高温作用下会发生聚合作用， 造成留下的残留物不易清除。 为克服松香的这些缺点， 研制出了合成活性助焊剂， 合成活性助焊剂 ( s A型)是由单、双异辛基磷酸酯等有机化合物与各种改进焊剂活性的添加剂组成，合成活性助焊剂的活化程度类似于有机酸助焊剂 ，但具有残留物中的离子污染程度较低、残留物易于被去除的特点。合成活性助焊剂不能与碱性皂化剂发生皂化作用， 所以不能用皂化剂清洗， 但可以通过乳化水清洗、 半水基清洗、 溶剂清洗加以去除。
C． 水溶性助焊剂( water soluble flux )
水溶性助焊剂是由水溶性材料配制成的，主要成分包括有机羧酸 ( 如硬脂酸、乳酸、油酸、乙二酸等) 、 活化剂 ( 如有机卤化物和胺类等) 、 溶剂 ( 乙醇、乙二醇等) 。与松香型助焊剂相比， 水溶性助焊剂具有更高的活性和腐蚀性，所以在焊接之后应立即清除。这类助焊剂的残留物不仅存在印刷电路板表面， 而且由于焊接过程中的高温作用，它会渗透到基板的内部， 如果使用水清洗， 应适当提高清洗的温度，使渗入到印刷电路板内部的助 焊剂残留物也能被彻底清除。也可以用皂化剂水清洗
D． 免清洗液态助焊剂( no-clean liquid soldering flux )免清洗液态助焊剂是一种近年发展并逐步得到广泛应用的用于电子元器件焊接的新型助焊剂产品，免清洗助焊剂由活性剂、成膜剂、添加剂、溶剂等组成。 对免清洗助焊剂的技术要求包括： 焊后残留物要少、 没有腐蚀性、 有较高的绝缘电阻值和较低的离子残留量。不含卤化物活性剂和低固态含量是免清洗助焊剂的两大特点。其中包括低固含量的弱有机酸助焊剂和中活性低残留量的松香助焊剂， 由于这种助焊剂不含卤化物活性剂，用其焊接的印制板组装件无需清洗即可进入下一工序。因此这种工艺不仅省去了印制板组装件的焊后清洗工艺，而且也避免了使用ODS清洗剂对大气臭氧层的破坏。免清洗液态助焊剂外观为澄清透明液体 ，其中含有的不挥发物含量最多不超过l 0 ％ 有些产品的不挥发物含量在 2 ％以下。
2 .印制电路板上的污垢及其危害
2 .1印制电路板上的污垢类型
焊接后的印制电路板是电子产品的核心部件，它在制造过程中不可避免地沾染上周围环境中存在的灰尘、 纤维、 金属和非金属及其氧化物碎屑等污垢；在焊接过程中还会沾上汗迹、指纹、油污以及助焊剂残留物等化学物质。印制电路板上的污染物按其性质不同一般分为四种类型 ：根据污垢能否溶于水分为可溶于水和不溶于水两大类，在可溶于水的污垢中根据其污垢中有无离子成分分为离子型污垢和非离子型污垢，不溶于水的污垢中根据它是否可溶于其它溶液分为可溶解型和不溶解型。 即离子型和非离子型的水溶性污染物、 非水溶性污染物、不溶性的固体微粒四类。
2.2离子性水溶性污垢
离子性水溶性污垢在溶于水后会发生电离，在水中以离子状态存在，印制电路板上的存在典
型离子性污染物是助焊剂中的活性物质氯化铵、氯化钠等，它们在助焊剂残留物和手印指纹中均存在。如在水中氯化钠会电离成氯离子和钠离子Na C 1 ： Na +C1 一 ， 当纯水中含有离子时它的电导率就会很快提高， 而且含有的离子数量越多， 水的电导率就越高， 在离子浓度较低的条件下， 水的电导率与离子浓度之间成正比线性关系。在印制电路板上的存在的阴离子主要有氯、溴、硫酸根、硝酸根、 有机酸根等， 存在的阳离子主要是钠、 钾、 铵等。 这些污垢主要有以下几个来源：在印制电路基板的制备过程中， 进行刻蚀、金属化孔、 敷设阻焊层等工艺中使用的化学药剂的残留物；电子元器件表面上的残留物；助焊剂的残留物；手工处理时引入的污染物。
2.3离子性水溶性污垢的危害
