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PCB上的小型元件需要灵活的清洗方法
材料来源:SMT CHINA           录入时间:2017/7/31 22:18:20

(本文摘自《SMT China表面组装技术》杂志2017年6/7月刊技术文章,仅限于SMTC读者及业内人士参考,不得作为商业用途!版权所有,违者必究!)

大多数人都无法准确地预测未来,但是这个预测则毋庸置疑:电子产品将变得越来越小,越来越智能,密度越来越大,产生的热量越来越多。这使移动设备的计算能力更强大并且能搭载更多深受大家喜爱的时髦功能,这是一件好事。但是,它也给PCB制造商带来压力,因为他们要在移动设备中部署的微型元件将比以前任何时候都更复杂,公差更小。

尺寸更小、密度更高的电路板使缺陷管理、质量管理和产品寿命这些问题极具挑战性。这也是为什么许多公司把PCB清洗工艺视为决定成败的关键工艺的原因。如果器件没有经过有效的清洗,它的功能在产品的生命周期内是不可靠的。

制造商还需要一个灵活的清洗工艺,这是因为当前使用的元件在下一年的设计中很可能就不会再用了。清洗工艺的清洗速度固然重要,但是,还要能够清洗新的形状的元件或者不同寻常的污染。一个大型的、固定的、不灵活的清洗工艺可能今天的成本效益很好,但是,它能够清洗五年之后的零件和助焊剂吗?

一个公司要使它投资的清洗工艺不过时,就必须了解清洗的复杂性。但是,这在实际上是很困难的,因为权衡得失并不是一件容易的事情;这是一个集中了很多不同因素的方程式。这个方程式的问题在于,在考虑所有的重要需求时,到底是哪一个因数会在清洗工艺中起关键作用,既能清洗现在的元件,又能清洗未来的元件?在我看来,这个起关键作用的因数就是在清洗时使用的溶剂。

是改变清洗工艺的时候了

在上个世纪末与这个世纪初,清洗工艺基本上使用水基清洗剂。水很便宜,电路板很大,元件的托脚又高。清洗系统的尺寸变得很大,一个小时可以把成百上千块电路板清洗干净。

但是,就像那些曾经统治过地球的恐龙一样,有些东西并不是越大越好。使用水基清洗剂进行清洗可能不再是最好的清洗方法,原因很简单,因为系统的庞大和复杂使它们变得僵化。使用固定清洗工艺的公司很难适应新的元件设计和新的污染。它们会把在风险留给后面的清洗工艺,尤其是越来越小的元件会使清洗工艺清洗起来越来越困难。很多制造商现在选择溶剂清洗技术,因为他们发现它更有效,很灵活,而且还不昂贵。

溶剂清洗本质上是蒸汽去污:它是一个只有很少几个移动部件的闭路系统,溶剂在系统内反复循环使用。这降低清洗成本,提高生产量。尤其是在清洗尺寸很小的元件时,蒸汽去污具有极好的清洗能力。

在最简单的配置中,上开门清洗机由两个腔室组成。第一个腔室被称为沸腾槽,第二个腔室是漂洗槽。两个腔室都充满一种不会燃烧的专用清洗液,这些清洗液在略高于室温的温度下沸腾。

溶剂在沸腾槽中被加热,在快速旋转的液体中清洗浸在液体中的零件。在加热时还会产生热蒸汽(即溶剂的蒸汽)。蒸汽在机器内上升,直到它们被环绕在系统周边的线圈冷却。冷凝的蒸汽再次回到液态。这种由蒸汽返回液态的液体是纯净清洁的蒸馏液体,通过管道进入漂洗槽,最后从漂洗槽溢出,流回沸腾槽。

在这种清洗机中,没有空气刀、鼓风机或烘干机,从机器中吐出来的零件干净,干燥,没有污渍,可以立即进行下一步操作。根据清洗工艺的需求,蒸汽去污可以处理最大的零件,最大的体积和最具挑战性的形状。

增加几个简单的功能就可以使这个简单的清洗系统变得更加灵活。自动升降功能可以移动脏的零件,使它通过清洗系统。超声波可以增强清洗,确保无残留物的清洗结果。可以给两个槽配备过滤系统,去掉不会溶解的污染物(颗粒)。“过热”和外部蒸馏是既省钱,又能加强清洗性能的选择。这些系统很容易编程,实现最佳的可重复清洗。公司可以在这些功能中进行选择,根据清洗的电路板和预算定制他们的设备和工艺。


蒸汽去污的优点

和水洗系统相比,蒸汽去污的优点显而易见。蒸汽去污系统非常容易使用,效率很高,占地小,可以降低总体成本和操作成本。现在,让我们看看这些好处是如何实现的。

首先,用溶剂清洗是充分利用清洗液的化学特性,而不是处理这些化学特性。沸点低的溶剂的表面张力和粘度比水小很多,因此它们可以很容易清洗元件,即使是零件的最细微的部分。大多数蒸汽去污液体的比重都很大,通常比水大20%40%,这有助于从元件上移走微小颗粒。由于溶剂是为清洗专门配制的,适合用这种溶剂清洗的零件很容易清洗和干燥。把所有这些因素结合起来,就得到一个“润湿指数”,可以用它比较各种清洗剂的清洗效果(表1)。

