中性清洗剂.doc

近年来，电子组装工艺领域发生了重大的变化，由于元器件密度增加、大型元器件和细小离地间隙部件的广泛应用以及焊锡膏配方的不断改进，使得助焊剂残留物清洗愈加困难。虽然新型碱性水基清洗剂可有效去除各类助焊剂残留物，但为了满足洁净度要求，往往需要增加清洗温度、延长清洗时间、提高应用浓度或者施加更强的机械能等；而更大的挑战，则来自材料兼容性的需求。背景中性pH值（PH=7）助焊剂清洗技术在2009年初出现，其配方致力于满足材料兼容性要求，同时力求更加环保。因此，一些潜在用户在评估碱性清洗剂和新型中性清洗剂时，将关注的重点放到洁净效果和材料兼容性这两大方面。当腐蚀现象发生时，敏感金属与清洗剂之间的兼容性问题会加剧，例如由于环境所导致的金属电化腐蚀现象。为了改善由清洗剂所导致的腐蚀功能失效现象，需要使用防腐蚀添加剂。防腐蚀添加剂拥有与金属表面组成化学键的特点，它能够在基板表面形成一层微薄的保护膜，从而保护金属表面。通常情况下，它们被喷洒或涂抹在基板表面上，这些添加剂能够增加阳极和阴极的极化反应，通过减少金属离子在表面的扩散速度和增加金属表面的电阻率，从而减缓腐蚀的发生。防腐蚀添加剂分为有机和无机两类，后者的使用较为普遍，原因是它更易于溶解，效果出众和较少的环境问题。最典型的防腐蚀添加剂是硅酸盐、硼酸盐、醇胺、萘酸、三唑、羧酸、钼酸、多元醇和磷等1。当所使用的清洗剂不能达到预期效果时，腐蚀现象会在电子组装件中以气相、整体、局部、金属电解迁移和电耦合形式出现2。长时间以来，众多电子生产商对这方面问题进行了大量研究，并且已经能够使用如强碱性的传统表面活性剂等清洗方法改善这一问题；然而，新型去除助焊剂水基型清洗剂的发展方向是pH中性配方。为使各类水基型清洗剂在有效清洗的同时不与敏感金属发生腐蚀现象，制造商们必须使用防腐蚀添加剂。研究显示，选择正确防腐蚀添加剂的类型和数量十分重要；否则，防腐蚀添加剂自身就会导致SMT生产过程出现问题。一方面，某些防腐蚀添加剂在清洗剂中溶解率较低，为了确保这类添加剂能够在敏感金属表面形成有效保护膜，通常需要在清洗槽内增加防腐蚀添加剂的浓度，导致不必要的消耗。另一方面，如果防腐蚀添加剂浓度太低，将会降低对敏感金属表面的保护。此外，防腐蚀添加剂会与污染物以及已溶解至清洗剂的污染物发生交叉反应，从而出现不可预料的风险。更重要的是，某些选择不当的防腐蚀添加剂会顽固地附着在基板表面和细小离地间隙部件当中，难以通过漂洗去除，从而随着时间的推移造成更大的问题：促使局部的电阻升高，导致涂敷变形和不可预知问题发生，最终威胁组装件的长期可靠性。清洗工艺中所选取的防腐蚀添加剂类型和数量同样受pH值要求限制。某些在一定pH值范围内表现出众的防腐蚀添加剂超出其pH承受范围后将失效。在这一问题上，pH中性清洗剂具有明显的优势，由于pH值为中性，因此仅需少量使用一些特定的添加剂，从而彻底解决上述问题。由于p H值中性清洗剂表面张力较小（小于水的7 2mN/m，为30 mN/m），因此它能够有效地渗透到元器件附近的微小间隙，以低浓度有效去除污染物3。此外，pH值中性清洗剂十分环保，避免了废水中性化处理过程。更重要的是，使用pH值中性清洗剂可避免使用碱性清洗剂所引发的材料兼容性问题，从而向用户提供前所未有的清洗解决方案。研究本次研究对pH中性清洗剂和碱性清洗剂在较低浓度时材料兼容性和清洗能力进行了比较。本研究第一部分，对包括阳极化铝、各类镍合金基材等材料兼容性进行了测试。研究中，使用了IPC认证的B52测试基板，并严格遵循业界公认的工业标准4。研究不仅选取了结构复杂的元器件，更对清洗结果进行了量化，提供了比其他出版物更为科学的数据资料。通过SIR（表面绝缘阻抗测试）、离子色谱分析和对各类数据核算，对视觉检测结果的准确性进行进一步的确认。研究目标1、材料兼容性: 对铝、镍铜等一些合金进行敏感性测试，并使用60倍放大功能的奥林帕斯SZ40型显微镜进行分析；2、清洗效果：将pH中性清洗剂与包含有不同防腐蚀添加剂的碱性清洗剂进行比较。