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去离子水清洗工艺的局限性

放大字体  缩小字体 发布日期:2012-11-16  浏览次数:153

纵观电子工业的发展历史,清洗工艺由以往纯的去离子水向化学试剂发展,下面列出一些可以支撑近来清洗工艺向化学清洗方面发展趋势的例子。

首先,无铅工艺的应用越来越广泛,并且其需要较高的焊接温度,由此产生的残留助焊剂更不容易溶于水,导致这些污染物更难清洗,去离子水本身很难清洗单板表面的非离子残留物。

其次,由于水具有超出70dynes/cm的高表面张力,不能有效地渗入到基板底面与PCB之间的间隙较小(如BGA)的器件下面,有铅或无铅的水溶性助焊剂的清洗 (特别是对于较小间隙的器件) 变得越来越困难。随着间隙宽度的缩小和器件密度的增加,企业不得不提升其现有的清洗工艺。

列表结果定义如:
1、所有未触摸区域的污染;
2、所有区域的污染;
3、少数区域的污染;
4、一些微区和框线;
5、清洗。

化学辅助清洗剂可以减小表面张力至30dynes/cm或者更低。有意思的是,目前业界主要还是依靠调整清洗工艺来解决各自的瓶颈。例如,提高工作温度到150F(某些情况下会达到180F),增加喷射压力,降低传送带速度来提升和延长清洗暴露时间,在最宜溶解的条件下采用纯水溶性助焊剂等。通常情况下,上述方法可以达到很好的清洗效果。

然而,对特定的无铅焊膏来说,去离子水溶解残余物的能力是有限的。如果一旦产生了非离子性的残余物,纯水本身是不能化学溶解污染物的。另外一个常常容易被忽略的因素是:通过高压的强制作用,可以使得水强制渗透进入较小间隙的器件或毛细区域。不幸的是,由于必须在烘干过程中去除不溶性污染物,否则会造成夹杂,这给清洗设备带来了挑战。

清洗之后最重要的一点就是要保证封装体底部是一个干燥和清洁的环境,从而避免发生电迁移和漏电流。另一方面,清洗剂可以很容易被快速漂洗和干燥,因其低的表面张力更容易被去除。

近来一段时间,通过广泛的实验室研究,作者已经能够证实大量的研究假设。主要目标是测定了去离子水和使用化学辅助工艺的清洗剂在清洗水溶性残余助焊剂方面的差异。试验板上有0603电容,并使用了超过20种水溶性、无铅焊膏。图2直观地总结了实验结果。

可以得出如下实验结论:
1、 在较低的清洗温度下,当清洗水溶性残余助焊剂时,实验中使用的化学清洗剂明显优于纯去离子水的清洗工艺;
2、 在3%和5%的浓度水平,清洗效果相当;
3、 在12种焊膏中,清洗温度的升高对五种焊膏的清洗能力有更明显的响应关系;
4、 与纯去离子水相比,在添加浓度3%到111%的清洗化学剂后,对较小间隙器件具有更好的清洗效果。

研究及方法
本研究设计比较了三种不同的清洗介质在同一中清洗设备中的表现。清洗是以在一个IPC-B-36 套片上放置的4个68-LCC(无引脚chip器件)底部的清洗情况作为判断。在本次研究中了使用了一种常见的水溶性共晶焊膏。

所有试验采用的组装线体都是10温区的回流炉,以尽可能的模拟出实际产品条件。根据以往清洗较小间隙器件的经验以及客户的反馈来看,一种比较特殊的器件布局(4方的)是最佳的方案。使用6块在客户端采用现有清洗过程清洗的测试板作为基准。剩下的1 2块板子在ZESTRON技术中心进行测试。表1列出了在本次研究中所有的测试参数。

锡膏印刷到测试基板上,贴上器件并按照锡膏制造商提供的指南进行回流焊接。使用IPC-B-36标准的线路板。每一个样本都组装4个68-LCC器件,如图3所示。每一个器件都进行视觉检查。发现板上4个无引脚器件的底部或周围有任何残留都视为整板失效,如图4a,4b和5a。

数据分析
视觉检查是由客户以及两位工艺工程师完成的。结果是平均水平。每一个清洗试验都重复3次以建立可重复性。其中一个器件从方框区域移走进行彻底的表面清洁,其他组装的样品不破坏以允许接下来的分析测试过程,如SIR测试等。

首先是选择清洗剂1进行试验,所有四个器件位置都必须检查清洁度,速度稳定在1ft/min,包括移除四个器件前后,都必须采用光学显微镜检查。惊喜地发现,这种参数设置居然得到了最优的结果,除了其中一个位置以外,其余位置都完全没有焊剂残留。另外进行一个独立的试验,观察发现器件底部有一点轻微的潮气。基于以上结果,需提高速度至2ft/min,以确定极限的传动速度。

采用同样的清洗剂进行试验,发现对于器件底部的助焊剂残余物清理,曝光时间也是一个重要因素。试验发现,大多数器件都能观察到少量焊剂残留。对于3#样品,表面非常干净,但是同样在器件B下方发现少量残留。通过分析表明,曝光时间的减少导致少量焊剂残留发生。因此,可以得出结论,组装链速必须控制在2ft/min以内。

