Отмывка печатных узлов – один из важнейших этапов производства радиоэлектронных устройств специального назначения. Российские предприятия, несмотря на свой богатый опыт, до сих пор сталкиваются с трудностями при организации этого процесса. Найти ответы на ряд актуальных вопросов об отмывке и подтвердить или опровергнуть устоявшиеся мнения на этот счет помогли результаты масштабного исследования технологий отмывки печатных узлов, проведенного академией Zestron.
Многие производители электроники, не имеющие возможности самостоятельно исследовать технологии отмывки, при организации процесса сборки продукции руководствуются знаниями, полученными на основе профессионального опыта и почерпнутыми из общедоступной литературы. Однако опыт не всегда позволяет системно и комплексно оценить технологическую задачу и, как следствие, правильно ответить на вопросы:
•какие способы агитации и процессы наиболее эффективны?
•как состав отмывочной жидкости влияет на результат?
•в какой мере зазор под компонентами сказывается на результатах отмывки?
•как отражаются на эффективности процесса повышение температуры и увеличение продолжительности отмывки?
•зависит ли качество отмывки от конфигурации и размера компонента?
•достаточно ли использовать только воду для отмывки водосмываемых материалов?
Чтобы помочь производителям электроники правильно организовать процесс отмывки плат, компания Zestron провела исследование технологий и материалов для отмывки. На специальные тестовые подложки (рис.1, 2) были установлены имитаторы компонентов с заданными зазорами между подложкой и корпусом. Для максимальной идентичности механических барьеров, создаваемых выводами компонентов BGA, стеклянные пластины были установлены на шариковые выводы, размещенные в том же порядке, как на корпусах CSP (рис.3). Отмывочные жидкости Zestron FA+, Vigon A250 и оборудование комбинировались на основе технологической совместимости (см. таблицу). Качество отмывки оценивалось по оптическим, ионным и диэлектрическим характеристикам печатного узла. Содержание ионных загрязнений и диэлектрические параметры печатного узла по измерялись в соответствии со стандартом IPC-TM-650 "Руководство по проведению испытаний" (рис.4). Влияние технологического процесса на качество отмывки
Один из наиболее актуальных для производителей электроники вопросов – выбор оборудования и способа агитации. Не секрет, что самыми эффективными считаются ультразвуковые и струйные системы отмывки. Так ли это на самом деле?
Как показало исследование, лучшие результаты дали групповой, конвейерный струйный и ультразвуковой способы отмывки, что подтвердило распространенное мнение об этих процессах. Но после струйной отмывки с погружением на границах тестовых пластинок оставались загрязнения (рис.5).
Подтвердилось также, что при направлении струй жидкости перпендикулярно плате качество отмывки определяется исключительно характеристиками капиллярного проникновения и текучестью чистящего средства. В результате по углам стеклянных пластинок внутри и вокруг точек адгезива оставались ясно видимые остатки загрязнений (рис.6). При использовании несовместимых чистящих средств значительная доля загрязнений, скорее всего, останется под стеклянными пластинками (под компонентами).
Эксперимент показал, что качество отмывки было выше в тех случаях, если отмывочная жидкость в достаточном количестве проникала в пространство под компонентом. Следовательно, при загрузке плат в оборудование большое внимание нужно уделять их расположению относительно друг друга и источника агитации. Струи жидкости (УЗ-волны) должны направленно проникать под компоненты и беспрепятственно проходить под корпусами. Так можно снизить вероятность появления теневых зон и повысить качество отмывки.
Влияние толщины зазора на качество отмывки
Распространено мнение, что эффективность отмывки прямо пропорциональна величине зазора между компонентом и печатной платой. На первый взгляд, логично: чем уже зазор, тем сложнее жидкости в него проникнуть. Эксперимент показал, что качество отмывки пространств с малым (0,05 мм), нормальным (0,1 мм) и большим (0,2 мм) зазорами различается незначительно. Значит, по мере уменьшения зазора качество отмывки не снижается (рис.7), отмывочная жидкость легко проникает в капиллярное пространство между компонентом и подложкой. Примечательно, что ополаскивающая способность чистящего средства под компонентами меняется преимущественно по мере ухудшения его проникающей способности. Из этого следует еще один весьма важный вывод: от эффективного ополаскивания, которому зачастую не уделяется должного внимания, зависит качество отмывки в целом.
