作者：電信科學技術儀表研究所有限公司/王琳濤;

北京航星科技有限公司/熊京寧

本文來源：北京電子學會智能制造委員會/劉海濤提供

近年來隨著成本原因以及環境保護和清潔生產的要求，越來越多的電子廠商在PCBA生產制程中采用免清洗或簡單清洗工藝，也就是在焊接過程中采用免清洗助焊劑。對于非高可靠性的電子產品，采用免清洗工藝可以達到減少工序、降低成本、減少有毒有害溶劑揮發等目的。然而，眾多電子廠商發現，采用免清洗或者簡單清洗工序后，如果不能保證板面的污染物殘留干凈，一些PCBA組件經過儲存或客戶端使用一段時間后更易產生板面腐蝕甚至電路開路失效。

1.印制板組件污染物的來源

1）元器件引線上的污染；

2）裝聯操作中產生的污染；

3）助焊劑的污染；

4）焊接過程中的污染；

5）工作環境的污染。

2.污染物的危害

1）化學污染的危害；

2）物理污染的危害；

3）機械污染的危害；

4）光學污染的危害。

由于上述化學的、物理的、機械的、光學的污染，造成對電路性能的危害，導致改變或終止電路的正常信號的功能，出現電路中斷、電阻增加、局部發熱氧化、甚至電路短路，當在較高溫度和濕度作用下，還會產生漏電流，介電常數及損耗系數的改變等不良現象，最終導致產品失效。

3.電子組裝中的清洗工藝設計

清洗工藝按清洗方式可分為人工刷洗、浸泡清洗、噴淋清洗、超聲波清洗、氣相清洗、微相清洗、等離子體清洗及超凝態過冷動力學清洗，在SMT行業多采用前五種清洗方式。

清洗效果的影響因素主要包括工藝參數和制程工藝。工藝參數主要包括清洗功率、清洗劑酸堿度、清洗劑溫度、清洗劑濃度、噴嘴形狀設計和清洗工藝設計，制程工藝主要包括元器件封裝及布局、PCB設計、焊接工藝、焊后停留時間和助焊劑類型和使用。

清洗工藝應該滿足不同助焊劑類型要求，同時其清洗工藝與現有設備和工藝相匹配，生產工藝可控，滿足苛刻環境要求，同時成本較低。

本文重點介紹工藝參數固定的情況下，采用噴淋清洗工藝中，我們選擇的清洗工藝是否滿足要求，又如何判斷非目視焊點助焊劑清潔度是否滿足標準，使驗證可視化，優化清洗工藝，并綜合考量如何更加有利于節約清洗劑。

4.助焊劑對焊點的影響

在印制電路板上組裝焊接各種元件、集成電路、芯片、各種連接器、開關等組件時離不開助焊劑來輔助焊接。

助焊劑組成材料包括：松香（RO）、樹脂（RE）、有機（OR）和無機（IN）。助焊劑殘留物活性分：低活性、中等活性和高活性。

助焊劑鹵化物重量百分比：＜0.05%表示無鹵化物、其他數值代表有鹵化物。焊劑當中的鹵化物活性劑常用來提高焊劑的活性，但是在焊接過程中，這些活性劑會和各種成分發生復雜的反應形成金屬的鹵酸鹽。

具體要求見下表。

對于高可靠性產品：

《GJB 3243》中規定，錫膏中焊劑可采用GB 9491中規定的R型、RMA型焊劑。不準使用RA型焊劑和OA型焊劑。如采用免清洗焊劑，應預先在合同中規定。

《航天禁限用工藝》中規定，采用焊劑芯焊料或液態焊劑時，不能采用不符合GB9491的R型或RMA型焊劑。導線、電纜的焊接不應使用RA型焊劑，其它場合使用RA型焊劑應得到有關部門的批準。

對比國內外標準，國外標準對松香型標識：“RO”，國內標準對松香型標識：低活性“R”,中等活性“RMA”,高活性“RA”，具體見下表。

常用的松香助焊劑由松香樹脂組成，而松香樹脂的主要成分是松香酸，松香酸的分子中有不飽和的雙鍵，因此特別容易氧化。印制電路板在焊接受熱時，松香酸迅速氧化，形成過氧化物和酮化合物，并且殘留物附著在焊點表面。助焊劑中的松香本身是不溶于水的，但助焊劑在儲存和使用過程中，會吸收空氣中的潮氣，即使沒有濕度的影響，僅僅環境的變化，日夜交替，松香或樹脂開裂（見下圖），與空氣當中的水分和二氧化碳發生反應，形成碳酸鹽。反應物將造成對電路性能的危害，導致改變或終止電路的正常信號的功能，出現電路中斷、電阻增加、局部發熱氧化、甚至電路短路，當在較高溫度和濕度作用下，還會產生漏電流，介電常數及損耗系數的改變等不良現象，最終導致產品失效。