为了与清洗剂1的效果对比,作者选择去离子水清洗结果作为参考,起初倾向与选择水作为清洗剂,但是鉴于早期研究结果,由于高的表面张力和有限的水溶性,限制了它的应用,这也在整个试验过程中得到了验证,因此也没有必要取器件进行分析,以上结果都是在最低链速1ft/min条件下获得的。

汇集试验中检测到的有意义的残留物证实了这个观点,因此,没有必要减少这个组分;在低进样速度(1ft/min)时就可以得到这些结果。

随着进样速度的增加,会得到相似的清洗效果;在表面上只有50%的残余颗粒,意味着还有残留物留在器件的下面。随着间隙小于1mil,无铅组分对市场上的载板提出更大的挑战。在先前的研究中,笔者认为0603电容是对清洗系统的一个挑战,在1ft/min速度下比较,其结果令人不满意。

使用当前的清洗流程,对去离子水和1#清洗剂进行逐步的清洗对比试验。基于去离子水的局限及其清洗效果的不足,研究可行的替代方法。结果显示,在1ft/min的速度下,大量的角落经过当前清洗流程后还有众多的可视颗粒残留。不过,相比直接的去离子水清洗,试验结果显示仍有一定的提高,清洁效果在3#板B区域中的无引脚器件中被证实。

序中做逐一的对比。结果显示,大部分区域清洗后,表面上仍有残余。由于表面清洗能力不够,污染成分并没有被去除。再一次表明,要获得良好清洗效果必须保证充分的暴露时间。在清洗过程中温度保持恒定。

进一步的试验
基于客户开展的研究案例,客户收集能被普遍接受的去离子水的局限性的数据。这些盲目的研究帮助该企业判断目前已经可以获得的更新、更高级的清洗剂的效果,包括将去离子水作为一个基线。后续的试验将集中从众多正在进行的案例研究中获得试验数据。变量将包括不同的焊膏配方、PH值中性清洗剂技术,以及化学助剂工艺与去离子水总成本比较的研究。

结论
收集有价值的试验数据,进而证明了去离子水的清洗剂的局限性。为了继续我们在这个议题上正在进行的市场研究,三种清洗媒介被应用在间隙小于1mil的无引脚器件的清洗中进行测试。1号清洗剂获得了最有前途的结果。1号清洗剂在带速为1ft/min下,整个表面和所有角落区域下面都表现出优异的清洗能力。据此,鼓励目前去离子水的使用者花一些时间,来深入的研究他们当前的清洗水平,尤其是较小间隙器件下面的区域。

已经证实,使用化学助剂工艺的一个突出的优势是,使用者可以在更低的温度下操作,工艺窗口更大,不仅仅可以清洗OA,还可以清洗RMA和免清洗焊剂。

尽管所有可信的论点都支持化学助剂工艺的使用,但是当前的大部分清洗设备都仅适用使用去离子水,而不适合被改造成使用密封管路的化学试剂清洗设备。也就是说它们没有必需的化学隔离部件。化学隔离部件不仅仅对保存化学试剂,而且对清洗槽的交叉污染最小化,都是非常重要的。

去离子水设备的优点是具有从前到后的多级水槽,当在清洗槽中使用一种化学助剂时,其推荐的浓度会被去离子水不断的稀释。在企业战略性的资产购置计划中,也会被持续的推荐购买水基试剂。但是,一个稍贵一点的投资将会在以后带来更高弹性的产生工艺,并且可能由此带来额外的利润。

关于作者:
Harald Wack是ZESTRON的全球主席,邮箱:h.wack@zestronusa.com;
Umut Tosun是美国ZESTRON的应用技术经理,邮箱: u.tosun@zestronusa.com;
Jigar Patel是美国 ZESTRON 的应用技术工程师,邮箱: j.patel@zestronusa.com;
Ravi Parthasarathy是美国ZESTRON的高级工艺工程师,邮箱:r.parthasarathy@zestronusa.com。

参考文献:
[1] “Why Switch from Pure DI-Water to Chemistry?”- SMTAI Paper, October 2009
[2] “IPA-Water (75/25) - Why are we putting our customers at risk?” - Dr. Harald Wack, SMT Week Column, June 2009
[3] “DI-water vs. Chemistry” - Dr. Harald Wack, SMT Advisory Column, June 2008
[4] “Fluid Flow Mechanics - New Advances in Low Standoff Cleaning” - ZESTRON, presented at the SMTAI 2008[5] “Fluid Flow Mechanics - Key to Low Standoff Cleaning”- ZESTRON, presented at the IPC/APEX 2008
[6] “New Definition of Low Standoff Cleaning” - ZESTRON/Speedline, presented at SMTAI 2007
[7] “What is Innovation in Chemistry?” - Dr. Harald Wack, SMT Advisory Board, September 2009
[8] “Precision Cleaning under Flip Chips”- ZESTRON in Wafer & Device Packaging and Interconnect, July/August 2009

 
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