По результатам эксперимента стало ясно, что современные средства для отмывки печатных узлов и системы агитации достаточно эффективны для удаления загрязнений из-под большинства современных корпусов. Однако для зазоров менее 50 мкм большую роль играют именно капиллярные возможности отмывочной жидкости и механическое воздействие на загрязнение.
Зависимость качества отмывки от продолжительности и температуры процесса
Еще одно распространенное мнение, гласящее, что если плата не отмывается, ее нужно мыть дольше и при более высокой температуре, часто преподносится как догма. Многие приходят к подобным выводам неосознанно, опираясь на бытовой опыт.
Эксперимент показал, что повышение температуры действительно значительно ускоряет процесс отмывки, однако увеличение длительности цикла лишь в малой степени влияет на результат. Следует подчеркнуть, что от температуры зависит не качество удаления определенного загрязнения, а только скорость отмывки. Это объясняется снижением вязкости жидкости и, как следствие, увеличением ее проникающей способности при повышенной температуре.
Однако температуру нельзя повышать бесконечно. Диапазон рабочих температур отмывочной жидкости (30–60°С) обусловлен усилением испарения жидкости при более высоких температурах и ограничениями, связанными с печатными узлами и пожарной безопасностью. Более того, некоторые отмывочные жидкости при чрезмерно высокой температуре расслаиваются на фракции, при этом эффективность отмывки снижается.
Жидкости с высокой проникающей способностью уже при 40°С можно рассматривать как компромиссный вариант там, где есть ограничения по температуре. Примером может служить моющее средство Vigon A250, которое даже при комнатной температуре обладает малым поверхностным натяжением, сравнимым с ацетоном (около 25 мН/м) и хорошо проникает под корпуса компонентов.
Таким образом, эффективность отмывки действительно повышается по мере увеличения температуры, которая при этом не должна превышать порогового значения, указанного изготовителем жидкости. Увеличение времени в большинстве случаев не оказывает влияния на качество и эффективность отмывки. Более того, слишком продолжительная отмывка снижает производительность процесса, а некоторые компоненты на плате могут быть повреждены в результате длительного воздействия отмывочной жидкости. Технологический процесс отмывки проще оптимизировать, регулируя температуру, а не продолжительность цикла.
Зависимость качества отмывки от размера и конфигурации компонентов
Считается, что чем больше размер и сложнее конфигурация компонента (количество и форма выводов, форма корпуса), тем сложнее удалять остатки паяльных материалов. Так ли это на самом деле?
Как показал эксперимент, компоненты BGA, микро-BGA и CSP, которые считаются наиболее сложными для отмывки, в действительности не вызывают особых трудностей (рис.8). Но нужно учитывать, что выводы, расположенные под компонентами, усложняют удаление остатков паяльных материалов. Они механически препятствуют капиллярному проникновению отмывочных жидкостей под корпуса компонентов. К тому же далеко не каждая отмывочная жидкость хорошо смачивает поверхности компонентов и печатной платы.
Зазор под компонентами SOIC и конденсаторами 0603 и 0402 не стал препятствием для большинства чистящих средств и технологических процессов (рис.9 и 10). Однако под керамическими конденсаторами 1206 и 0805 остались явные следы флюса и паяльной пасты (рис.11). Отчасти это объясняется меньшим зазором (<50 мкм) по сравнению с компонентами типа Flip-Chip (перевернутый кристалл) и микро-BGA и большей площадью поверхности под компонентами 1206 и 0805 по сравнению с площадью под корпусами 0603 и 0402.
В ходе эксперимента была обнаружена связь между размерами компонента и величиной зазора под ним. Капиллярные силы, действующие на чистящее средство, в большинстве случаев недостаточны для надлежащей отмывки пространства под компонентом. В итоге стандартный процесс отмывки достигает технологического предела (что наблюдалось в случае с конденсаторами 1206 и 0805) и требует оптимизации. Наличие же механических барьеров не оказывает значительного влияния на отмывку, значение имеет лишь общая форма капиллярных пространств.
Таким образом, можно утверждать, что размер и конфигурация компонентов не всегда оказывают прямое влияние на сложность удаления загрязнений; более важны проникающая способность жидкости и отсутствие теневых эффектов. Для отмывки сложных печатных узлов нужно выбирать жидкости с минимальным поверхностным натяжением. Разумеется, следует принимать во внимание и расположение плат в камере отмывки. При конструировании печатных узлов полезно учитывать возможность максимально эффективного проникновения отмывочной жидкости под компоненты.
