電子產品是由各種電子元器件組裝在印制板上，進而組合成整機。最基本的組裝過程是印制電路板組件（簡稱PCBA）組裝（也稱電裝），PCBA組裝中軟釬焊（即錫焊）過程是影響電氣性能和可靠性的緊張環節。根據中國賽寶實驗室可靠性研究分析中間提供的PCBA電裝品詰責題分析統計，腐蝕、電遷移引起的短路、斷路等后期使用失效題目占4%，是產品可靠性的幾大殺手之一。

    現現在的電子組裝件設計趨于小型化，更小的器件，更小的間距，引腳和焊盤都越來越靠近，存在的縫隙越來越小，污染物可能會卡在縫隙里，這就意味著比較小的微粒假如殘留在兩個焊盤之間有可能引起短路的潛在不良。

 

2.1 PCBA的污染

（1）構成PCBA的元器件、PCB的自己污染或氧化等都會帶來PCBA板面污染；

（3）手工焊接過程中會產生的手印記，波峰焊焊接過程會產生一些波峰焊爪腳印記和焊接托盤（治具）印記，其PCBA外觀也可能存在不同程度的其它類型的污染物，如堵孔膠，高溫膠帶的殘留膠，手跡和飛塵等；

     以上說明污染物重要來源于組裝工藝過程，分外是焊接工藝過程。

      焊接中助焊劑的作用是消滅PCB板焊接外觀上的氧化物使金屬外觀達到需要的清潔度，破壞融錫外觀張力，防止焊接時焊料和焊接外觀再度氧化、增長其擴散力，有助于熱量傳遞到焊接區。助焊劑的重要成份是有機酸、樹脂以及其他成分。高溫文復雜的化學反應過程改變了助焊劑殘留物的結構。殘留物每每是多聚物、鹵化物、同錫鉛反應產生的金屬鹽，它們有較強的吸附性能，而消融性極差，更難清洗。

    污染可能直接或間接引起PCBA潛在的風險，諸如殘留物中的有機酸可能對PCBA造成腐蝕；殘留物中的電離子在通電過程中，由于兩焊盤之間電勢差的存在會造成電子的移動，就有可能形成短路，使產品失效；殘留物會影響涂覆結果，會造成不能涂敷或涂覆不良的題目；也可能臨時發現不了，經過時間和環境溫度的轉變，出現涂層龜裂、翹皮，從而引起可靠性題目。

     經電子探針分析，發現焊點外觀除了碳氧及鉛錫成份外，還有檢測到超出正常情況含量的鹵素（Cl）。這種鹵素離子的作用，在空氣與水分的幫助下，對焊點形成循環腐蝕，最終在焊點外觀及周邊形成白色多孔的碳酸鉛，失效部位的焊點已經發白變色且多孔。假如PCBA組裝時因為使用了鐵底材底引線腳底元器件，鐵底材因為缺乏焊料底覆蓋，在鹵素離子以及水分的腐蝕下很快產生Fe3＋，使板面發紅。

 

     另外，在潮濕環境下，具有酸性的離子污染物還可以直接腐蝕銅引線、焊點及元器件，導致電氣失效。

      假如在PCBA外觀有離子污染存在，極易發生電遷移征象，出現離子化金屬向相反電極間移動，并在反向端還原成原來的金屬而出現樹枝狀征象稱為樹枝狀分布（樹突、枝晶、錫須），枝晶的生長有可能造成電路局部短路。

     假如PCBA上使用了含銀的焊料，在銀腐蝕成銀離子后，電遷移更易發生，電遷移失效的PCBA在進行需要的清洗后功能常常恢復正常。

     在PCBA的組裝工藝中，一些樹脂比如松香類殘留物常常會污染金手指或其它接插件，在PCBA工作發熱時或酷熱天氣下，殘留物會產生粘性，易于吸附灰塵或雜質，引起接觸電阻增大甚至開路失效。BGA焊點中PCB面焊盤鎳層存在腐蝕以及鎳層外觀富磷層的存在降低了焊點與焊盤的機械結合強度，當受到正常應力作用時發生開裂，造成電接觸失效。

2.3 污染物分類

對于PCBA的污染物，一樣平常分為三大類型：

     PCBA上的這種污染物是在肯定條件下（放在溶液中時）可以電離為帶正電或負電的離子的一類物質，如鹵化物、酸及其鹽。不同的離子污染物在不同的溶液中會以不同的速率星散為正負離子。

