ОЧИЩЕННЯ В ПРОЦЕСІ МОНТАЖУ ДРУКОВАНОЇ ПЛАТИ (ЧАСТИНА 2). ОЧИЩЕННЯ ДРУКОВАНОЇ ПЛАТИ

05.05.2023 |

Друга з чотирьох частин циклу «Очищення в процесі монтажу друкованої плати» присвячена найбільш часто обговорюваній темі в цій галузі – очищенню друкованих плат.

Очищення друкованої плати.

Очищення друкованої плати зазвичай визначається як видалення залишків флюсу з самих друкованих плат, комплексних друкованих плат після монтажу або очищення гібридних чи керамічних схем. Ви також повинні пам’ятати про видалення відбитків пальців, пилу та інших забруднень перед операцією нанесення захисного покриття. Недотримання цієї вимоги означає ризик, якому виробник не повинен наражатися.

Стандарт IPC J-STD-001E містить чіткі вказівки щодо того, хто повинен виконувати очищення плат.

Малюнок 1

Клас 1: Електронні вироби загального призначення. Клас включає вироби, для яких основною вимогою є функціонування системи після її монтажу.

Клас 2: Електронні вироби спеціального призначення. Цей клас включає вироби, для яких потрібен визначений життєвий цикл і для яких довгострокова продуктивність є бажаною, але не критичною, і де нормальні умови експлуатації не повинні призводити до відмови.

Клас 3: Електронні вироби високої надійності. Вироби, для яких продовження роботи або функціонування після запуску є критично важливим, збій неприпустимий, а робоче середовище може бути дуже вимогливим: є програми, що рятують життя, або інші критичні програми.

Вироби класу 1. Ці вироби, за деякими винятками, ніколи не очищаються повністю. Вимоги до їх експлуатації та середовища використання не є причиною несправності протягом очікуваного терміну служби виробу.

Вироби класу 2. Зазвичай ці вироби не вимагають очищення, але через зростаючі очікування щодо роботи, функціональності чи мініатюрності при збереженні надійності все більше виробників вирішують включити очищення в процес. Схоже, що ера «одноразових» електронних виробів добігає кінця, а збільшення упаковки зменшує відстань між контактними площадками, таким чином збільшуючи ризик іонних залишків.

Вироби класу 3. Ці вироби завжди потребують очищення, оскільки очікується, що вони працюватимуть у будь-який час, навіть за екстремальних умов, таких як дуже низькі або дуже високі температури.

Планування процесу очищення 

Плануючи процес очищення, необхідно відповісти на два питання: які параметри слід брати до уваги і як бути впевненим, що процес очищення відповідає нашим вимогам? Щоб відповісти на ці питання, виробники повинні розглянути ключові елементи процесу очищення друкованої плати.

  1. Домішки.

Залишкам флюсу зазвичай приділяють найбільшу увагу, але не слід забувати і про відбитки пальців або інші частинки та забруднення. Більшість стандартних процесів очищення (хоча і є деякі проблеми) чудово видаляють залишки флюсу з поверхні друкованої плати. Однак найбільшою проблемою є сміття, що потрапило під низько розташовані компоненти або у вузькі щілини. Агресивні миючі засоби, хоч і ефективно видаляють бруд із вузьких місць, також можуть завдати шкоди. Мета полягає в тому, щоб знайти засіб для очищення, який ефективно очищає плату і не коштує надто дорого: для виробників засобів для очищення це можливість виділитися серед конкурентів. Забруднювачі є ключовим елементом процесу очищення друкованої плати. Звичайно, не всі флюси однакові, і кожна плата проходить процес оплавлення або хвилю з різними параметрами.

