PCB波峰焊工藝離子清潔度分析

舒?zhèn)トA 廖聲禮

SHU Weihua LIAO Shengli

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

GREE Electrical Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

電子產(chǎn)品的印制線路板在裝配過程中，都需要使用不同類型的助焊劑。助焊劑通常由活性劑、成膜劑、添加劑和溶劑等成分組成。活性劑由有機酸或有機鹵化物組成，添加劑常由酸度調(diào)節(jié)劑、消光劑、光亮劑、緩蝕劑和阻燃劑等物質(zhì)中的一種或幾種組成。這些物質(zhì)在焊接以后所形成的殘渣會對電子產(chǎn)品的性能產(chǎn)生不良影響。另外，在印制線路板裝配過程中，工藝操作、焊接過程、原材料和工作環(huán)境等都會帶來不同程度的污染物。隨著免清洗工藝的推行，對板面離子清潔度更加重視，所以，正確地選擇助焊劑，制定相應的波峰焊工藝參數(shù)，對于減少版面殘留物，保證電子產(chǎn)品的質(zhì)量極為重要。本文通過研究，探討影響離子清潔度的因素。

2 離子污染主要來源

PCB板上因制程及材料來源和人為等原因造成的污染物殘留統(tǒng)稱污染，這些污染物以陰陽離子的狀態(tài)來體現(xiàn)和計算，稱為離子污染。離子污染的主要來源以板材原材料及制程中的酸根殘留等為主。如PCB制程中的酸洗會造成酸性離子（NO3-、SO4-）的殘留，噴錫制程中Cl-的殘留，PCB本身Br-的殘留等以及焊接工藝的助焊劑殘留[1]。

3 材料的選擇及試驗方案

3.1 材料選擇

助焊劑：選擇的兩款助焊劑，助焊劑A和助焊劑B，產(chǎn)品均符合GB/T 31474-2015《電子裝聯(lián)高質(zhì)量內(nèi)部互連用助焊劑》要求，且型號符合IPC J-STD-004B中的ROL0型；

印制電路板組裝件（PCBA），同批次生產(chǎn)的某種印制電路板組裝件，尺寸：21 cm×14 cm；

波峰焊焊料：SnCu0.7，GB/T 31476-2015《電子裝聯(lián)高質(zhì)量內(nèi)部互連用焊料》。

3.2 試驗方案的制定

根據(jù)型號產(chǎn)品使用要求，使用波峰焊工藝焊接印制板試驗，試驗的項目如下：

（1）助焊劑流量大小對離子濃度污染影響；

（2）波峰焊參數(shù)對離子濃度污染影響；

（3）波峰焊內(nèi)不同狀態(tài)下離子濃度污染變化情況；

（4）樣品放置時間對離子濃度污染影響；

（5）不規(guī)范取樣對離子濃度污染影響。

4 試驗過程

4.1 助焊劑流量大小對離子濃度污染影響

選取兩款助焊劑，分別驗證不同流量大小對離子濃度污染的影響與變化規(guī)律。在正常生產(chǎn)噴助焊劑過波峰焊，只改變流量大小，其它波峰焊參數(shù)不調(diào)整，測試離子濃度污染，觀察對比兩者的變化規(guī)律。

4.1.1 試驗方法

①選用剛開封PCB板，光板測試PCB板離子濃度污染，排除PCB板離子濃度污染過大對試驗結(jié)果的影響。（我司入廠檢驗標準，PCB光板離子濃度污染＜8 μg Nacl/sq inches）