離子污染物重要有以下幾種：

Perspiration汗液

Ethanolamines乙醇胺

Plating Chemistries電鍍化學物質

     PCBA上的這種污染物自己不導電，在電路板上可能相稱于一個電阻（絕緣體），可以阻止或減小電流的流通。最典型的是松香自己的樹脂型殘渣，波峰焊中的防氧化油，貼片機或插裝機的油脂或蠟，焊接工藝過程中夾帶的膠帶殘留物以及操作人員的膚油等。這些污染物自身發粘，吸附灰塵。這些有機殘留物（如松香、油脂等）會形成絕緣膜，會防礙連接器、開關、繼電器等的接觸外觀之間的電接觸，這些影響會隨環境條件的轉變及時間延伸加劇，引起接觸電阻增大，造成接觸不良甚至開路失效。偶然松香覆蓋在焊點上還有礙測試，分外是非極性污染物在極性污染物的配合下，還會加劇污染的程度。

Rosin松香

Greases油脂

Silicone硅樹脂

（3）粒狀污染物

粒狀污染物可以采用機械方式如高壓氣體噴吹、人工剝離、清洗多種方式往來來往除。

（1）表面及電性能要求

     離子污染物假如清洗不當會造成許多題目：較低的外觀電阻，腐蝕，導電的外觀殘留物在電路板外觀會形成樹枝狀分布（樹突），造成電路局部短路，如圖4所示。

 

 

圖5 由離子污染引起的電解錫須的生長導致短路

 

      非離子污染物清洗不當，也同樣會造成一系列題目。可能造成電路板掩膜附著不好，接插件的接觸不良，對移動部件和插頭的物理干涉和敷形涂層附著不良，同時非離子污染物還可能包裹離子污染物在其中，并可能將另外一些殘渣和其它有害物質包裹并帶進來。這些都是不容忽視的題目。

     要使得三防漆涂覆可靠，必須使PCBA的外觀清潔度吻合IPC-A-610E-2010三級標準要求。在進行外觀涂覆之前沒有清洗掉的樹脂殘留物會導致珍愛層分層，或者珍愛層出現裂紋；活化劑殘留物可能會引起涂層下面出現電化學遷移，導致涂層破裂珍愛失效。研究注解，通過清洗可以增長50%涂敷粘結率。

     按照現行標準，免清洗一詞的意思是說電路板上的殘留物從化學的角度上看是安全的，不會對電路板產生任何影響，可以留在電路板上。檢測腐蝕、外觀絕緣電阻（SIR）、電遷移還有其他專門的檢測手段重要是用來確定鹵素/鹵化物含量，進而確定免清洗的組裝件在完成組裝后的安全性。不過，即使使用固含量低的免清洗助焊劑，仍會有或多或少的殘留物。對于可靠性要求高的產品來講，在電路板上是不許可存在任何殘留物或者其他污染物的。對于軍事應用來講，即使是免洗電子組裝件都規定必須清洗。

3 清洗的原理

    PCBA裝焊后的清洗是一項增值的工藝過程，其重要義務是消滅焊接之后的助焊劑殘余物、膠帶的殘膠及其他人為污染，目的是進步PCBA的使用可靠性。這在曩昔曾被認為是不增值的勞動，如今看來是錯誤的熟悉。

清洗PCBA，首先要確定的是清洗劑與電路板在焊接過程中產生的殘留物相匹配，即要解決助焊劑殘留與清洗劑的兼容性，以便能容易將殘留去除并達到知足清潔度的目標。一個有用的清洗工藝，必須保證焊接溫度曲線參數、清洗工藝設置參數、焊膏焊料及助焊劑所有參數都達到最佳匹配范圍。

采用化學溶劑的消滅助焊劑焊接殘留物的消融過程大多數是寄托堿性PH值的清洗劑，清洗劑中含有金屬離子，這些金屬離子可以促進化學反應形成鉛鹽，有些鉛鹽Pb(NO)3易溶于水，其他的則不溶于水，這些鉛鹽聚集在PCBA外觀形成了白色沉淀物。

 

    從清洗能力來講，我們所使用的溶劑中氯氟烴化三氯三氟乙烷（簡稱 CFC-113），具有脫脂服從高、對助焊劑殘渣消融力強、易揮發、無毒、不燃不爆、對電子元器件和 PCB 無腐蝕以及性能穩固等好處，是一種最為理想的溶劑。但它對大氣臭氧層有破壞作用，緊張危害人類的生存環境。1987年在加拿大蒙特利爾各國當局簽署了珍愛臭氧層協定書—《關于消費臭氧層物質的蒙特利爾議定書》，業界賡續進行探索，追求較好的禁止使用消費臭氧層物質（ODS，ozonedepleting substance）的替換清洗溶劑。到目前為止，還沒有可完全替換且在清洗能力上優秀的溶劑。