Поширені залишки флюсу:

  1. Залишки водорозчинних флюсів. Раніше залишки водорозчинних флюсів легко змивалися водою. Однак у міру мініатюризації вузла це завдання ставало дедалі складнішим через високий поверхневий натяг води, що обмежує можливість проникнення у вузькі простори. Потім, із запровадженням безсвинцевого процесу, що вимагає вищих температур і більш агресивних флюсів, завдання очищення вузьких просторів стало ще складнішим: тільки уявіть, наскільки добре можуть бути «запечені» залишки флюсу. Однієї води вже було недостатньо, щоб видалити їх: потрібні були невеликі домішки та миючі засоби, щоб зменшити поверхневий натяг, дозволяючи їм проникати в низько встановлені компоненти.
  2. Залишки флюсів RA/RMA. Цей тип залишків не такий поширений, як попередній, але вони все ще використовуються для збирання модулів старого покоління, таких як військова або аерокосмічна електроніка. Після впровадження безсвинцевої технології більшість цих продуктів адаптовано до технології без свинцю та без очищення. Крім того, цей тип залишків не створює серйозних проблем у стандартному процесі очищення.
  3. Залишки флюсу, який не потребують очищення. Матеріали для пайки, які не потребують очищення, наразі є найпоширенішою групою, і, таким чином, вони також є основою для порівняння властивостей сполук, які використовуються для очищення друкованих плат. Ці матеріали розроблені таким чином, щоб у своїй структурі містили активні залишки, тому не вимагають очищення. З цієї причини їх видалення завжди є проблемою для тих, хто все ж хоче запровадити етап очищення. До цього додається вища температура процесу та більш агресивний флюс, що ще більше ускладнює очищення. Однак 80-90% споживачів очищають залишки флюсу, «які не потребують очищення».

Малюнок 2

Навіщо взагалі видаляти залишки флюсу, який не потребує очищення? Взагалі проблеми можуть виникнути через так звану інкапсуляцію залишків флюсу. Зокрема, для довговічних продуктів класу 3 поєднання іонізованих залишків, вологи та напруги створює справді чудові умови для електрохімічної міграції (ECM – Electro Chemical Migration), яка може спричинити збій схеми. Також широко поширена думка, що видалення описаних залишків є дуже бажаним перед процесом нанесення захисного покриття.

  1. Підкладки

Підкладки є ще одним ключовим елементом, який слід враховувати при плануванні процесу очищення з таких причин:

  • Якість. Спостерігається сильна тенденція до зниження матеріальних витрат. Хоча більшість виробників виробляють високоякісні друковані плати та компоненти, бувають ситуації, коли є короткі замикання на платі або виробник матеріалу вирішив піти на компроміс із якістю. Це призводить до того, що друковані плати не відповідають стандартам якості, які не адаптовані до умов виробничого процесу і не витримують процесу очищення.
  • Дотримання технологічного процесу. Навіть якщо друкована плата відповідає вимогам якості, деякі матеріали не витримують певні хімічні речовини, які використовуються в стандартному процесі очищення. Тому в кожному конкретному випадку друковану плату слід перевіряти на сумісність із виробничим процесом.
  • Дизайн друкованої плати. Конструкція самої друкованої плати також відіграє важливу роль, де основним факторами є ступінь упаковки компонентів, їх висота, тіні або ніші, куди може потрапити рідина.

Якщо виробник хоче забезпечити стабільний і надійний процес очищення, то необхідно розглядати разом наступні два пункти. У будь-якому процесі очищення сполуки, що розчиняють залишки (Rs), а також пристрої механічної та теплової енергії (Rd) сприяють ефективності процесу очищення (Rp):

Rp=Rs+Rd

Не тільки знаходження, але й глибоке розуміння балансу між хімічними сполуками, тепловою та механічною енергією є умовами для встановлення та підтримки послідовного процесу очищення.

  1. Хімічні сполуки 

Розрізняють три основні групи засобів для очищення:

  • На основі розчинника (нерозчинний у воді). Зазвичай використовується в машинах для очищення трафаретів. Через те, що вони не розчиняються у воді, їх необхідно мити засобами на основі розчинників.
  • Напівводні розчинники (розчинні у воді). Використовуються в машинах, що використовують ванну занурення та ультразвукове очищення. Їх можна змити водою або іншими розчинниками.
  • Сполуки на водній основі (звичайно, водорозчинні). На даний момент найпопулярніші. Вони можуть використовуватися практично в будь-якому типі обладнання (за винятком пристроїв, що використовують очищення парою) і чудово розчиняються у воді.

