印制電路板（PCB）的清洗技術

 昆山清洗印制電路板（昆山PCB板）的傳統方法是用有機溶劑清洗，由CFC—113與少量乙醇（或異丙醇）組成的混合有機溶劑對松香助焊劑的殘留物有很好的清洗能力，但由于CFC—113對大氣臭氧層有破壞作用，目前已被禁止使用，目前可選用的非ODS清洗工藝包括水基清洗、半水基清洗、溶劑清洗，另外也可以采用不進行清洗的免清洗工藝。到底選用哪種工藝，應根據電子產品和重要性、對清洗質量的要求和工廠的實際情況來決定。 

    1 水基清洗 

    1.1 水基清洗工藝 

    水基清洗工藝是以水為清洗介質的，為了提高清洗效果可在水中添加少量的表面活性劑、洗滌助劑、緩蝕劑等化學物質（一般含量在2％-10％）。并可針對印制電路板上不同性質污染的具體情況，在水基清洗劑中添加劑，使其清洗的適用范圍更寬。水基清洗劑對水溶性污垢有很好的溶解作用，再配合加熱、刷洗、噴淋噴射、超聲波清洗等物理清洗手段，能取得更好的清洗效果。在水基清洗劑中加入表面活性劑可使水的表面張力大大降低，使水基清洗劑的滲透、鋪展能力加強，能更好的深入到緊密排列的電子元器件之間的縫隙之中，將滲入到印制電路板基板內部的污垢清洗除。利用水的溶解作用與表面活性劑的乳化分散作用也可以將合成活性類助焊劑的殘留物很好在清除，不僅可以把各種水溶性的污垢溶解去除，而且能將合成樹脂、脂肪等非可溶性污垢去除。對于使用松香基助焊劑或水基清洗劑中加入適當的皂化劑，皂化劑（saponifier）是在清洗印刷電路板時用來與松香中的松香酸、油脂中的脂肪酸等有機酸發生皂化反應，生成可溶于水的脂肪酸鹽（肥皂）的化學物質。這是許多用于清洗印刷電路板上的助焊劑、油脂的清洗劑中常見的成分。皂化劑通常是顯堿性的無機物如氫氧化鈉、氫氧化鉀等強堿，也可能是顯堿性的有機物如單乙醇胺等。在商用皂化劑中一般還含有有機溶劑和表面活性劑成分，以清洗去除不能發生皂化反應的殘留物。由于皂化劑可能對印刷電路板上的鋁、鋅等金屬產生腐蝕，特別是在清洗溫度比較高、清洗時間比較長時很容易使腐蝕加劇。所以在配方中應添加緩蝕劑。但應注意有對于堿性物質敏感的元器件的印制電路板不宜使用含皂化劑的水基清洗劑清洗。 

    在水基清洗的工藝中如果配合使用超聲波清洗，利用超聲波在清洗液中傳播過程中產生大量調微小空氣泡的“空穴效應”則可以有效的把不溶性污垢從電子結路板上剝除?？紤]到印刷電路板、電子元器件與超聲波的相溶性要求，印刷電路板清洗時使用的超聲波頻率一般在40KHz左右。 

    水基清洗工藝流程包括清洗、漂洗、干燥三個工序。首先用濃度為2％-10％的水基清洗劑配合加熱、刷洗、噴淋噴射、超聲波清洗等物理清洗手段對印刷電路板進行批量清洗然后再用純水或離子水（DI水）進行2-3次漂洗，后進行熱風干燥。水基清洗需要使用純水進行漂洗是造成水基清洗成本很高的原因。雖然高質量的水質是清洗質量的可靠保證，但在一些情況下先使用成本較低的電導率在5um·cm的去離子水進行漂洗，后再使用電導率在18um·cm的高純度去離子進行一次漂洗也可以取得很好的清洗效果。典型的水清洗工藝如圖1所示。一個典型的工藝過程為：在55℃的溫度下用水基清洗劑對電子線路板進行批量清洗，并配合強力噴射清洗5min，然后用55℃的去離子水漂洗15min，后在60℃溫度下熱風吹干20min。為了提高水資源的利用率，在清洗工序使用的自來水或在漂洗槽使用過的去離子水，據文獻介紹在預清洗中使用自來水（含有較多離子的硬水），不僅可以大大降低生產成本，而且它的除污能力一點也不比軟水或去離子水差。 