對于著名的代工廠或大型生產制造工廠陸續重新考慮清洗工藝，配置響應的在線式清洗機或離線式清洗機，以設備清洗替換人工清洗，保證PCBA清洗品質。

 

圖6a 手工焊接清理放置后

 

 

不管板子在清洗后出現白色殘留，或者是免清洗的板子存儲后出現白色物質，照舊返修時發現的焊點上的白色物質，無非有四種情況：

（2）松香變性物：這是板子在焊接過程中，松香與焊劑發生反應所產生的物質，而且這種物質的消融性一樣平常很差，不容易被清洗，滯留在板子上，形成白色殘留物。但是這些白色物質都是有機成分的，仍能保證板子的可靠性。

（4）金屬無機鹽：這些可能是焊料中的金屬氧化物與助焊劑或焊膏中的含鹵活性劑、PCB焊盤中的鹵離子、元器件外觀鍍層中的鹵離子殘留、FR4材料含鹵材料在高溫時釋放的鹵離子反應生成的物質，一樣平常在有機溶劑中的消融度很小。

Pb + 1/2 O2 ===== PbO

PbCl + H2O + CO2 ===== PbCO3(白色粉末狀腐蝕物) + 2HCl

CuO + 2HCl ===== CuCl2 + H2O

 

    PCBA清洗結果的定性和量化檢驗，通過潔凈度指標來評估。

    按中華人民共和國電子行業軍用標準SJ20896-2003中有關規定，根據電子產品可靠性及工作性能要求，將電子產品潔凈度分為三個等級，如表1所示。

 

     在現實工作中，根除污染現實上幾乎是不可能的，一個折衷的辦法就是確定電路板上的污染可以和不可以接受的程度。按照IPC-J-STD-001E標準助焊劑殘留三級標準規定＜40μg/cm2，離子污染物含量三級標準規定≤1.5（Nacl）μg/cm2，萃取溶液電阻率＞2×106Ω·cm。

 

 

5.2.1 目測法

5.2.2 溶劑萃取液測試法

     離子污染物通常來源于焊劑的活性物質，如鹵素離子，酸根離子，以及腐蝕產生的金屬離子，效果以單位面積上的氯化鈉（NaCl）當量數來透露表現。即這些離子污染物（只包括那些可以溶入在溶劑）的總量，相稱于多少的NaCl的量，并非在PCBA的外觀肯定存在或僅存在NaCl。

     此法是測量PCBA上導體之間外觀絕緣電阻，外觀絕緣電阻的測量能指出因為污染在各種溫度、濕度、電壓和時間條件下的漏電情況。其好處是直接測量和定量測量；而且可以檢測局部區域是否存在焊劑。因為PCBA焊膏中的殘留焊劑重要存在于器件與PCB的夾縫中，分外是BGA的焊點，更難以消滅，為了進一步驗證清洗結果，或者說驗證所使用的錫膏的安全性（電氣性能），通常采用測量元器件與PCB夾縫中的外觀電阻來檢驗PCBA的清洗結果。

5.2.4 離子污染物當量測試法（動態法）

5.2.5焊劑殘留量的檢測

 

    如今，許多PCBA的生產制造中都用到了清洗工藝，對于不同級別要求的產品、采用的助焊劑以及經過的工序的差別，需采用的清洗劑、所需設備、工藝都不雷同。大部分設備供給商都推出了清洗機設備及其清洗方案，并首先對制造工廠的焊接后的殘留物的檢測分析，然后給出針對性的體系清洗解決方案。有全主動化的在線式清洗機、半主動化的離線式清洗機、手工清洗機等，有適用于全水基（用離子水清洗）、半水基（用化學物質水溶液清洗，如皂化液）以及全化學溶劑的方式清洗。許多公司傾向于采用水基清洗劑，并向環境友愛方向發展。全球著名清洗產品及技術支撐供給商有ZESTRON、KYZEN等。

