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SMT行业清洗与无铅技术的前景发展 |
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作者：凯尔迪清洗机 |
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摘要： 多年以来， ZESTRON 持续跟踪向无铅工艺转换的步伐，密切关注用户在这个领域的最新发展。 ZESTRON 为确保高度的工艺可靠性，进而在技术中心进行了多项深入测试以评估典型无铅锡膏对于清洗工艺的影响。 由于这个市场正在巨大的工艺变迁中，无铅锡膏也在进一步发展更趋完善。为了更新已经完成的研究并评估最新的结果，一项将研究范围扩展到超过30 种不同的著名厂商的不同无铅锡膏业已在 2004 年完成。这些测试包含了现有的无铅锡膏，主要是免洗配方。
这项研究的目的用以回答两个关键问题：
使用无铅锡膏对现有的清洗工艺带来什么样的影响？
向无铅锡膏工艺转换会提高清洗的重要性吗？
关键词： 无铅锡膏；清洗工艺
无铅锡膏系统
在 2006 年 7 月 1 日 生效的欧盟 WEEE 文件 ( 电气和电子设备废弃物指导文件 ) 和 RoHS 文件 ( 减少危险品使用文件 ) ，禁止在电子制造业使用一系列不同的重金属。
从规定的时间开始，除了极少的例外之外，铅的使用，特别是在锡膏中将不被允许。尽管这是一项欧洲标准，但同样会，并且已经对全球供应欧洲市场的电子生产行业，比如在中国和亚太其他地区的电子制造供应商产生了重大影响。 电子行业及其各协会和委员会正在集中力量研究长久以来几乎是独一无二的锡铅锡膏的替代物。目前，一系列替代锡膏已经被开发及研究。
对清洗工艺的影响表 1 ：无铅锡膏系统在清洗工艺中可能产生的影响
 由于在不同工艺条件下使用无铅锡膏的要求（见表 1 ），对于清洗工艺影响的问题正在更多的被提及。 鉴于以往的研究，大多数替代锡膏的峰值温度要比锡铅锡膏高出 40 ℃ ，可能造成更多的氧化和助焊剂的聚合反应。
这些反应使得助焊剂残留物在焊接过程中更多的被‘ 烘焙 ’，使其更难被清洗。
为了保证在较高的温度下进行可靠的焊接，无铅锡膏采用新的助焊剂配方是必需的。较高沸点的溶剂、增量的松香成分 ( 固含量 ) 和特别是抑制在高温下焊料氧化的更强的活化成分都会造成助焊剂残留物增多并对清洗工艺提出更高的要求。
ZESTRON 在去年对现有的无铅锡膏，主要是免洗配方进行了新一轮测试，以对锡膏的最新发展对于清洗的影响作出精准的定义。
清洗剂
清洗在电子工业中的应用依据需要清洗的残留物有所不同。通常中性 pH值的清洗剂用于清洗网板和误印电路板上的锡膏；对于焊后助焊剂残留物则使用碱性清洗剂。这样有三种基本的清洗剂：
* 溶剂型清洗剂
* 水基 不含表面活性剂的 MPC 清洗剂
* 水性碱基表面活化清洗剂，仍然在用于网板清洗。
锡膏清洗
在转向使用无铅锡膏后，鉴于上文提到的工艺变化，清洗焊后组装件的助焊剂残留物将会产生一些问题。由于助焊剂的变化，尤其是溶剂中的新成分比如树脂和触变剂对于清洗回流前的锡膏也可能有一定的影响 ( 见图 2) 。
在这项研究中使用的无铅锡膏也用来测试从网板和误印线路板上进行清洗的难易程度。
网板清洗
在 ZESTRON 进行的一系列测试中，使用不同的无铅锡膏涂敷在网板上并且经过一个小时的干燥，然后在一台网板清洗设备中清洗，使用室温， 1.5bar 压力，分别从 2 至 6 分钟进行测试。测试中使用了这些标准样品。
清洗后的网板在10 倍放大的显微镜下目检以观察锡膏残留物，并且用擦拭的方式来检查锡膏残留物。结果是在测试中采用的无铅锡膏均被各种清洗剂轻易去除，不同的是在各种清洗应用测试中使用的清洗时间不同。
清洗时间设定
* 溶剂型清洗剂： 2 至 3 分钟，
* 中性 pH 值 MPC 水基清洗剂： 3 至 4 分钟，
* 水性碱基表面活化清洗剂： 4 至 6 分钟。
误印电路板清洗