    2 半水基清洗 

    2.1 半水基清洗劑 

    在半水基清洗劑的組分中一般都有有機溶劑和表面活性劑，如早使用在印制電路板清洗的EC-7半水基清洗劑就是由萜烯類碳氫溶劑與表面活性劑組成的。在大多數半水基清洗劑的配方中還含有水，但由于水的含量水多（僅占5％-20％），所以從外觀看半水基溶劑與溶劑清洗劑一樣都是透明、均勻的溶液。與一般溶劑清洗劑不同的是半水基清洗劑使用的有機溶劑的沸點比較高，所以揮發性低不必像溶劑清洗劑那樣在封閉環境下進行清洗，而且在清洗過程中不須經常更換清洗劑只須適當補充清洗劑量即可。配制清洗印制電路板用半水基清洗劑用的有機溶劑主要有萜烯類和石油類碳氫溶劑、乙二醇醚、N-甲基吡咯烷西酮等，選擇溶劑類型時應根據印制電路板、電子元器件等原材料的污染情況以及焊接時使用的助焊時類型等具體情況老虎。 

    2.2 半水基清洗工藝流程 

    也是包括清洗、漂洗、干燥三個工序，清洗工序往往配合使用超聲波清洗以提高清洗效果減少清洗時間，由于使用超聲波會提高清洗劑溫度，所以需要注意嚴格控制好清洗溫度，不得超過清洗液的閃點（一般清洗溫度控制在70℃以下）。在清洗和漂洗工序之間加有一個乳化回收池，而半水基清洗液中含有的有機溶劑濃度很高，在清洗后仍會有較多的清洗液沾在印制電路板表面，如果清洗后的印制電路板直接放到水漂洗液中，沾在印制電路板表面上的有機溶劑就會將漂洗水污染，大大增加后面水處理工序的負荷，而在清洗和漂洗工序之間增加一個盛有乳化劑水溶劑的乳化回收裝置，就可以把沾在印制電路板表面上的有機溶劑通過乳化分散的方式從印制電路板表面剝除，并可在這個乳化回收裝置中利用過濾器和油水分離裝置，把有機溶劑和污垢沉淀分離并回收，由于進入漂洗槽的印制電路板表面上的有機溶劑已很少，所以既減少了漂洗工序負荷，又減少了廢水處理的負荷。再用去離子水漂洗2-3次即可把污垢去除干凈。由于半水基清洗是用水做漂洗劑，所以存在與水基清洗相同的干燥難問題，需要采用類似的多種措施提高烘干速度。 

    2.3 半水基清洗工藝的優缺點 

    半水基清洗工藝的優點是：對各種焊接工藝有適應性強，所以使用半水清洗工藝不必改變原有的焊接工藝；它的清洗能力比較強，能同時去除水溶性污垢和油污；與大多數金屬和塑料材料相容性好，與溶劑清洗劑相比不易揮發使用過程中蒸發損失小缺點是：存在與水基清洗一樣的需要使用純水漂洗、干燥難、廢水處理量大的問題。半水基清洗工藝需要占用較大的場地和空間，設備一次性投資較大特別是在線清洗機。由于半水基清洗劑含有較多的有機溶劑，所以要增加對有毒溶劑的防護、防火防爆等安全措施。而且半水基清洗劑不能像溶劑清洗劑那樣通過蒸餾回收再利用，所以成本較高。見圖2 

圖2 典型的半水基清洗工藝流程式

    3 溶劑清洗工藝 

    3.1 清洗印制電路板使用的有機溶劑 

    使用有機溶劑清洗印制電路板是利用其對污垢的溶解作用，在淘汰CFC-113、TCA等ODS清洗劑后，目前使用溶劑清洗劑主要是HCFC、HFC、HFE等氟系溶劑，另外也可用碳氫溶劑、醇類溶劑等。為了提高氟系溶劑的清洗效果在其中還加入碳氫溶劑、醇類溶劑等形成混合溶劑，有些混合溶劑還是具有恒沸點的共沸混合物（如用HCFC-141b-141b與甲醇、HCFC-225與乙醇配成的共沸混合物溶劑清洗劑）。由于這些氟系溶劑還具有不可燃的優點，而且性能與CFC-113很相近，所以清洗工藝及清洗設備基本不需要改變或只需略加調整即可。 