离子性污垢对印制电路板的破坏力极大，会使电路的信号发生变化， 电路板出现电迁移、 腐蚀以及涂敷层的附着力下降等问题。其中氯离子等污染物有很强的吸湿性和腐蚀性 ，它们在水解过程中能产生盐酸等酸性物质， 接触到印制电路板上的焊点、引脚、导线中的锡、铅、铜、银等金属成分时就会与它们发生化学反应 ，生成S nC1 ， 、PbC1 ， 、CuC1 ， 、AgC1 等，这些物质还会进一步发生氧化 、水解等反应而生成 S nC1、P b C 1 、S n ( OH) 、P b ( OH) 等物质，并再次释放出氯离子，这些氯离子又引发新一轮的上述化学反应， 不断加剧腐蚀过程， 最终在焊点周围聚积出白色、 绿色的腐蚀产物粉末。 它造成的后果是：破坏了焊点， 使导线、引脚发生腐蚀断裂， 造成电路断路。 即使并未完全腐蚀断裂， 也因断面变小、 强度降低，在受到冲击、震动时就会断裂。这个问题在电子元件轻薄化、小型化后变得更加突出。这些离子性污垢虽然可以简单地用水溶解的方法去除，但实际情况中往往这些离子残留物是部分或全部包埋在不溶于水的污垢中，如指纹手印就是一个实例 ，无机盐类和一些水溶性的氨基酸就是被包埋在护肤品和皮肤分泌的油脂中的。所以为了去除这些离子性污垢 ，往往需要在清洗液中加入适当的添加剂并辅助以加热、机械搅拌等物理手段。
2 .4非离子性的水溶性污垢及其危害
非离子性的水溶性污垢从化学成分上看，是能够溶解于水但在水中不会发生电离的有机化合
物。残留在印制电路板上的非离子性的水溶性污垢典型物质是广泛用于水溶性助焊剂的聚乙二醇。非离子性的水溶性污垢残留在印制电路板上，可使印制电路板的润湿特性及组装涂覆层的附着力发生变化。 如果这种有机物具有吸潮性， 在一定的湿度下会在印制电路板上形成水膜 ，使电路板的表面绝缘电阻降低。 有时还会有电迁移、 腐蚀等现象发生。为更好去除这类水溶性污垢在清洗水中要加入添加剂，并采用提高水温、延长清洗时间、辅之以机械搅拌等措施。
2.5非水溶性污垢及其危害印制电路板上的非水溶性污垢指的是不溶于水， 但可被加有添加剂的水溶液溶解的污垢。典型物质如松香、合成树脂、低残留／免清洗助焊剂中采用的某些有机物、 油脂、 指纹手印、电子元器件上的脱膜剂等。这些残留物的存在对印制电路板的表面润湿特性、 黏结性能、 组装涂覆层均有不利的影响。而且对印制电路板上的电联接
点耐使用环境影响的可靠性有较大的不利影响。因为绝大多数的电子设备产品，在使用过程中很难做到与环境完全隔离，因此电子设备的工作环境 ( 即焊点的环境)对焊点的可靠性有很大的影响。对焊点的可靠性影响较大的环境因素主要是气温、湿度、盐雾、霉菌等。其中在热带的潮湿滨海地区高温、 高湿条件下的盐雾的影响最大。 在这种环境中使用的电子产品在反复使用之后，在焊点附近就会积存含有盐分的凝露，这种凝露将促使焊点上残留的助焊剂膨润，并导致焊点表面的残渣粉化， 这些腐蚀性物质和粉化物的吸湿、 扩展会导致电路的短路，而在焊点附近的非水溶性污垢有机物在凝露吸湿后， 极易感染霉菌而发霉， 直
接造成短路或加速化学腐蚀。所以这些非水溶性污垢有机物必须清除。
2.6不溶性污垢及其危害
印制电路板上的不溶性污垢指的是那些不溶于水和有机溶剂， 只能通过强力喷射、 刷洗、 超声波清洗等物理手段才能除去的污垢。其典型物质包括来自灰尘或污物的硅酸盐微细固体颗粒、发生水解或氧化的松香、助焊剂反应后残留下来的白色残渣、 硅树脂、玻璃纤维、 焊锡微粒等。这些残留物通常与可溶性污垢混杂在一起 ，在清洗过程中当可溶性污垢被清除之后，这类污垢通过冲洗等手段即可被清洗掉。