若在焊點表面殘留某些含有如鹵素離子（如含鹵素的活性松香助焊劑、空氣中存在含有氯的鹽霧成分及汗漬等）的殘留物，那么在鹵素離子的作用下將發生系列化學反應，生成腐蝕產物，見下圖。而且只要環境中有水和二氧化碳，這種腐蝕過程將永無休止地循環下去，直到焊料中的鉛全部被消耗殆盡，從而使電子裝備徹底損壞。因此研究焊后PCBA表面的清潔度狀況對于某些高可靠性產品是非常重要的。

對于高可靠電子產品，不論是通孔插裝還是表面組裝，無論采用哪一種工藝，在再流焊、波峰焊、浸焊或者手工焊后，也無論選用哪一種助焊劑，包括采用免清洗助焊劑后，印制電路板組件都必須進行嚴格的、一絲不茍的、有效清洗，以除去助焊劑殘留物和各種污染物。特別在在高密度、高精度組裝中，由于助焊劑可進入表面組裝元器件和基板之間的微小間隙，從而使得清洗顯得更加困難也更顯重要和必要。

在PCBA清洗時，清洗劑對PCBA焊點表面潤濕、溶解、乳化、皂化和螯合作用等，并通過噴淋方式施加一定的機械力將污染物從PCBA焊點表面剝離下來，直至焊點周圍無白色殘留物，然后漂洗或沖洗干凈，最后吹干、烘干或自然干燥。

5.PCBA焊點助焊劑檢驗標準

a.《IPC-A-610G 電子組件的可接受性》對助焊劑的評判和分析

運用這些要求時，需要鑒別和考慮助焊劑的分類（見J-STD-004）和組裝工藝，即免清洗型、清洗型等。

目標-1，2，3級

?清潔，無可見殘留物。

可接受-1，2，3級

?對于清洗型助焊劑，不允許有可見殘留物。

?對于免清洗工藝，可允許有助焊劑殘留物。

缺陷-1，2，3級

?可見的清洗助焊劑殘留物，或電氣配接面上的活性助焊劑殘留物。

注1:經認證測試合格后，一級可接受。還要檢查元器件內部或底部截留的助焊劑殘留物。

注2:助焊劑殘留物活性的定義見J-STD-001和J-STD-004。

注3:指定的“免洗”工藝必須滿足最終產品的清潔度要求。

b.《GJB 5807-2006軍用印制電路板焊后清洗要求》對清潔度評估要求

松香型助焊劑，正常時由于其中含鹵素的活性物質被松香樹脂包圍著，在一定環境條件下不會出現腐蝕性。如果清洗方式或清洗程序選擇不當，它只能清洗松香而無法去除含鹵素的離子，就會加速腐蝕；對于不含鹵素的松香型助焊劑，如果清洗不徹底（見下NG圖），白色殘留物吸潮，導致信號異?；蚨搪贰?/span>

雖然《IPC-A-610G》和《GJB 5807-2006》給出了助焊劑污染物的評判標準和具體的要求，但是對每一個批次或者每一個產品都進行測量和評定，成本又是高昂的。

松香型助焊劑較易清洗干凈，板卡干凈與否最直觀的檢驗就是焊點周圍有無白色殘留物（見右OK圖），所以我們只要驗證無白色殘留是否可以滿足板卡清潔度要求即可。

6.清洗模擬試驗

從理論上講，PCBA能否清洗干凈，基于最小元件離板距離（Stand off）與該元件的對角線距離。如果對應關系不滿足相互關系，則元件焊點，特別是球柵陣列封裝更容易殘留雜質。如果不能達到最小的離板距離（Stand off），對元件下的適當清潔是困難的，這種情況下推薦使用免洗助焊劑。

