清洗方法對板卡器件應力影響及優化

戴翼戈，趙鶴然，馬艷艷，李俐瑩

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032；2.沈陽農業大學信息與電氣工程學院，沈陽 110866）

1 引 言

電子封裝和組裝過程一般具有較高的潔凈度要求，往往需要在元器件焊接之后增加清洗環節，來去除焊錫球、有機沾污、助焊劑殘留等組裝多余物及污染。如果清洗不充分，一方面會產生離子或非離子污染，在電流長時間作用下，還易產生電遷移，甚至引發短路。另一方面，可動多余物在航天器件中危害性極大，可能在高加速環境中產生極大的動能，對芯片和元器件有著致命的威脅[1-2]。

有機溶劑具有清洗潔凈度高、速度快和清洗均勻等特點，過程標準化與精確控制程度高，易與自動化設備良好結合。同時，有機溶劑清洗特別適用于表面形狀復雜、精密而又難以清洗的零件，因此在PCB 板電路的清洗中占有重要的地位，被廣泛應用于航天精密零件的加工、裝配等生產環節[3-5]。

故此，針對溶劑清洗過程中的器件損傷問題，結合有機溶劑清洗方式的特點，對器件在沸騰溶劑中的運動、碰撞機制展開研究，給出最大應力的仿真分析方法，并提出清洗優化方案，并進行試驗驗證。

2 常規清洗方法及隱患

優化前的常規清洗操作一般以下述步驟進行：

A.將待清洗工件放入清洗提籃內，工件盡量傾斜擺放，如圖1所示；

B.煮洗：打開上蓋，將提籃緩緩放入左側沸騰池中，煮 3～5 分鐘，如圖2所示；

C.蒸洗：將提籃提至蒸汽區內，以蒸汽清洗3～5分鐘；

D.噴淋：手持噴淋槍對準工件表面，用腳踩下噴淋踏板開關，對工件進行噴淋10～20 秒；

E.漂洗：將提籃緩緩放入右側漂洗池內漂洗1～2 分鐘；

F.清洗工作完成后，將提籃提至冷卻區域，對工件進行冷凝烘干,待溶劑完全揮發后將提籃取出，放置在通風區域干燥，如圖3所示。

圖1 待清洗PCB 板放置方法

圖2 PCB 板在沸騰池中的清洗

圖3 清洗后PCB 板狀態

然而按此法進行的清洗存在著問題：有機溶劑清洗機里的溶劑是溴丙烷，在清洗時溴丙烷為沸騰狀態。開始清洗后，當把PCB 板放入溶劑時，會發生漂浮現象，由此可能造成PCB 板上的元器件發生磕碰，從而損壞。在清洗過程中，由于溴丙烷為沸騰狀態，也會使清洗液中的PCB 板來回翻滾，發生碰撞，從而使元器件損壞。由此發生的損傷如圖4所示。

圖4 清洗前后器件損傷情況對比

3 有限元仿真及最大應力分析

3.1 參數條件

在仿真時須考慮有機溶劑溴丙烷的材料屬性，其詳細參數如表1所示。仿真采用FLUENT 軟件，用Mixture 多相流模型及Evaporation-Condensation模型可解決相變過程中兩相流相變過程中熱傳遞等問題。初始時刻容器包含溫度接近沸點溴丙烷（347K），容器底部加熱，在熱傳導的作用下，底部壁面附近溫度會超過溴丙烷的飽和溫度（348K），此時液體會發生相變（沸騰）而產生氣泡，氣泡會在浮力作用上升。

表1 溴丙烷材料屬性表

在仿真前已對udf 文件做出如下修改：

(1)Mix 混合區的能量相：

返回值=潛熱×質量轉移率；

(2)Liquid 區質量相：

返回值=質量轉移率；

(3)Vapor 區質量相：

返回值=質量轉移率；

(4)質量轉移率：

仿真結果表明，有機溶液清洗槽底部在達到溶液沸點后，在4 秒鐘內，整個溶液區域就進入了較為穩定的有規律波動的沸騰狀態。氣泡從清洗槽底部生成，受浮力作用高速運動到溶液表面，并溢出到清洗機環境中。氣泡運動過程帶動溶液產生流動。溶液流動的最大速度在0.44m/s 到0.69m/s 之間波動，其整體變化規律可由圖5的曲線來描述。

圖5 溶液區域最大速度與時間關系曲線

沸騰溶液中流速分布結果如圖6所示。其中(a)、(b)、(c)、(d)分別為沸騰后 t=4s、5s、6s、7s 四個典型時刻的流速分布云圖。可以看出，在有機溶液清洗槽底部達到溶液沸點4s 后，在清洗槽中間區域形成了條狀高速流動帶，并呈現出有規律的擺動，峰值速度出現在高速流動帶中，其中t=6s 時，峰值速度為監控時間段的最大流速值[6]。

圖6 最大流速分布云圖

3.2 最大撞擊力分析

在沸騰有機溶液中，PCB 板在渦流的帶動下會產生位移，其可能達到的最大位移速度VPCBmax不會超過溶液的最大速度分量Vmax=0.69m/s。因此，假定被清洗PCB 板的速度與最大流速相同，在沸騰溶液中與另一塊靜止PCB 板相撞，發生彈性碰撞。此時，被碰撞PCB 板所受到的撞擊力即為在沸騰溶液中PCB 板所能受到的最大應力。

碰撞是自然界中常見的物理現象,其持續時間很短，一般只有百分之幾秒或千分之幾秒。研究表明，兩個等質等大的球體作一維移動，完全彈性碰撞時間的計算公式為：

進一步，可以計算到碰撞應力：

綜上，即可近似得到最大加速度amax=690m/s2，進而得到PCB 損傷電感線圈（按總質量150g 計算）的碰撞力理論極限值[7]Fmax=103.5N。

4 優化改進方法及驗證

對常規的清洗方式的一大主要改進措施是優化夾具的設計。在制作相關的清洗夾具時，為了保證PCB 板的清洗效果，應使PCB 板在清洗時豎立于清洗夾具中。為了杜絕PCB 板的上的器件在清洗使受到應力，應首先避免PCB 板之間相互接觸磕碰，保持相應的安全距離[8]。其次，為防止PCB 在清洗時受到溶劑應力而發生運動，應制作相應的固定裝置，并且夾具本身不能接觸PCB 板上的元器件。

通過以上的夾具改進后，進行實際清洗實驗。實驗表明，PCB 板在清洗過程，始終固定在自己安全位置上。從根本上避免了PCB 板在清洗時受到的應力，杜絕了PCB 板上元器件損壞現象的發生；清洗方式的優化，夾具固定的增強，有效避免了PCB 板之間的碰撞應力，有力地保護了器件，最終產品的合格率提升到了100%，清洗后目檢通過率100%。

5 結 束 語

針對板卡器件在有機溶劑清洗過程中的應力損傷問題，分析了常規清洗中可能導致損傷的原因，利用軟件對清洗過程進行了仿真，并對最大速度及最大撞擊力進行了分析計算。仿真與實驗結果均證實了優化清洗方法的可行、有效，為減少器件損傷，提高產品合格率和可靠性提供了保障。