为了确认清洗剂的清洗能力，研究人员选择了如视觉检测、离子色谱和第三方SIR（表面绝缘阻抗测试）。研究方法该研究为比较两种含有不同浓度防腐蚀添加剂的碱性清洗剂和pH中性清洗剂与敏感金属材料的兼容性而设计。研究第一部分分别使用碱性、中性和纯水喷淋各种不同敏感材料。在进行视觉检测之前，它们分别在日常环境下被曝露15分钟、24小时和3星期，这些研究数据被用来制定第二部分的研究方法。在为第二部分“清洗能力研究”准备研究参数的同时，基板使用10种最常见的锡铅、无铅免洗和水溶性焊锡膏，并在一台10温区的回流炉中进行焊接。表1和表2分别展示了该回流炉的数据。在回流之后，这些基板按照表7中所列举的工艺参数进行了清洗和视觉检测。在确定最终结论之前，所有的研究结果被记录下来并进行了评估。第一部分 材料兼容性由3个阶段组成，目的是为了比较不同敏感金属与清洗剂之间的兼容性。所测试的材料包括阳极化涂层、铬酸涂层、膜镀层、化学镀镍、铝和铜。所有基板均使用含有不同类型和数量的防腐蚀添加剂的纯水、pH中性清洗剂和碱性清洗剂进行15分钟（高于正常喷淋时间15倍）和24小时（高于正常喷淋时间576倍）的喷淋。需要特别强调的是，研究中的喷淋时间比真正生产时所用喷淋时间长许多，在线清洗工艺中，喷淋时间通常仅为2到3分钟。在漂洗过程中，去离子水被加热到140F。此外，研究确保所有基板均在真实环境下存放3周，如：在室温条件下曝露在氧气下。所有基板均以放大40倍观测，从而确认材料的变化。材料兼容性实验（第1和第2阶段）参数见表3。图片:1106_EMC_Pg23_1.jpg图片:1106_EMC_Pg23_2.jpg第1阶段实验结果显示，短时间喷淋（15分钟喷淋，相当于正常喷淋时间的6倍），pH中性清洗剂、碱性产品A和纯水均与实验中的基板相兼容，没有任何变化发生；而碱性清洗剂B仅能够与所测试6款基板中的4款相兼容，膜镀层和铝出现脱色现象，参见表4。图片:1106_EMC_Pg23_3.jpg第2阶段实验结果显示，长时间喷淋（24小时喷淋，相当于正常喷淋工艺的576倍），pH中性清洗剂和碱性清洗剂A仍与所有基板相兼容。pH中性清洗剂出现轻微脱色现象，且腐蚀铜。由于出现脱色现象和对膜镀层、铝的腐蚀，另一款碱性清洗剂B仅能与50%的基板相兼容。在喷淋24小时后，由于铝出现脱色现象，因此，纯水不能完全兼容实验所用的材料；此外，在铜的表面发现了轻微的损伤，参见表5。研究人员认为这些微小的变化不足以对材料兼容性的评级进行调整。图片:1106_EMC_Pg23_4.jpg在完成第2阶段研究后，研究人员以未经处理的基板材料为基准，对经处理基板材料变化进行了分析。结果显示，经处理基板表面材料没有发生任何变化。基于在3周内没有发生任何变化的分析结果，我们得出结论，纯水和pH中性清洗剂效果出色。纯水表现的与铝略微不兼容的现象（轻微变色）在测试进行到24小时就开始显现。pH中性清洗剂则展现了其与基材完美的兼容性。此外，碱性清洗剂A与6款基板当中的4款兼容，同样表现为铜表面较严重的腐蚀和变色现象。此外，在化学镀镍表面同样发生变色现象。在所有金属基材当中，有2款基材在喷淋后24小时状态仍完整。碱性清洗剂B在喷淋后为期3周的测试阶段，基板材料不断发生变化，他几乎对除了一款材料以外的所有材料产生影响。铬酸涂层和铜出现一些变色现象，阳极化涂层、膜镀层和铝出现了变色和腐蚀现象。仅化学镀镍没有发生任何变化，（参见表6）。图片:1106_EMC_Pg24_1.jpg为了进一步研究使用以上清洗剂所清洗部件在环境下的变化，我们选择继续观察铜的变化。由于铜受环境和化学因素影响较少，因此其被广泛地应用在电子生产领域当中。但是，众所周知，在腐蚀性较强的环境中，该金属非常容易被腐蚀6。图片:1106_EMC_Pg24_2.jpg在40倍放大观察下发现，铜制引线框架在正常环境曝露三周后没有发生任何变化。