②選取同批次PCB板樣品，正常生產(chǎn)噴助焊劑A過波峰焊。波峰焊助焊劑流量分別選取20 mL/min、30 mL/min、40 mL/min。

③測試條件②下不同樣品離子濃度污染大小。

④選取同批次PCB板樣品，正常生產(chǎn)噴助焊劑B過波峰焊。波峰焊助焊劑流量分別選取20 mL/min、30 mL/min、40 mL/min。

⑤測試條件④下不同樣品離子濃度污染大小。

測試方法參考IPC-TM-650 2.3.25C[2]，用超純凈的萃取溶液從PCB上移去焊接工藝過程中留下的殘余物。對清潔結(jié)果的測量是以電導率或電阻系數(shù)為評判依據(jù)。測試中，用純的75%IPA（異丙醇）和25%去離子水（體積比）配制的溶液作為萃取液。將PCB置于萃取液中，測量PCB中污染物溶解后萃取液的電導率或電阻系數(shù)，作為污染物的依據(jù)。由于污染物的離子種類不同，測試中，統(tǒng)一用當量NaCl的離子濃度來代表，即用μgEq NaCl/sq inches來表示，當量NaCl的離子濃度的大小，作為離子污染程度的參數(shù)。

4.1.2 助焊劑流量大小對離子濃度污染結(jié)果比較

表1為不同助焊劑及流量對離子污染濃度的數(shù)據(jù)，從表1可見，對于兩種助焊劑，增大助焊劑流量均會使正常過波峰焊的PCB板面離子污染濃度增大，即助焊劑流量越大，離子污染濃度越大。并從數(shù)據(jù)可以看到流量變化，同一型號的助焊劑離子污染濃度的變化范圍是：助焊劑A相差約10～20 μg Nacl/sq inches個單位數(shù)，助焊劑B相差約25～50 μg Nacl/sq inches個單位數(shù)，即不同型號助焊劑離子濃度有差異。

表1 不同助焊劑及流量對離子污染濃度的數(shù)據(jù)

4.2 波峰焊參數(shù)對離子濃度污染影響

波峰焊參數(shù)（噴霧速度、噴霧壓力、噴嘴高度）對離子濃度污染的影響與變化規(guī)律。在正常生產(chǎn)噴涂助焊劑過波峰焊，改變不同波峰焊參數(shù)（噴霧速度、噴霧壓力、噴嘴高度）[3]，比較離子濃度污染的差異性。

4.2.1 測試方法

①助焊劑A，鏈速1400 mm/min，流量30 mL/min，正常預熱過錫爐；

②在其它變量不變的情況下，改變其中一個參數(shù)。噴霧速度變化值為200 mm/s、300 mm/s、400 mm/s；噴霧壓力變化值為0.01 Mpa、0.03 Mpa、0.05 Mpa；噴嘴高度變化值為60 mm、80 mm、100 mm。

③分別測試條件②下所有樣品。

4.2.2 波峰焊參數(shù)對離子濃度污染影響測試結(jié)果比較

從試驗分析得出，按照正常生產(chǎn)噴助焊劑過錫爐，改變以上波峰焊參數(shù)（噴霧速度、噴霧壓力、噴嘴高度）對最終離子濃度污染測試值影響很小，這些噴霧工藝參數(shù)變化對離子濃度污染值的影響在2～3.5 μg Nacl/sq inches個單位內(nèi)。說明噴霧速度、噴霧壓力、噴嘴高度等參數(shù)并非影響離子濃度污染大小的主要因素，詳見表2。

表2 波峰焊參數(shù)對離子污染濃度的數(shù)據(jù)