蒸汽去污的另一个优点是清洗液在低温下沸腾(通常略高于室温),所以加热清洗液使用的电力很少。清洗能力和水清洗机大致相当的蒸汽去污机消耗的电能是水清洗机的六分之一。由于燃烧化石燃料发电是大气中二氧化碳的主要来源之一,节能型的系统非常有吸引力。

和水皂化剂与表面活性剂不同的是,蒸汽去污机使用的溶剂可以无限次重复使用,从节约成本的角度看,这是个意外的收获。这是由于蒸汽去污剂是循环使用的。由于水清洗技术使用的清洗液体在使用一次后就要倒掉,而溶剂清洗的溶剂可重复使用,这使溶剂清洗成为成本效益最好的清洗选项。

只要设计、装备和配置都正确,这些溶剂清洗机的清洗效率比其他的所有清洗技术都要高。


水清洗没有像你所认为的那么环保

最常见的清洗方法是用水清洗来替代溶剂清洗。根据经验,在非关键应用中它可以工作得很好,这是因为水清洗是使用泵来喷雾,利用泵和喷出的雾滴的动能“强力清洗”污染的表面。但是,在零件变得更小和元件托脚变得更低时,水系统的清洗能力就会受到限制。

水清洗在表面上的优点并不总是能够达到人们的预期,这里有很多原因。

首先,水清洗系统要使用干净的水,这些水不是直接来自自来水龙头。系统可以接受的水必须是经过预处理的水,这样的水可以保证水中没有痕量物质矿物质,或者是预先存下的水,这种水的生物负载符合清洗工艺的要求。接下来,必须在水中加入昂贵的清洗液体,降低水的表面张力,只有这样,水才能进行有效的清洗。最后,监控清洗液需要很多专业知识(例如,关于pH值的知识),因此,水清洗需要额外的人力、消耗品和服务。相比之下,溶剂清洗中的溶剂是现成的,不需要和其他材料混合,并且可以无限次使用。

水清洗工艺是水平操作的,包含许多移动部件,包括传送带、水泵、空气刀和加热器。这些机器和它们的支持系统占地面积要比蒸汽去污系统大很多,在工厂车间的整体空间中,水清洗机需要占用较大的空间。相比之下,蒸汽去污系统是垂直工作的,需要的空间小,消耗的能量也比水清洗系统少。

清洗PCB中的那些很小的精致零件是对水清洗系统的一个挑战。由于水分子的化学特性,在清洗时,水经常不能进入最狭窄的空间或最小的孔洞中。这意味着在清洗时,那些水很难到达的地方不是湿润的,清洗领域的专家都知道,如果你不能湿润待清洗的东西,你就无法清洗它。表1比较水和各种常用溶剂的润湿能力。

待清洗的电路板通过大型水清洗系统还比蒸汽去污机要慢的多。我本人曾见过15米长的水清洗系统,清洗周期是45分钟,而蒸汽去污机清洗一篮PCB一般是810分钟。

现在,能源是个大问题。水清洗系统只能在高温下进行有效的清洗,清洗后干燥零件需要更多的能量,清洗零件的水在使用后还要用更多的能量来处理。浸没清洗的水系统还会把水汽喷到工作区域的大气空间中,需要更多的电力来降温和降低湿度,而它需要很多能量来加热水。如上所述,清洗数量相同的零件,水清洗机消耗的能量一般至少是蒸汽去污机的六倍。

因为水不容易穿过2微米或3微米的过滤器,所以水基清洗系统的过滤也是个问题。实现微米级过滤的唯一方法是用高功耗的大功率泵压水,让水通过过滤器。

同时,漂洗和干燥工艺要复杂得多。经常要用鼓风机或加热烘干机来干燥零件的角落和缝隙,即便如此,沾上污渍或腐蚀可能也是一个问题。操作这些鼓风机和加热烘干机还需要额外的能量。

最后,组装好的器件在接触残留的有机材料时,器件上会形成生物污染,这也是水清洗系统可能遇到的一个问题,但溶剂基清洗系统就没有这种问题。对于受到生物污染的器件,医用器件制造商将不得不重新清洗,重新封装,或者废弃,蒸汽去污清洗系统可以显著地节省时间和金钱。

总而言之,溶剂清洗不仅具有环境效益,还能为几乎所有的制造商节约成本。

创新的溶剂和环境

现在的新溶剂符合严格的环保标准。例如,它们都是完全臭氧安全型(ozone-safe)产品。它们符合欧盟的化学物质注册、评估、授权和限制(REACH)法规的要求,是按照美国有毒物质控制(TSCA)法案注册的产品,而且一些最新的新溶剂几乎没有会对全球变暖带来影响的物质。市场上现有的这些创新的新溶剂不仅爱护我们的地球,并且是以最低的总体成本实现持续可靠的清洗。

在选择一种清洗方法之前要做相应的清洗试验,这是必须的。测试通常包括收集受污染的零件的标准样本,并把它们送到化学公司的实验室。所有的质量供应商应当愿意接受并且能够执行一定数量的测试。供应商应提供详细的书面报告,进行这些服务往往是免费的。

元件持续小型化使关键的PCB清洗面临挑战。一般地说,为了保护人类和环境,必须正确完成清洗工作,再加上不断要求降低成本的压力,使溶剂清洗成为一个非常有吸引力的选择。如果一家公司选择最通用、最灵活、风险最低的清洗方法,能够满足所有关键的清洗需求,这个公司将成为赢家,选择使用蒸汽去污工艺的溶剂清洗将使公司在行业中独占鳌头。(SMTC@ACT)


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