图1显示未经处理的基板无任何变化，铜没发生任何变色和腐蚀，仍然保持闪亮光泽。使用pH中性清洗剂所清洗的引线框架在曝露3周后没有发生任何变化。换句话说，这些基板看起来和被曝露24小时的情况一样。研究人员同时也发现了一些微小的瑕疵（见图2）。使用碱性清洗剂A所清洗的引线框架在正常环境曝露3周后出现严重的腐蚀现象，尤其是位于一些难以被漂洗甚至于某些平坦部位。而变色现象主要表现为基板表面的一些明显纹理（见图3）。图片:1106_EMC_Pg24_3.jpg图4显示了使用碱性清洗剂B所清洗基板在正常环境条件下曝露三周后的变化情况。在曝露24小时后，铜制基板仍然很完整。但是，在曝露3周时间之后，基板表面开始变得粗糙并出现变色现象。最后，研究者对使用纯水所清洗的引线框架进行了观察。图5显示，正常环境条件下，经历三周的曝露时间，基板无任何变化。图片:1106_EMC_Pg24_4.jpg小结 材料兼容性以上所进行的材料兼容性测试充分证明，对使用水基型清洗剂所清洗部件进行短时间的曝露，不会对材料兼容性产生任何影响，但长时间曝露之影响仍有待确定。首先，研究者对经纯水清洗的铜制基板所出现的问题并不感到惊讶。由于曝露较长时间，纯水会吸收二氧化碳、铜、灰尘等物质，从而呈现酸性。因此，在清洗剂中使用防腐蚀添加剂可改善腐蚀现象。使用碱性清洗剂B所清洗部件上出现的变色现象值得关注。然而，由于碱性清洗剂A所导致的漂洗环节后的基材表 面恶化现象更值得忧虑。研究者推测，该恶化现象可能是由于清洗剂中所使用的防腐蚀添加剂没有被彻底漂洗干净 所导致。正如文章开头提到的，在清洗剂当中所使用的添加剂类型和数量会影响漂洗效果。此外，环境因素对添加 剂残留物的影响同样也可能随着时间的延长影响到基板表 面状况。对于用户来说，尽管基板貌似清洗干净，能够与清洗 剂兼容，但是长时间曝露实验结果（清洗后在自然环境下 曝露3周）显示，基板材料变化或许需要更长时间，这对产 品的长期可靠性会构成威胁。第二部分 清洗能力基本清洗实验 实验方法：清洗实验在完成材料兼容性测试24小时后 进行。在对材料兼容性结果进行详细评估后，研究人员仅保留了符合材料兼容性要求的pH中性清洗剂和碱性清洗剂 A继续进行测试。在第一阶段清洗实验中，研究人员使用业内常见的锡铅和无铅焊膏将0603、0805、1206和SOT23 元器件（空间小于1mil，均属细小离地间隙器件）焊接在ZESTRON测试基板上，之后使用浓度为10%、温度为65 的pH中性清洗剂和碱性清洗剂以0.6ft./min走带速度清洗基板，表7详细列举了工艺参数。清洗后，研究人员使用检测方法对基板表面和元器件底部洁净度进行了确认。实验结果显示两款清洗剂清洗效果一样，均达到完美 的清洗效果，见表8。 但是，针对细小离地间隙器件底部的洁净程度并不一 致。使用pH中性清洗剂时，在细小离地间隙器件底部均发现1、3、4、6和8号焊锡膏残留物。四款细小离地间隙器件当 中的一款，发现了少量2、5、7、9和10号焊锡膏残留物。总体来说，pH中性清洗剂能去除大部分的助焊剂残留物，在四 款细小离地间隙器件基板当中，仅一款（1206）底部发现残留物，且该结果在所有测试的1206器件中仅占50%。 相比较，碱性清洗剂A出现的问题较多。该产品不能有效去除几款细小离地间隙器件底部的1、2、3、5、6、7、9 和10号焊锡膏残留物，仅4和8号焊锡膏污染物能被彻底去除。总体来说，该清洗剂不能有效清洗四款细小离地间隙 部件当中的多款（1206、0805、SOT23），且问题器件占 所有清洗器件的80%。 表9对实验结果进行了总结。小结结果表明，基于基板表面和细小离地间隙器件底部洁 净度存在的差异，pH中性清洗剂的清洗能力与碱性清洗剂A相比较略胜一筹。碱性清洗剂A虽能清洗基板表面，但无法 有效去除细小离地间隙器件底部的污染物。研究人员对导致这一现象的潜在因素分析如下：1、清洗能力的不足可能与 清洗剂的应用浓度有关；例如，10%的应用浓度用来有效清洗这类器件或许偏低。