ОЧИСТКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ МОНТАЖЕ

Переход при производстве электронной аппаратуры от монтажа электронных компонентов в отверстия к монтажу на поверхность печатных плат (с учетом необходимости обеспечения стабильности параметров и надежности этой аппаратуры) влечет за собой повышение требований к качеству очистки печатных узлов (ПУ). Это объясняется, прежде всего, тем, что изменение конструкции компонентов и увеличение плотности компоновки при поверхностном монтаже сопровождается уменьшением (до 0.05 мм) зазора между платой и корпусами сhip-компонентов, платой и микро- схемами в PLCC, BGA, CSP и других корпусах.

При этом в момент оплавления паяльной пасты жидкий флюс за счет капиллярных сил затягивается под корпус компонента и заполняет малый зазор корпус- плата, что значительно усложняет очистку платы от остатков флюса. Это связано с тем, что проникновение и циркуляция моющей жидкости в этих зазорах затруднены. Из вышесказанного очевидно, что для очистки ПУ должна быть выбрана оптимальная технология.

После выполнения операций изготовления печатных плат и пайки компонентов на поверхности ПУ могут находиться остатки травильных растворов, жировые, масляные, солевые загрязнения, продукты их разложения, а также сухие остатки флюсов, затвердевшая канифоль, продукты деструкции, окисления, твердые частицы и т. д. Особо следует отметить такие загрязнения как остатки флюса после пайки. Материалы, используемые в качестве флюсов для пайки компонентов, могут относиться к смолосодержащим и  не содержащим смол. Основу смолосодержащих флюсов, как правило, составляют спиртовые растворы канифоли, представляющие собой смесь органических кислот. Главный компонент этой смеси − абиетиновая кислота, растворяющая окислы металлов с образованием комплексных соединений. Уровень кислотности флюса на основе канифоли очень мал, но в результате растворения и в процессе нагрева при пайке происходит его активация.

В современной технологии поверхностного монтажа наибольшее распространение получили канифольные слабоактивированные флюсы и флюсы с низким содержанием твердых веществ на синтетической основе. Эти флюсы (NoClean) обычно не требуют очистки ПУ после сборки. Однако существует ряд причин, вынуждающих, тем не менее, производить очистку остатков таких флюсов.

Среди основных причин можно назвать следующие:

1. Высокая температура среды. Чистая специально

обработанная канифоль и искусственные смолы при нагревании до температуры 170 °С являются хорошими изоляторами, при более высоких температурах канифоль сначала размягчается, а затем начинает плавиться, что сопровождается образованием в ней карбоксильных ионов. В результате возникающей (при температуре выше температуры пайки и наличии влаги) ионизации изменяются диэлектрические свойства канифоли и она становится проводником.

2. Повышенная влажность среды. Снижение поверхностного сопротивления платы при выполнении сборки и монтажа, связанное с тем, что канифольные остатки флюса при наличии тонкого слоя влаги могут стать проводимыми, приобретает особое значение в современных условиях развития производства электронной аппаратуры.

Кроме того, продукты гидролиза канифоли, выявляемые в виде визуально различимого белесого налета на поверхности плохо отмытого ПУ, также влияют на величину поверхностного сопротивления платы.

3. Контроль функционирования ПУ. Неудаленные остатки флюса могут покрывать тестовые контактные площадки. Так как канифоль при комнатной температуре является хорошим изолятором, тестовые площадки могут иметь высокое сопротивление, что не позволит провести контроль функционирования ПУ.

Наличие вышеперечисленных загрязнений на ПУ снижает сопротивление между проводниками печатной платы. Возрастают токи утечки и переходные сопротивления контактов, появляются дополнительные паразитные  емкости и индуктивности. Кроме того, наличие загрязнений на плате может стать причиной низкой эффективности влагозащитных покрытий из-за их слабой адгезии к поверхности, а при длительном хранении аппаратуры − вызвать ухудшение электроизоляционных и влагозащитных свойств этих покрытий.

В итоге это приведет к ускоренному адсорбированному пылевому загрязнению ПУ в процессе эксплуатации и сокращению ресурса эксплуатации и хранения электронной аппаратуры.

