縱觀電子工業的發展歷史,清洗工藝由以往純的去離子水向化學試劑發展,下面列出一些可以支撐近來清洗工藝向化學清洗方面發展趨勢的例子.
首先,無鉛工藝的應用越來越廣泛,并且其需要較高的焊接溫度,由此產生的殘留助焊劑更不容易溶于水,導致這些污染物更難清洗,去離子水本身很難清洗單板表面的非離子殘留物.
其次,由于水具有超出70dynes/cm的高表面張力,不能有效地滲入到基板底面與PCB之間的間隙較?。ㄈ鏐GA）的器件下面,有鉛或無鉛的水溶性助焊劑的清洗 (特別是對于較小間隙的器件) 變得越來越困難.隨著間隙寬度的縮小和器件密度的增加,企業不得不提升其現有的清洗工藝.
列表結果定義如：所有未觸摸區域的污染；所有區域的污染；少數區域的污染；一些微區和框線；清洗.
化學輔助清洗劑可以減小表面張力至30dynes/cm或者更低.有意思的是,目前業界主要還是依靠調整清洗工藝來解決各自的瓶頸.例如,提高工作溫度到150F（某些情況下會達到180F）,增加噴射壓力,降低傳送帶速度來提升和延長清洗暴露時間,在最宜溶解的條件下采用純水溶性助焊劑等.通常情況下,上述方法可以達到很好的清洗效果.
然而,對特定的無鉛焊膏來說,去離子水溶解殘余物的能力是有限的.如果一旦產生了非離子性的殘余物,純水本身是不能化學溶解污染物的.另外一個常常容易被忽略的因素是：通過高壓的強制作用,可以使得水強制滲透進入較小間隙的器件或毛細區域.不幸的是,由于必須在烘干過程中去除不溶性污染物,否則會造成夾雜,這給清洗設備帶來了挑戰.
清洗之后最重要的一點就是要保證封裝體底部是一個干燥和清潔的環境,從而避免發生電遷移和漏電流.另一方面,清洗劑可以很容易被快速漂洗和干燥,因其低的表面張力更容易被去除.
近來一段時間,通過廣泛的實驗室研究,作者已經能夠證實大量的研究假設.主要目標是測定了去離子水和使用化學輔助工藝的清洗劑在清洗水溶性殘余助焊劑方面的差異.試驗板上有0603電容,并使用了超過20種水溶性、無鉛焊膏.圖2直觀地總結了實驗結果.
可以得出如下實驗結論：在較低的清洗溫度下,當清洗水溶性殘余助焊劑時,實驗中使用的化學清洗劑明顯優于純去離子水的清洗工藝； 在3%和5%的濃度水平,清洗效果相當； 在12種焊膏中,清洗溫度的升高對五種焊膏的清洗能力有更明顯的響應關系；與純去離子水相比,在添加濃度3%到111%的清洗化學劑后,對較小間隙器件具有更好的清洗效果.
研究及方法 PC-B-36 套片上放置的4個68－LCC（無引腳chip器件）底部的清洗情況作為判斷.在本次研究中了使用了一種常見的水溶性共晶焊膏.
所有試驗采用的組裝線體都是10溫區的回流爐,以盡可能的模擬出實際產品條件.根據以往清洗較小間隙器件的經驗以及客戶的反饋來看,一種比較特殊的器件布局（4方的）是最佳的方案.使用6塊在客戶端采用現有清洗過程清洗的測試板作為基準.剩下的1 2塊板子在ZESTRON技術中心進行測試.表1列出了在本次研究中所有的測試參數.
錫膏印刷到測試基板上,貼上器件并按照錫膏制造商提供的指南進行回流焊接.使用IPC-B-36標準的線路板.每一個樣本都組裝4個68－LCC器件,如圖3所示.每一個器件都進行視覺檢查.發現板上4個無引腳器件的底部或周圍有任何殘留都視為整板失效,如圖4a,4b和5a.
數據分析
視覺檢查是由客戶以及兩位工藝工程師完成的.結果是平均水平.每一個清洗試驗都重復3次以建立可重復性.其中一個器件從方框區域移走進行徹底的表面清潔,其他組裝的樣品不破壞以允許接下來的分析測試過程,如SIR測試等.
首先是選擇清洗劑1進行試驗,所有四個器件位置都必須檢查清潔度,速度穩定在1ft/min,包括移除四個器件前后,都必須采用光學顯微鏡檢查.驚喜地發現,這種參數設置居然得到了最優的結果,除了其中一個位置以外,其余位置都完全沒有焊劑殘留.另外進行一個獨立的試驗,觀察發現器件底部有一點輕微的潮氣.基于以上結果,需提高速度至2ft/min,以確定極限的傳動速度.
采用同樣的清洗劑進行試驗,發現對于器件底部的助焊劑殘余物清理,曝光時間也是一個重要因素.試驗發現,大多數器件都能觀察到少量焊劑殘留.對于3#樣品,表面非常干凈,但是同樣在器件B下方發現少量殘留.通過分析表明,曝光時間的減少導致少量焊劑殘留發生.因此,可以得出結論,組裝鏈速必須控制在2ft/min以內.
為了與清洗劑1的效果對比,作者選擇去離子水清洗結果作為參考,起初傾向與選擇水作為清洗劑,但是鑒于早期研究結果,由于高的表面張力和有限的水溶性,限制了它的應用,這也在整個試驗過程中得到了驗證,因此也沒有必要取器件進行分析,以上結果都是在最低鏈速1ft/min條件下獲得的.
匯集試驗中檢測到的有意義的殘留物證實了這個觀點,因此,沒有必要減少這個組分；在低進樣速度（1ft/min）時就可以得到這些結果.
隨著進樣速度的增加,會得到相似的清洗效果；在表面上只有50%的殘余顆粒,意味著還有殘留物留在器件的下面.隨著間隙小于1mil,無鉛組分對市場上的載板提出更大的挑戰.在先前的研究中,筆者認為0603電容是對清洗系統的一個挑戰,在1ft/min速度下比較,其結果令人不滿意.
使用當前的清洗流程,對去離子水和1#清洗劑進行逐步的清洗對比試驗.基于去離子水的局限及其清洗效果的不足,研究可行的替代方法.結果顯示,在1ft/min的速度下,大量的角落經過當前清洗流程后還有眾多的可視顆粒殘留.不過,相比直接的去離子水清洗,試驗結果顯示仍有一定的提高,清潔效果在3#板B區域中的無引腳器件中被證實.
序中做逐一的對比.結果顯示,大部分區域清洗后,表面上仍有殘余.由于表面清洗能力不夠,污染成分并沒有被去除.再一次表明,要獲得良好清洗效果必須保證充分的暴露時間.在清洗過程中溫度保持恒定.
結論
收集有價值的試驗數據,進而證明了去離子水的清洗劑的局限性.為了繼續我們在這個議題上正在進行的市場研究,三種清洗媒介被應用在間隙小于1mil的無引腳器件的清洗中進行測試.1號清洗劑獲得了最有前途的結果.1號清洗劑在帶速為1ft/min下,整個表面和所有角落區域下面都表現出優異的清洗能力.據此,鼓勵目前去離子水的使用者花一些時間,來深入的研究他們當前的清洗水平,尤其是較小間隙器件下面的區域.
已經證實,使用化學助劑工藝的一個突出的優勢是,使用者可以在更低的溫度下操作,工藝窗口更大,不僅僅可以清洗OA,還可以清洗RMA和免清洗焊劑.
盡管所有可信的論點都支持化學助劑工藝的使用,但是當前的大部分清洗設備都僅適用使用去離子水,而不適合被改造成使用密封管路的化學試劑清洗設備.也就是說它們沒有必需的化學隔離部件.化學隔離部件不僅僅對保存化學試劑,而且對清洗槽的交叉污染最小化,都是非常重要的.
去離子水設備的優點是具有從前到后的多級水槽,當在清洗槽中使用一種化學助劑時,其推薦的濃度會被去離子水不斷的稀釋.在企業戰略性的資產購置計劃中,也會被持續的推薦購買水基試劑.但是,一個稍貴一點的投資將會在以后帶來更高彈性的產生工藝,并且可能由此帶來額外的利潤.
關于作者：燞arald Wack是ZESTRON的全球主席,郵箱：h.wack@zestronusa.com； Umut Tosun是美國ZESTRON的應用技術經理,郵箱: u.tosun@zestronusa.com; Jigar Patel是美國 ZESTRON 的應用技術工程師,郵箱: j.patel@zestronusa.com; Ravi Parthasarathy是美國ZESTRON的高級工藝工程師,郵箱：r.parthasarathy@zestronusa.com.
參考文獻： [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