在使用碱性清洗剂时，这一问题尤为 突出；2、洁净程度也可能与清洗剂所含的防腐蚀添加剂系统（种类和数量）有关；3、清洗剂产品的配方和作用机理也十分重要；4、所发现的残留物可能是防腐蚀添加剂与待去除污染物结合，从而不能被清洗剂完全溶解而导致。为了进一步对这些发现进行分析，研究人员在进行了 若干次测试之后，使用SIR（表面阻抗测试）和离子色谱对 基板进行了分析。SIR和离子色谱分析 方法：为了进一步确认基板底部洁净度，研究人员将 使用SIR和离子色谱对清洗能力进行分析。以往的研究显 示，仅依靠视觉检测并不能对洁净度做出最终确认7。SIR分析方法： 使用SIR 分 析的目的在于进一步对 pH中性清洗剂和碱性清 洗剂的清洗表现进行比 较。SIR测试通过评估元 器件中金属导电介质间因短路或者漏电流而产 生的器件失效可能性。 这是一种量测电流随时 间变化的测试方法，一 般在高温高湿条件下进 行8。基于基本实验测试结果，8块IPC-B52测试基板（图6） 采用之前使用的免洗锡铅焊膏（表1和2）进行焊接，并参照 以下参数，分别使用碱性清洗剂A和pH中性清洗剂分别对4 块基板（1块普通基板，另3块基板包含QFP160部件）进行了清洗。洁净度导电率测试均依据IPC-TM-650和Trace实验室 的2.6.3.7方法进行 9。实验结果显示，所有的基板均通过SIR测试。但是通过 对测试结果（见图7）的详细研究发现，pH中性清洗剂效果更佳。小结 尽管两款清洗剂均通过SIR测试，可被用于组装件清 洗，但与碱性清洗剂A相比，pH中性清洗剂清洗效果更好。 也许读者会对这一结果有些惊讶，因为早期pH中性清洗剂 与碱性清洗剂相比较，需要更高的应用浓度和清洗温度才 能达到近似的清洗结果。离子色谱分析 方法：为了进一步完善视觉检测结果，研究人员根据 IPC-TM-650 method 2.3.28使用离子色谱对pH中性清洗剂和碱性清洗剂A清洗结果进行分析9。离子色谱法通过检 测离子洁净度确认组装件和裸板上是否存在污染物；因为这些污染物通常在温度、湿度和施加电压时，会导致电化 学失效 10。基本实验共使用 8块ZESTRON测试基板（图8）。这些基板特 别为测试清洗剂的清洗 能力而设计，其密集地 组装了最具挑战性的细 小离地间隙器件和敏感 基材类型。根据以上所列参数，8块基板中的4 块将使用锡铅免洗焊膏 进行焊接，另外4块则使用无铅免洗焊膏。最后，这些基板会根据以下工艺参数进行清洗，见表11。所有8 块基板的离子色谱洁净度测试均按照I P C - TM-650, method 2.3.28进行评估。离子色谱分析结果：使用pH中性清洗剂和碱性清洗剂 A所清洗的基板均通过了离子色谱测试。碱性清洗剂A所清洗的2组基板上含有微量的氟残留物。使用pH中性清洗剂 所清洗的基板中，70%没有发现离子污染物，使用碱性清洗剂A时，这一数据为69%。氟离子分析显示，碱性清洗 剂A的污染值为3g/in2，大大超过使用pH中性清洗剂的0.2g/in2。请参考表12和13，使用两款清洗剂清洗1号和2 号焊膏的洁净度测试结果.小结 所有的结果显示，两款清洗剂清洗能力相差无几，pH中性清洗剂略胜一筹。清洗能力表现总结深入测试和分析后的结果显示，pH中性清洗剂和碱性 清洗剂A都能够出色清洗基板表面，均值得信赖。在细小离地间隙器件底部洁净度视觉检测中，两款清洗剂均出现残 留物，但pH中性清洗剂整体表现更加出色。通过对SIR结果进行评估后，pH中性清洗剂效果更胜一筹，离子色谱数据 结果更印证了这一结论，pH中性清洗剂在去除离子污染物 时，效果更出众。为了充分理解以上研究发现的内涵，研究人员对两种 不同清洗剂的材料兼容性和清洗能力表现做了最终总结。结论 本次深入广泛研究的主要目的是评估pH中性精密清洗 剂与其他2款碱性清洗剂的材料兼容性和清洗能力表现，本 文不应该被用作标杆研究，用来笼统探讨pH中性清洗剂和 碱性清洗剂以及各自清洗技术之间的能力