Поэтому разработка технологического процесса поверхностного монтажа компонентов на плату требует обоснованного выбора припоев и паяльных паст для обеспечения выполнения обязательного условия удаления после пайки остатков флюса, особенно в случае необходимости нанесения на ПУ влагозащитного покрытия. После монтажа компонентов выбор способа очистки ПУ и требуемых моющих сред необходимо производить, исходя из вида и свойств загрязнений, подлежащих очистке.

Кроме того, следует учесть, что используемые моющие средства должны соответствовать ряду требований:

• иметь возможно большее поверхностное натяжение, чтобы облегчить проникание в зазоры между корпусами компонентов и платой, или обладать как можно меньшим поверхностным натяжением для обеспечения циркуляции в ограниченных объемах
• быть инертными по отношению к элементам конструкции ПУ и используемого оборудования
• быть пожаровзрывобезопасными и нетоксичными
• иметь минимальную стоимость и обладать возможностью регенерации
• быть экологически чистыми.

Наличие порой противоречивых требований затрудняет выбор моющих средств, поэтому чаще всего он проводится не столько по техническим характеристикам, сколько исходя из их стоимости. Для облегчения выбора моющей жидкости можно воспользоваться количественной оценкой ее моющих свойств с учетом ряда основных характеристик: индекса смачивания WI (Wetting Index), индекса эффективности EI (Efficient In- dex) и коэффициента, характеризующего количественно моющую способность, КВ(Kauri Botanol), значение которого колеблется от 30 до 140 [1].

WI =                    1000 (плотность)                       ,

        (вязкость) × (поверхностное натяжение)

EI = (WI) × (KB) × (Tкип),

   100 000

где Ткип − температура кипения.

Более высокие значения этих показателей соответствуют лучшим моющим свойствам жидкости. В настоящее время для очистки ПУ находят применение два типа жидкостей: • водные растворы моющих средств • органические растворители.

Водорастворимые загрязнения, а также адсорбированные загрязнения (пыль, волокна тканей, абразив, металлические включения и т. д.), связанные с поверхностью ПУ силами физической адсорбции, удаляют применением водных моющих растворов, в том числе с использованием поверхностно активных веществ (ПАВ). Для очистки ПУ от остатков травильных растворов, активаторов флюсов, органических кислот и продуктов разложения флюсов традиционно используется спирто-бензиновая смесь. При этом спирт смывает остатки канифоли, а бензин удаляет жиры и масла. Одним из основных недостатков такой моющей среды является низкая эффективность очистки: плохо удаляются остатки флюсов на основе синтетических смол, остатки активаторов, минеральные соли.

В этом случае удаление этих загрязнений возможно очисткой ПУ в водных растворах технических моющих средств, содержащих поверхностно-активные вещества, либо для этих целей используется изопропиловый спирт, применение которого требует соблюдения определенных условий работы. Окончательная очистка ПУ при этом должна проводиться промывкой изделий деионизованной водой с последующей сушкой [2].

В последнее время для очистки ПУ широко используются современные моющие средства, например, FLU, SWA, SWAX, ULS фирмы Electrolube (Англия), Aimtemge фирмы AIM (США) и других зарубежных фирм.

Моющая жидкость ULS растворяет и удаляет остатки канифоли и флюса после пайки, масла, жиры и акриловые лаки, быстро и без остатков испаряется. Эта жидкость применяется для очистки печатных плат, печатных узлов и компонентов, обезжиривания электронных приборов, смывки акриловых лаков и компаундов до и после монтажно-ремонтных работ и при сервисном обслуживании электронной аппаратуры.

Очиститель на водной основе типа Safewash Extra (SWAX) удаляет остатки паяльной пасты и клея для крепления компонентов при поверхностном монтаже, имеет легкий запах, при его использовании не требуется вытяжная вентиляция [3].

При очистке ПУ нашел широкое применение целый ряд технологических процессов очистки. Наиболее распространенными являются:

• ручная очистка с использованием тампона, кисти
• механическая очистка щетками при одновременной струйной подаче моющего очистителя
• очистка в ванне с барботирующим моющим раствором
• струйная очистка, производимая направлением на ПУ струи моющей жидкости под давлением
• погружение в моющую среду с наложением ультразвука.