Сполуки на водній основі містять кілька основних інгредієнтів:

  • Сполука, що розчиняє забруднюючі речовини, зазвичай ключовий інгредієнт.
  • Активатор: допомагає розчиннику розчинити залишки, пом’якшуючи їх
  • Буфер: важливий інгредієнт, який допомагає підтримувати стабільний pH сполуки
  • Поверхнево-активні речовини: допомагають зменшити поверхневий натяг і, отже, забезпечують краще проникнення під низько розташовані компоненти.
  • Інгібітор: захищає металеві поверхні від корозії та зміни кольору, зберігаючи їх блискучими

Малюнок 3

Оскільки завдання очисних засобів – підвищити розчинність залишків флюсу, їх виробники повинні добре розуміти параметри розчинності бруду. Після визначення параметрів розчинності залишків флюсу можна легко підібрати до них реагенти, що очищають. На щастя, користувачеві не доводиться виконувати цю роботу: виробники очисних засобів співпрацюють з виробниками паяльних матеріалів, отримуючи від них зразки для тестування.

Наступним кроком є ​​аналіз сумісності обладнання, компонентів і матеріалів, що використовуються для монтажу друкованої плати, з хімікатами, які використовуються в процесі очищення.

Оскільки витрати на процес очищення також є важливим питанням (а не витрати на самі хімікати), то слід брати до уваги такі фактори, як ступінь концентрації хімікатів, температура, необхідна для видалення залишків, витрати на утилізацію відходів і термін служби обладнання. Іншими важливими факторами є вплив на навколишнє середовище (ЛОР (леткі органічні речовини), озонова діра), проблеми зі здоров’ям і безпека для користувачів та питання відповідності вимогам стандаотів (RoHS, REACH тощо).

Малюнок 4

Малюнок 5

  1. Обладнання

Пристрої для очищення є елементом системи, що відповідає за забезпечення механічної та теплової енергії, необхідної для отримання очікуваних результатів очищення. Незалежно від методу надання механічної енергії (розпилення, занурення, ультразвук тощо), щоб досягти очікуваного ефекту очищення, він повинен бути збалансований статичною енергією, що надається хімікатами. Подібним чином пристрої для очищення забезпечують теплову енергію, відповідальну за розм’якшення залишків флюсу та сприяють їх розчиненню.

Механічна та теплова енергія є ключовим фактором не лише у фазі очищення, але й у фазі промивання. Фаза промивання видаляє засоби для очищення та залишки флюсу з поверхні друкованої плати та під компонентами. Температура та механічна енергія допомагають хімічним реагентам (зазвичай деіонізованій воді) проникати в тісні простори.

Отже, які є варіанти, коли мова йде про обладнання для очищення?

Парові пристрої (див. мал.4), тобто пристрої, засновані на паровому очищенні, використовують тільки хімічні речовини на основі розчинників. Новіші конструкції краще підходять для високих викидів, спричинених розчинниками з низькою температурою кипіння. Через обмеження щодо навколишнього середовища, охорони здоров’я та безпеки наразі існує дуже обмежена кількість розчинників, які все ще можна використовувати. Такі продукти, як трихлоретилен (ТХЕ), 141b та ​​інші, повністю заборонені або вилучаються з ринку.

На мал.5 показана типова конструкція даного типу пристрою. Базова конфігурація включає в себе нагрівальний бак, резервуар із засобом для миття та зону пари, над якою розміщені пароохолоджувачі для зменшення випаровування розчинника. Деякі моделі оснащені механізмом підтримки процесу, тобто розпиленням або ультразвуком. Розчинники, які використовуються в даний час і які можна використовувати в цьому типі обладнання, не адаптовані до безсвинцевого процесу, тому це досить поганий вибір, коли справа стосується процесу очищення.

Системи з двома розчинниками були представлені на ринку як відповідь на невідповідність парових систем сучасній технології очищення. Ці типи систем використовують два різних типи розчинників, що забезпечує покращену ефективність очищення та екологічно чистий процес. Цей процес має два етапи:

Етап 1: Промивання розчинником, що відповідає типу забруднення. Ця стадія характеризується більш широким технологічним вікном порівняно з традиційним паровим знежиренням.

Етап 2: Промивання екологічно чистим розчинником (незаймистим, без ЛОР, без парникового ефекту тощо).