4.3 波峰焊內(nèi)不同狀態(tài)下離子濃度污染變化情況

分析驗證PCB板在波峰焊內(nèi)不同狀態(tài)下，如：噴助焊劑前、噴助焊劑未預熱、噴助焊劑預熱后、過錫爐后等狀態(tài)下離子濃度污染變化趨勢。

4.3.1 試驗方法

選擇助焊劑A，選取噴涂助焊劑前、噴助焊劑未預熱、噴助焊劑預熱后、過錫爐后等狀態(tài)下樣品，測試離子濃度污染值。

4.3.2 波峰焊內(nèi)不同狀態(tài)下離子濃度污染試驗結(jié)果

PCB板噴涂助焊劑后在未預熱和不過錫爐的狀態(tài)下，離子污染濃度較高。離子濃度污染值能達到60 μg Nacl/sq inches。在經(jīng)過預熱后，離子污染濃度會降低，離子濃度污染值降低至40 μg Nacl/sq inches。如助焊劑正常預熱并進行過錫后，離子污染濃度會再一次降低，離子濃度污染值最終能降低至30 μgNacl/sq inches。單過錫爐不噴助焊劑的狀態(tài)下，離子污染濃度不超過5 μg Nacl/sq inches，與光板測試離子污染濃度值變化差異不大。因此可以推測，單獨錫料接觸PCB板對離子濃度污染影響不大，影響離子濃度污染值與助焊劑有關(guān)，而焊接溫度對助焊劑影響很大[4]，數(shù)據(jù)見表3。

表3 波峰焊內(nèi)不同狀態(tài)下離子濃度的數(shù)據(jù)

4.4 樣品放置時間對離子濃度污染影響

分析驗證待測試樣品放置在靜電袋后，放置時間長短對離子濃度污染的規(guī)律。

4.4.1 試驗方法

選擇2拼板的PCB板樣品，同一參數(shù)和狀態(tài)條件下過板，保存在靜電袋中，對比放置10天、20天、30天和40天后離子濃度污染值。

4.4.2 試驗結(jié)果

對比放置時間不同天數(shù)前后樣品，放置一個月后測試的樣品比原樣品離子濃度污染值有所增加，說明放置時間會影響離子濃度污染測試值，放置時間增長會使離子濃度污染值增大。放置約1個月的時間趨于穩(wěn)定，詳見表4。對于焊接后的板面離子殘留，主要是一些松香樹脂和羧酸鹽類，通常是有極性的，而且隨著時間的推移，有可能在線路板上引起電氣化學效應，這些污染物的存在尤其危險[5]。所以行業(yè)對于高可靠性要求的焊接工藝，都要求清洗，且焊接與清洗工藝之間停留時間不宜過長。

表4 樣品放置不同時間離子濃度的數(shù)據(jù)

4.5 取樣方式對離子濃度污染影響

分析驗證不規(guī)范取樣（使用徒手接觸PCB板）對離子濃度污染的規(guī)律。

4.5.1 試驗方法

選擇2拼板的PCB板樣品，其中1拼板采用不規(guī)范取樣，使用徒手接觸PCB板。測試離子濃度污染值對比兩者的差異。

4.5.2 取樣方式對離子濃度污染的試驗結(jié)果

測試結(jié)果見表5。

表5 取樣方式對離子濃度的影響數(shù)據(jù)

從以上數(shù)據(jù)分析得出，用手直接接觸PCB板不規(guī)范方式取樣的樣品，離子濃度污染測試值比規(guī)范取樣要高。因為手中汗液含有NaCl，如果取樣過程中使用手接觸PCB板，將會對最終離子濃度污染測試值有直接影響，用手接觸PCB板等不規(guī)范的取樣方式，將會使離子濃度測試值偏大。

5 結(jié)論

通過驗證，助焊劑流量與離子污染濃度的定性關(guān)系有了清楚的認識，增大助焊劑流量均會使正常過波峰焊的PCB板面離子污染濃度增大，即助焊劑流量越大，離子濃度污染越大。助焊劑本身物理特質(zhì)會整體決定離子濃度污染值大小，具體體現(xiàn)在不同品牌助焊劑測試離子濃度值有較大差異。制造工藝過程中的噴霧速度、噴霧壓力、噴嘴高度等參數(shù)并非影響離子濃度污染大小的關(guān)鍵因素。過波峰焊不同狀態(tài)下，離子濃度污染測試大小規(guī)律如下：噴助焊劑未過預熱和錫爐＞正常過預熱未過錫爐＞正常過預熱正常過錫爐。放置時間增長和不規(guī)范的接觸方式會使最終離子濃度污染值增大。