    3.2 溶劑清洗的優缺點 

    溶劑清洗工藝相對比較簡單，只需用同一種溶劑清洗劑進行清洗和漂洗，由于溶劑清洗劑的揮發性大都很好，所以不需要專門的干燥工藝。溶劑在使用后可以通過蒸餾與污垢分離并循環使用，不僅使成本降低，廢液處理也相對簡單。原使用CFC-113清洗的清洗設備不需大的改造即可使用；溶劑清洗特別適合對水敏感、元器件密封性差的印制電路板的清洗。各種替代溶劑清洗劑存在的缺點在前面已介紹不再重復。 

    3.3 典型的溶劑清洗流程 

    典型的溶劑清洗流程包括以下幾種： 

    超聲波加浸泡清洗——噴淋清洗——氣相漂洗和干燥 

    溶劑加熱浸泡清洗——冷漂洗——噴淋清洗——氣相漂洗和干燥 

   氣相清洗——超聲波加浸泡清洗——冷漂洗——氣相漂洗和干燥 

    氣相清洗——噴淋清洗——氣相漂洗和干燥 

   見圖3 

圖3 典型的溶劑清洗工藝流程

   4 免清洗工藝 

    4.1 什么是免清洗工藝 

    免清洗工藝是指通過對印制電路板和電子元器件等原材料的質量控制、工藝控制，替代工藝具有改造成本代、生產運行成本低、對環境友好等特點。對于自動程度較高、生產規模較大、焊后產品可靠性能指標要求不太高的企業適合改用免清洗工藝。而且改用免清洗工藝節省了清洗設備、清洗劑等費用，可使運行費用大大降低。 

    4.2 采用免清洗工藝應解決的關健問題 

    在選擇免清洗工藝時應充分考慮到以下三個關健要素：對使用的助焊劑/焊膏的選擇的評價；對生產工藝的調不整和控制；對原材料的質量控制。 

    4.2.1 對使用的助焊劑/焊膏的選擇和評價 

    選擇和評價助焊劑量/焊膏是開發和實施免清洗工藝要解決的首要工作，一定要確保在焊后助焊劑/焊膏的殘留物不會影響電子產品的可靠性能指標。實踐已經證明低固含量的弱有機酸助焊劑和中低活性低殘留量的松香助焊劑能滿足電子產品的可靠性性能指標的要求。一般電子產品的印制電路板都可以選用活性低殘留物量的RMA型松香助焊劑，這類助焊劑對焊接環境沒有特別的要求，但注意有是它的焊后殘留物仍然較多，所以不適合對使用三防涂層處理或表面封裝的電路板使用。需要做三防層處理或其他表面防護處理的電路板應使用低固含量的弱有機酸型助焊劑，因為這種類型的助焊劑焊后的殘留物較少，對表面涂層和電路板間的附著力影響小。但大部份這類助焊劑對電路板和元器件的預熱過程中的防氧化作用較差，所以在使用這類助焊劑時焊接工藝應在氮氣保護下進行。采取氮氣保護措施不僅能防止電路板和元器件在預熱過程中的氧化，而且還可以改善焊接的潤濕性能，減少焊球的形成、提高焊接質量。 