      一種全主動化的在線式清洗機實物圖，見圖7所示。該清洗機針對SMT/THT的PCBA焊接后外觀殘留的松香助焊劑、水溶性助焊劑、免清洗性助焊劑/焊膏等有機、無機污染物進行徹底有用的清洗。它適用于大批量PCBA清洗，采用安全主動化的清洗設備置于電裝產線，通過不同的腔體在線完成化學清洗（或者水基清洗）、水基漂洗、烘干悉數工序。清洗過程中，PCBA通過清洗機的傳送帶在不同的溶劑清洗腔體內，清洗液必須與元器件、PCB外觀、金屬鍍層、鋁鍍層、標簽、字跡等材料兼容，特別部件需考慮能否經受清洗。

清洗工藝流程為：入板----化學預洗----化學清洗----化學隔離----預漂洗----漂洗----最后噴淋----風切干燥----烘干。清洗過程如圖8示。

半主動化的離線式清洗機

 

圖9 半主動化的離線式清洗機

 

     PCBA在清洗籃中的放置密度和放置傾角是有肯定要求的，這兩個因素對清洗結果會有直接的影響，如圖10所示。

手工清洗機

 

圖11 手工清洗槽

 

詳細：超聲波清洗作為投資少、便于實施的方案也為一些PCBA生產制造商所采用。但是，航天軍工限（禁）用超聲波清洗工藝，超聲波清洗不應用于清洗電氣或電子部件、元器件或裝有電子元器件的部件，清洗時應采取珍愛措施，以防元器件受損（美軍標DOD-STD-2000-4A《電氣和電子設備通用焊接技術要求》）；IPC-A-610E-2010三級標準也一樣平常禁止超聲波清洗工藝。

7 體系設計與工藝考量

    近兩年從國外開始正視起清洗題目，出現了很多的清洗設備供給商和方案公司，提供清洗設備、溶劑和清洗工藝服務。我國軍工企業也響應開始這方面的應用研究，代工和生產制造企業的PCBA清洗的顧客要求越來越多。

     大多數設計師把清洗列為設計以后的事情，留給工藝工程師去做，但是PCB的布局設計對清洗的能力的影響極大，后續生產制造中的清洗并非能解決所有題目。

    來料PCB與元器件應保證外觀無顯明污染物，元器件外觀的污染物也會因工藝緣故原由帶到PCB上。一樣平常PCB的離子污染應控制在1.5mgNaCl/cm2以下，元器件在保持可焊性的同時，要保證同樣的清潔度要求。

     在不少企業組裝好的PCBA隨意堆放，車間環境差，無抽風設備，人員赤手空拳行事，極易引起PCBA板面的污染，汗漬污染卻不可避免，因此必須采取需要的措施，保證作業條件需要的清潔度要求。

     重要包括助焊劑、焊膏、焊錫條、焊錫絲。理想的焊劑在工藝中因為預熱及焊接熱，還有錫波的清洗，會使焊劑中的活性物質得到充分地行使，將清潔度保持到最佳。此外，SMT使用的部分焊膏的殘留物極多，而且去除極難。因此選用焊料焊劑特別很是緊張，最好從通過檢測的產品中選擇，并進行需要的工藝試驗，使之與清洗過程相匹配，再確定使用。

     PCBA的重要殘留物來自焊劑。因此在保證焊接質量的條件下，適當進步焊接時的預熱及焊接溫度，以及需要的焊接時間，使盡可能多的離子殘留會隨高溫分解或揮發，從而得到清潔的PCBA。此外，其他控制措施，比如采用防潮樹脂珍愛PCBA的外觀，間接地防止或降低離子殘留物的影響，這也不失一個好辦法。

7.5 使用清洗工藝

7.6 PCBA清洗詳細事項

（2）在清洗時要防止有害的清洗劑侵入未完全密封的元器件內，以免對元器件造成損害或潛在的損害。

（4）清洗不應對元器件、標識、焊點及印制板產生影響。

8 結束語

      從賡續發展的電子產品市場可以看出，當代和將來的電子產品將會變得越來越小，對高性能和高可靠性的要求將比以往任何時候都更為強烈。徹底清洗是一項十分緊張而技術性很強的工作，它直接影響到電子產品的工作壽命和可靠性，也關系到對環境的珍愛和人類的健康。要從整個生產工藝體系的角度來重新熟悉息爭決焊接清洗題目，方案的實施要配合助焊劑、焊料焊膏、焊錫絲等焊接材料的使用，使有機溶劑、無機溶劑及其混合溶劑或者水洗或者免清洗與其做到匹配，才能有用除去殘留，使清洗潔凈度較容易得以知足顧客期望。