除了进行从网板上清洗锡膏外，在相似的条件下也进行了误印电路板的清洗测试。需要指出的是在清洗误印电路板时必须额外考虑一个因素，即无铅焊接工艺推行的同时，焊盘的无铅化，尤其对于大规模生产来说，转向了 OSP （有机焊盘保护）裸铜的方向。 OSP（有机焊盘保护）相对于此前的焊盘金属，比如传统的 HAL（热风整平）对于清洗工艺更为敏感。因此为保证可靠的焊接工艺需要特别的清洗参数。为满足这些新的需求，从而向业界提供适合的清洗工艺解决方案， ZESTRON 与领先的 OSP 供应商携手进行了相容性和焊接性研究。基于一系列的深入研究， ZESTRON 已经能够为 OSP镀层的电路板提供清洗工艺。
助焊剂残留物清洗
从经过焊接的元器件上清洗助焊剂残留物比清洗网板和误印板上的锡膏要求更高。在与慕尼黑技术大学进行的合作中，将无铅锡膏，主要是免洗型，涂敷在标准测试基板上然后在其各自特定的回流温度曲线下进行焊接。
三组不同的焊后基板分别在标准设备中采用三种清洗剂类型中的一种进行处理：清洗在 50 ℃ 下进行，随后的漂洗采用去离子纯水。
在清洗后，测试基板在 40倍放大的显微镜下目检。接着每块基板采用离子污染检测仪测试。为了发现未被离子污染检测出的活化残留物，采用 ZESTRON 助焊剂测试液对每快测试基板进行定性分析。这项简单的测试步骤检测助焊剂中的羧基酸活化剂和出现的位置以及污染物的分布。
残留物目检和离子污染测试均显示三种清洗剂类型都有很好的结果。在占测试基板总数约 5% 的极少的个案中，检测到有轻微的残留物。但均在微调工艺参数，比如清洗时间、温度和清洗方式后完全去除。
小结
基于已进行的两项涉及约 30 种不同的主要是免洗型无铅锡膏，和上文所述的清洗剂类型，即溶剂型、水基 MPC 和水性碱基表面活性清洗剂(见表 2)的测试得到的结果，可以得出一些重要并且基本的结论。
清洗网板和误印板上的无铅锡膏的结果与那些有铅锡膏的清洗有可比性。经验显示在这个领域没有过渡期的问题。表 2 ：完全清洗残留物所需要的时间
在焊接板上去除助焊剂残留物同样得到非常好的结果。 95%经检测的测试基板显示残留物在上文所述的标准应用中被完全去除。在其余的基板上的部分残留
由于通常已有的清洗应用具备足够大的工艺窗口，应当能够将助焊剂残留物简单轻易的去除并且在不进行额外投资的情况下通过对现有清洗应用进行优化达成。
有鉴于此，在日益迫近的向无铅化转换的进程中，和其它工艺步骤不同的是，运用现代清洗剂的清洗应用不会遭遇严重的困难。
未来前景：使用无铅锡膏会不会令清洗的重要性增加？
转换为无铅锡膏而通常含有银的锡膏将导致清洗要求增加。早在 20 世纪 50年代，已有文献证实焊点的电化迁移导致电子电路失效。由于较低的银含量，电化导致的树状结晶非常不稳定(见图 3)，所以最终的表面电阻值要求在测试中可能达到，但在测试时可能发生暂时的失效。 (见图 4) 。
对于银的氢氧化物和硫化物的形成导致的电化迁移，银有着高度的相关性。高回流温度所需要的大量活化剂具备高度吸湿性。如果它们未被去除或未被彻底去除，它们能够导致组装件的湿膜形成并进而引起电化迁移和树状结晶的产生。由于无铅锡膏中的高活性剂含量很难被可靠的包覆起来，免清洗技术已经触及其极限。
正如很多公司业已发现的，仅仅免清洗已经不能保证焊接器件的可靠性。而电路板则进一步面临更为复杂和苛刻的测试环境。因为大量吸湿性活化剂的存在，无铅锡膏没有足够的窗口来通过这些测试。而对组装件的清洗，特别是对日益增加的现有的和吸湿性的残留物的清洗，能够极大的改善其耐候可靠性并防止极易产生的迁移。
对于当今市场上众多的清洗解决方案供应商来讲，针对最终用户不同要求进行应对以及高度可靠的工艺支持比以往任何时候都更为重要，因而一个能够对问题进行分析，能够在不同清洗设备之间实施有针对性的实验这样的合作伙伴非常必要。除了优化清洗工艺的能力以外，最终用户也应能得到合适的分析方法以便全面评估和验证清洗效果 (比如环境箱测试 )。
KED与德国ZESTRON深圳技术中心已达成紧密合作.(end)
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(3/29/2012) |
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