    4.2.2 對生產工藝的調不整和控制 

    由于使用了免清洗助焊劑/焊膏，焊接工藝和工藝參數將不可避免地發生變化，包括增加使用氮氣作保護氣體、調整溫度變化曲線、改變助焊劑涂溥方式（改用噴霧式涂溥）、加強對助焊劑和鉛錫焊料成分的監測、改變電子元器件的安裝方式、印刷電路板的傳送、安裝方式等。如在電子元器件和印刷電路板的傳送、安裝方式上改用機械化自動傳送和安裝代替手工操作，從而避免了手汗、指紋對印制電路板可靠性的不良影響。能過對波峰焊機和回流焊機中溫度曲線的調整，使助焊劑的活性在焊接之前恰好達到佳狀態，從而提高燭接質量。另外前面已介紹對于可靠性要求較高的印制電路板，在使用低固含量的弱有機酸型助焊劑時，還應在焊接時采用氮氣保護。采用噴霧式涂溥助焊劑并對助焊劑的涂溥量進行嚴格控制，在保證焊接質量的前提下盡可能降低助焊劑涂溥量，可使焊后的助焊劑殘留量保持低水平。對于焊接可靠性要求比較高的印制電路板，工藝參數的控制必須更加嚴格，如生產前必須測定波峰焊機和回流焊機中的溫度曲線，使之符合工藝要求，對鉛錫焊料的化學成分必須至少分析一次，如發現不合要求必須立即更換。在助焊劑采用發泡涂溥時要對助焊劑進行實時監控。在完成免清洗工藝焊接后，進行補焊和修復時一定要使用免清洗的焊絲。只有采取有效的生產工藝才能保證使用免清洗助焊劑/焊料能取得良好的焊接效果。 

    4.2.3 能原材料的質量控制 

    對各種原材料的高質量要求是影響免清洗工藝的重要因素。所以在采用免清洗工藝時必須對各種原材料的質量進行嚴格的控制。如對印制電路板和電子元器件的潔凈水平和可焊性、助焊劑/焊料的質量及穩定性、表面防護材料的質量、工藝控制和質量管理的有效性進行控制等。因為在生產過程中任何一個環節不合格都會導致終產品不合格。 

    5 選擇替代技術應考慮的主要因素 

    在選擇究竟使用哪些替代技術時應考慮的因素是多方面的，而且往往是相互制約的，所以應該從自己的具體實際情況出發，綜合考慮才能找到適合的替代技術。應考慮到的因素主要有下列幾項： 

    5.1 電子產品的情況 

    即考慮電子產品的重要性和它對清洗質量的要求：一般來說電子產品的重要性越高，它對清洗質量的要求也越高，如用于人造衛星、航天航空儀表、海底電信、軍用裝備、涉及生命的醫療設備的電子產品，要求有極高的可靠性，而生活類用品，一般性工業用品的可靠性要求就低得多。而電子產品使用的環境也有很大的關系，如經常處于高溫、高濕等比較惡劣環境下的電子產品就必須嚴格清洗，并對其清洗后的離子污染和表面絕緣電阻必須嚴格控制，而對于在海洋環境中使用的軍艦、輪船上使用的電子設備，還應進行表面處理。根據我的ANSI/J-STD-001B標準把電子產品分為三個等級，其中等三類電子產品屬于必須清洗并且必須嚴格控制其清潔度的，對其離污染和表面絕緣電阻應該逐批檢測，而一類電子產品則可以免清洗，其清潔度應該定期檢測。見表1 

表1 電子產品分類及其清潔度等級

    5.2 使用的助焊劑類型 

采用不同的焊接工藝在印刷電路板上殘留的助焊劑數量也是不同的，相應的清洗工藝和清洗劑種類也是不同的。采用化學活性高的助焊劑，焊接的可靠性也高，但焊接后助焊劑的殘留物的腐蝕性也高，必須采用清洗效果好的清洗工藝和清洗劑將殘留物徹底清除。反之采用化學活性較低或固含量較低助焊劑，焊接的可靠性也較低，但其焊接后助焊劑的殘留物較少腐蝕性也較小，可采用一般的方法清洗甚至免清洗。見表2 

表2 使用的助焊劑類型與清洗方法的關系

    5.3 應該考慮的其他因素 

    在考慮采用哪種清洗方法和清洗劑時，還應因地制宜地從本地考慮的實際情況出發，找到適合你的方法。需要考慮的因素包括：原有的清洗工藝設備及生產條件（應盡量利用原有清洗設備的場地條件保持現有生產格局并充分利用原有的生產條件）安全和環保要求的考慮（不燃不爆對人體無害以及對環境不帶來不利的影響到，在考慮采用方案時已經占據越來越重要的地位）對清洗費用及成本的考慮（清洗效果雖好但費用太高，超過企業的承受能力也往往不能被接受，所以通常需在清洗效果和成本允許之間選擇一個平衡點）另外選用哪種清洗劑和清洗方法也應與企業自身今后的發展方向（如自動化水平、生產能力、技術升級等前景）相結合，使選擇性具有前瞻性。