Следует отметить, что наиболее эффективным методом является очистка погружением ПУ в ультразвуковую ванну, в которой при наличии ультразвукового излучения в результате возникновения больших давлений моющая жидкость как бы разрывается, образуя полости и каверны. Газы, пары и воздух, растворенные в жидкости, проникают в них, вследствие чего возникают мелкие пузырьки, которые быстро захлопываются.

Этот процесс, сопровождающийся образованием ударных волн с большим мгновенным давлением, носит название ультразвуковой кавитации.

Рекомендуемые моющие среды и способы очистки ПУ с учетом вида загрязнений

Под действием кавитации происходит механическое разрушение пленки загрязнений на поверхности печатной платы и под компонентами в том числе.

Помимо механического разрушения загрязнений под действием акустических течений, возникающих в ультразвуковой ванне, происходит интенсификация химического взаимодействия моющей жидкости и загрязнений. Кроме того, имеющиеся в моющей жидкости не связанные с кавитационными процессами мелкие пузырьки воздуха и газов (проникающие в поры, щели и зазоры под компонентами) под действием ультразвуковых колебаний интенсивно колеблются, что ускоряет разрушение слоя загрязнений.

Ультразвуковая очистка ПУ проводится в установках различной мощности, работающих на частоте 22 или 44 кГц. Важным условием обеспечения эффективности ультразвуковой очистки ПУ является выбор моющей среды и оптимальных технологических параметров процесса: температуры моющей среды и времени обработки изделий в ультразвуковой ванне. В водных растворах моющих сред максимальный эффект кавитации проявляется при температуре Т=(50-60) °С, при этом время обработки ПУ в ультразвуковой ванне составляет 1.5-3 минуты. Следует учесть, что при ультразвуковой очистке ПУ все компоненты, расположенные на плате, должны быть нечувствительны к ультразвуковому воздействию. Особенно это касается микросхем с высокой степенью интеграции элементов в кремниевом кристалле. Поэтому изделие, подлежащее очистке, должно быть проверено на стойкость компонентов к воздействию ультразвука. Недостатком процесса ультразвуковой очистки является сложность установки и контроля интенсивности ультразвукового излучения в моющей среде.

В работе [4] отмечается, что важную роль в очистке ПУ играет процесс ополаскивания, который целесообразно выполнять после операции очистки в два этапа. Предварительное ополаскивание при комнатной температуре 25 °С должно обеспечить удаление остатков промывочной жидкости и загрязнений, оставшихся на ПУ после извлечения из ванны. Окончательное ополаскивание рекомендуется проводить в очищенной воде (степень очистки 1-5 МОм/см) при температуре 40-50 °С, при которой уменьшается поверхностное натяжение воды и повышается растворимость загрязнений. Рекомендуемые среды и способы очистки ПУ приведены в таблице.

Контроль качества очистки ПУ может проводиться прямыми и косвенными методами. Прямые методы предусматривают оценку качества очистки ПУ. При контроле косвенными методами определяется концентрация загрязнений в последней ванне. Из основных наиболее простых методов контроля следует отметить [5]:

• испытание на разрыв водной пленки (тонкая пленка воды не имеет разрывов пока она не станет настолько тонкой, что испарение вызовет появление сухих мест, либо не появятся интерференционные цвета), критерием качества очистки служит время от извлечения ПУ из воды до разрыва водной пленки (метод позволяет обнаружить наличие до (0.2-0.5) 10-7 г/см2 загрязнений)
• метод распыления на поверхность деионизованной (бидистиллированной) воды (при этом чистая поверхность покрывается сплошным тонким слоем воды, а в местах загрязнений поверхность не смачивается, что позволяет обнаружить наличие до 1.6⋅10-8 г/см2 загрязнений)
• метод измерения поверхностного сопротивления печатной платы или узла основан на использовании специальных тестовых структур (при наличии на плате загрязнений, в том числе под корпусами, его величина, особенно под воздействием влаги и тепла, рез- ко снижается)
• метод, основанный на измерении сопротивления дистиллированной воды до и после контрольной очистки в ней ПУ.

Таким образом, использование рассмотренных моющих средств, способов очистки и контроля качества очистки ПУ, собранных по технологии поверхностного монтажа, обеспечит стабильность параметров электронной аппаратуры и повышение ее надежности.