Ці типи систем є чудовим рішенням для процесів, де вода не може використовуватися через несумісність з навколишнім середовищем або процесом. Викид шкідливих речовин у них дуже обмежений.

Спрей-омивачі (spray-in-air – розпилення в повітрі) на даний момент є найпоширенішою групою пристроїв, які використовують засоби на водній основі. Можливе використання хімічних речовин на основі розчинників пов’язане з великими витратами, тому що вся конструкція повинна бути вибухозахищеною.

Існує два основних типи систем Spray-In-Air:

  1. Вбудовані системи (inline), розроблені для великосерійного виробництва. Правда, їх також можна використовувати в середньо- або дрібносерійному виробництві, але економічні чинники невблаганні: вони споживають багато енергії, хімікатів і води. Системи Inline дуже ефективні для очищення вузьких просторів. Популярна конфігурація включає: камеру попереднього миття, камеру миття, хімічний сепаратор, попередню та кінцеву промивку та сушіння. Середній час процесу 8-12 хвилин.
  2. Машини для миття (batch system – пакетна система) призначені для виробництва малих і середніх обсягів, з використанням обмеженої кількості енергії, хімікатів і води. Їх можна використовувати у великосерійному виробництві, але тоді їх пропускна здатність змушує використовувати декілька одиниць. Зазвичай це невеликі конструкції, і весь процес (миття, промивка і сушіння) здійснюється в одній камері, в циклі 45-60 хвилин.

Пристрої для розпилення під зануренням (англ. Spray-Under-Immersion) переважно використовують напівводяні продукти, а розпилювальні форсунки розташовані нижче рівня рідини. Знову ж таки, існує два види цих пристроїв:

  1. Нині не надто популярні вбудовані в лінію системи, які мають ті самі характеристики, що й Spray-In-Air, з точки зору витрат, необхідного простору та управління відходами. Оскільки вони забезпечують менше механічної енергії, час процесу та хімічний склад стають більш важливими. Типова компоновка включає в себе наступні секції: мийка, хімічна очистка, попередня промивка (необов’язково) і остаточна промивка, а також сушка.
  2. Машини для миття, теж не дуже популярні на даний момент. Для тих пристроїв, які не використовують ультразвук, використовується турбулентна або відцентрова циркуляція. Типові системи включають етапи миття, попереднього промивання (необов’язково) і остаточного промивання, а також сушіння.

Останній вид – це системи занурювання з ультразвуком. Ультразвукова енергія не широко використовується для очищення друкованих плат через деякі теорії про те, що ультразвук шкідливий для деяких компонентів. Тим не менш, коли такого конфлікту немає, ультразвук є відмінним доповненням до очисних хімічних засобів. Також є два типи цих пристроїв:

  1. Вбудовані в лінію системи, не дуже популярні. Типова установка включає секції миття, попереднього промивання, остаточного промивання та сушіння. Ультразвукова енергія присутня під час стадії миття та щонайменше однієї зі стадій промивання. Існують також системи, де в секції промивання використовується турбулентна циркуляція, яка добре працює для середнього виробництва, але також може бути використана у великому виробництві. Як завжди, слід враховувати експлуатаційні витрати, розмір системи та управління відходами.
  2. Машини для миття, зазвичай мають одну або дві камери, крім конструкцій з великою камерою, існує також багато настільних моделей. Ці системи економічні та займають дуже мало місця, але етапи промивання та сушіння можуть бути складними.

Перевірка процесу. Після етапу планування ключових елементів і параметрів процесу очищення необхідно перевірити, чи відповідає він очікуванням. У більшості випадків весь процес планування та перевірки може здійснити постачальник хімікатів, оскільки ці компанії мають великий досвід і добре обладнані лабораторії.

Резюме

Ключові елементи, які слід брати до уваги при плануванні процесу очищення, це тип забруднення, підкладки (їх дизайн і матеріали), хімікати, які використовуються, та обладнання для очищення. Очищення більшості друкованих плат і підкладок можна спростити, якщо дизайнери розглядають аспекти очищення як один із критеріїв під час розробки макета. Завдяки своєму досвіду та лабораторним можливостям компанії, що виробляють хімічні засоби для очищення, можуть бути корисними у виборі правильного процесу миття.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl