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PCBA清洗效果评估

一、PCBA的污染

     污染物的定义为任何使PCBA的化学、物理或电气性能降低到不合格水平的表面沉积物、杂质、夹渣以及被吸附物。主要有以下几个方面:
1、构成PCBA的元器件、PCB的本身污染或氧化等都会带来PCBA板面污染;
2、生产制造过程中助焊剂产生的残留物,也是主要污染物;
3、焊接过程中产生的手印记、链爪和治具印记,及其他类型的污染物,如堵孔胶,高温胶带,手迹和飞尘等;
4、工作场所的尘埃、水及溶剂蒸气、烟雾、微小颗粒有机物,以及静电引起的带电粒子附着于PCBA的污染。
二、污染的危害

污染可能直接或间接引起PCBA潜在的风险,诸如:
1、残留物中的有机酸可能对PCBA造成腐蚀;
2、残留物中的电离子在通电过程中,因焊点之间的电位差造成电迁移,使产品短路失效;
3、残留物影响涂覆效果;
4、经过时间和环境温度的变化,出现涂层龟裂、翘皮,从而引起可靠性问题。
三、污染造成PCBA失效的典型问题

1、腐蚀  
      PCBA组装是使用了铁底材底引线脚底元器件,铁底材由于缺乏焊料底覆盖,在卤素离子以及水分的腐蚀下很快产生Fe3+  ,使板面发红。  
     另外,在潮湿环境下,具有酸性的离子污染物还可以直接腐蚀铜引线、焊点及元器件,导致电路失效。
2、电迁移   如图
     如果在PCBA表面有离子污染存在,极易发生电迁移现象,出现离子化金属向相反电极间移动,并在反向端还原成原来的金属而出现树枝状现象称为树枝状分布,(树突、枝晶、锡须),枝晶的生长有可能造成电路局部短路。


3、电接触不良   见下图
      在PCBA的组装工艺中,一些树脂比如松香类残留物常常会污染金手指或其他接插件,在PCBA工作发热时或炎热气候下,残留物会产生粘性,易于吸附灰尘或杂质,引起接触电阻增大甚至开路失效。BGA焊点中PCB面焊盘镍层存在腐蚀以及镍层表面富磷层的存在降低了焊点与焊盘的机械结合强度,当受到正常应力作用时发生开裂,造成点接触失效。


四、清洗的必要性

1、外观和电性能要求
      PCBA的污染物最直观的影响是PCBA的外观,如果在高温高湿的环境中放置或使用,可能出现残留物吸潮发白现象。由于组件中大量使用无引线芯片、微型BGA、芯片级封装(CSP)和01005等,元件和电路板之间的距离缩小,尺寸微型化,组装密度也越来越大。如果卤化物藏在元件下面清洗不到的地方,局部清洗可能造成因卤化物释放而带来灾难性的后果。
2、三防漆涂覆需要
      在进行表面涂覆之前,没有清洗掉的树脂残留物会导致保护层分层或出现裂纹;活性剂残留物可能引起涂层下面出现电化学迁移,导致涂层破裂保护失效。研究表明,通过清洗可以增加50%涂覆粘结率。

3、免清洗也需要清洗
      按照现行标准,免清洗一词的意思是说电路板的残留物从化学的角度看是安全的,    不会对电路板产线任何影响,可以留在电路板上。检测腐蚀、SIR、电迁移还有其他专门的检测手段主要是用来确定卤素/卤化物含量,进而确定免清洗的组装件在完成组装后的安全性。
      不过,即使使用固含量低的免清洗助焊剂,仍会有或多或少的残留物,对于可靠性要求高的产品来讲,在电路板是不允许任何残留物或者污染物。对军事应用来讲,即使是免洗电子组装件都规定必须要清洗。
五、清洁程度要求
      电子制造商面临着对生产可靠的硬件所需的清洁等级程度难以抉择。“多干净才算足够干净”这个问题给越来越窄的导线和线路带来更多的挑战。在工业中某一领域可接受的洁净度(如一个玩具进行了SMT波峰焊后),对于另外的领域或许就是不可接受(例如倒装芯片封装)。
      很多的工艺专家们可能对清洁度并不十分了解,挑战仍然存在于与残留相关的某个或者某些长期可靠性方面的问题,或者是决定残留对硬件的功能性影响有多大。
需要考虑的有如下几方面的因素:
1、终端使用环境(航天、医疗、军事、汽车、信息科技等)
2、产品的设计/服役周期(90天、3年、20年、50年、保质期+1天)
3、涉及的技术(高频、高阻抗、电源)
4、失效现象与标准所定义的终端产品1、2、3级相对应的产品(例如:   移动电话、心率调整器)。 
六、PCBA清洗效果的定性和量化检验,通过洁净度指标来评估。
1、洁净度等级标准
       按中华人民共和国电子行业军用标准SJ20896-2003有关规定,根据电子产品可靠性及工作性能要求,将电子产品洁净度分为三个等级,如表所列。

 在实际工作中,根除污染实际上几乎是不可能的,一个折中的办法就是确定电路板上的污染可以和不可以接受的程度。按照IPC-J-STD-001标准助焊剂残留三级标准规定<40ug/cm2,离子污染物含量三级标准规定≤1.5(Nacl) ug/cm2,萃取电阻率>2×106Ω .cm
     请注意,随着PCBA的微型化,几乎可以肯定这个含量太高了。现在常用的离子污染物要求大约≤0.2(Nacl) ug/cm2。
2、PCBA洁净度的检测方法
 目测法
      利用放大镜或光学显微镜对PCBA进行观察,通过观察有无焊剂固体残留物、锡渣锡珠、不固定的金属颗粒及其他污染物,来评定清洗质量。IPC-A-610《电子组件的可接收性》中提供了通用的组装后的检测指南。
     IPC-A-610中列出的目检标准从1×(裸眼)到10×当作一种判定方法,
见下表所列。这种方法简单易行,但无法检查元器件底部的污染物以及残留的离子污染物,适合于要求不高的场合。



 注1:目视检查可能要求使用放大装置,例如出现细间距器件或者高密度组件时,需要放大以检 
      查污染物是否影响产品外形、装配或者功能。  
 注2:如果使用放大装置,放大倍数不可超过4× 。
溶剂萃取液测试法
     溶剂萃取液测试法有称离子污染物的含量平均测试,测试一般都是采用IPC方法(IPC-TM-610.2.3.25),它是将清洗后的PCBA,浸入离子度污染测定仪的测试溶液中,将离子残留物溶于溶剂中,小心收集溶剂,测定它的电阻率。
表面绝缘电阻测试法(SIR)
     这种测试方法是测量PCBA上导体之间表面绝缘电阻,表面绝缘电阻的测量能指出由于污染在各种温度、湿度、电压和时间条件下的漏电情况。其优点是直接测量和定量测量。一般SIR测量条件是在环境温度85℃、湿度85%RH和100V测量偏压下,试验170小时。
离子污染物当量测试法(动态法)
    参照SJ20869-2003中第6.3的规定。
焊剂残留量的检测

    参照SJ20869-2003中第6.4的规定。




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