下表顯示推薦的元件離板距離的相互關系。

焊點周圍白色殘留物干凈與否，可以通過放大鏡等裝置進行檢驗，但對于BGA、LGA等球柵陣列封裝的器件，無法直接檢驗是否清洗干凈，則無法判定我們的清洗工藝選擇是否有效？我們又有什么方法來檢驗呢？

將物料拆焊，焊點狀態會破壞，無法判斷是否清洗干凈，最好的辦法就是物料不拆焊，能夠直接檢驗。

球柵陣列（BGA）器件焊點可視化判斷清潔度的方法：

PCBA焊接完成后，焊點周圍會有透明助焊劑殘留，球柵陣列（BGA）器件類焊點在本體下方，無法直接目視，清洗后無法直接判斷有無助焊劑殘留和白色殘留。此方法可以直接目視判斷焊點有無清洗干凈。

選用不同尺寸的透明片，不同尺寸的焊球，模擬不同封裝球柵陣列器件清洗后狀態，可視化驗證清洗工藝選擇有效性，也可以對清洗工藝選擇和優化有一定的指導意義，輔助判斷清洗工藝選擇正確性。

PCBA可視焊點可以通過40X放大鏡觀察焊點間有無助焊劑殘留和有無白色殘留物，對于球柵陣列（BGA）器件非可視焊點無法直接觀察，無法證明是否符合《GJB 5807-2006》三級檢驗標準，可以通過以下方法驗證球柵陣列（BGA）器件焊點可視化判斷清洗是否合格，并固化清洗參數。

球柵陣列（BGA）器件焊球尺寸和封裝尺寸見下表：

球柵陣列（BGA）焊球尺寸

部分球柵陣列（BGA）封裝尺寸

準備包含有不同焊球間距焊盤的PCB裸板和相應球柵陣列（BGA）封裝尺寸的透明片，在裸板球柵陣列（BGA）器件焊盤上進行刮膏，根據球柵陣列（BGA）焊球尺寸表格中的不同焊球間距焊接后塌陷高度進行植球。

焊接完成后，焊點周圍助焊劑殘留不清除（見下圖），將相應尺寸透明片固定在植球焊盤上，形成類BGA焊接狀態。將不同封裝尺寸和焊球間距進行組合來實現不同封裝的BGA焊接。

PCBA制作完成后，選擇合適的清洗參數對其進行清洗，清洗結果可視化判斷BGA類器件是否已經清洗干凈。PCBA干凈與否最直觀的檢驗就是焊點周圍有無白色殘留物（見下圖），所以我們只要檢驗無白色殘留即可證明PCBA清潔度符合《GJB 5807-2006》三級檢驗標準。

有助焊劑殘留或白色殘留物，表示未清洗干凈；

2.無助焊劑殘留或白色殘留物，表示清洗干凈。

在確定清洗方式時，也要考慮到清洗過程中板卡之間的相互影響，即陰影效應。PCBA擺放時，垂直向下看時不能有板之間的遮擋，以防止陰影效應，見下圖。

噴淋旋轉清洗機，腔體內四角無法直接噴淋導致清洗效果較弱，所以清洗密間距芯片板卡禁止擺放清洗機艙內四角。

PCBA清洗時密間距器件面斜向上，接插件、CPCI、RJ45等三面密封連接器或高連接器，將連接器的開口朝向側面或下面，避免高連接器在清洗時對矮件造成的陰影效應，并防止器件密封腔截流清洗劑，造成浪費。

以上都是我們在選擇和優化清洗工藝時必須要考慮的前提。

7.結論

對比前后清洗效果，玻璃片下助焊劑殘留消失，且無白色殘留物，無白色殘留物是否滿足板卡清潔度評估要求，需要到檢測機構進一步驗證，如果驗證成功，則可以證明清洗工藝選擇正確。

此種方法，可以從側面佐證自己的清洗工藝選擇是否正確，球柵陣列器件是否清洗干凈，從而固定產品清洗工藝，避免重復到檢測機構鑒定，節約成本。

條件允許的情況下，在不同封裝BGA焊盤上植相應尺寸的焊球，將玻璃板固定在上面進行清洗，使模擬更貼近實際，驗證BGA底部焊點清洗效果，有無白色殘留物，是否清洗徹底。

PCBA間擺放間隙與尺寸之間的關系也值得我們深究，只有把各方面的參數摸索清楚，才能夠優化我們的清洗工藝，節約成本。

原文標題：球柵陣列器件焊點清洗可視化檢驗

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審核編輯：湯梓紅