Отмывка водосмываемых материалов
Еще одно распространенное мнение гласит, что при отмывке водосмываемых остатков флюса можно ограничиться использованием подогретой воды и эффективного оборудования. Однако обычная вода недостаточно хорошо смачивает поверхность и компоненты печатных узлов, не всегда проникает в узкие зазоры, в частности, под компоненты, в результате в ряде случаев загрязнения не удаляются полностью.
Один из основных критериев оценки качества смачивания поверхности – определение угла смачивания. Этот параметр напрямую связан с поверхностным натяжением: чем оно меньше, тем лучше смачивание и, следовательно, проникающая способность отмывочной жидкости (рис.12). Эксперимент показал, что добавление в воду всего лишь 3–5%-ной жидкости Vigon A250 снижает поверхностное натяжение раствора с привычных 72 мН/м до ~35 мН/м, повышая проникающую способность раствора и эффективность удаления остатков. Этот метод давно практикуется ведущими мировыми производителями электроники.
Как выбор отмывочной жидкости влияет на результат отмывки
Отделение или растворение загрязнения происходит прежде всего благодаря химическим свойствам используемого чистящего средства, которые и определяют наиболее подходящий процесс отмывки. При прочих равных условиях именно состав жидкости в большей мере влия-
ет на качество отмывки. Даже если механическая составляющая процесса не гарантирует отличного результата, хорошая химия способна обеспечить качественную отмывку в самых сложных условиях.
Современные отмывочные жидкости на основе технологии микрофазовой очистки (Micro-phase cleaning, MPC) превосходят поверхностно-активные вещества (ПАВ) не только по степени проникающей способности, но и по времени "жизни" раствора в ванне возможности работы при низких температурах и безопасности для персонала и окружающей среды.
Отмывочную жидкость следует выбирать исходя из используемых технологических материалов, характеристик компонентов и их совместимости с процессом отмывки. Во избежание неприятных сюрпризов, связанных с несовместимостью, выбирать чистящее средство нужно до покупки оборудования или одновременно.
Практика работы на российском рынке показывает, что об отмывке печатных узлов задумываются на старте производства, не проводя предварительных испытаний. При этом существенно повышаются риски некачественной отмывки технологических материалов и других загрязнений, а также повреждения компонентов из-за особенностей их конструкции и материала. В ряде случаев химия может нанести компонентам вред, который проявится в процессе эксплуатации изделия.
Таким образом, от выбора жидкости зависит не только качество удаления загрязнений, но и сохранность свойств печатного узла, компонентов и срок службы оборудования для отмывки. Выбирать отмывочную жидкость нужно как можно раньше, основываясь на результатах испытаний и анализа совместимости жидкости и печатного узла с компонентами. Необходимые данные о совместимости отмывочных жидкостей с полимерами и другими материалами предостав-
ляются их производителями.
* * *
Качественная отмывка – исключительно важный фактор долговечной и безотказной работы аппаратуры, работающей в жестких климатических условиях или выполняющей особо ответственные функции. Качество процесса отмывки зависит от комплекса факторов и правильной их комбинации: типа жидкости для отмывки, оборудования, параметров технологического процесса, конструкции печатного узла и его компонентов. Также не следует упускать из виду стабильность процесса отмывки (долговременную повторяемость) и непосредственный контроль результатов.
•какие способы агитации и процессы наиболее эффективны?
•как состав отмывочной жидкости влияет на результат?
•в какой мере зазор под компонентами сказывается на результатах отмывки?
•как отражаются на эффективности процесса повышение температуры и увеличение продолжительности отмывки?
•зависит ли качество отмывки от конфигурации и размера компонента?
•достаточно ли использовать только воду для отмывки водосмываемых материалов?
Чтобы помочь производителям электроники правильно организовать процесс отмывки плат, компания Zestron провела исследование технологий и материалов для отмывки. На специальные тестовые подложки (рис.1, 2) были установлены имитаторы компонентов с заданными зазорами между подложкой и корпусом. Для максимальной идентичности механических барьеров, создаваемых выводами компонентов BGA, стеклянные пластины были установлены на шариковые выводы, размещенные в том же порядке, как на корпусах CSP (рис.3). Отмывочные жидкости Zestron FA+, Vigon A250 и оборудование комбинировались на основе технологической совместимости (см. таблицу). Качество отмывки оценивалось по оптическим, ионным и диэлектрическим характеристикам печатного узла. Содержание ионных загрязнений и диэлектрические параметры печатного узла по измерялись в соответствии со стандартом IPC-TM-650 "Руководство по проведению испытаний" (рис.4). Влияние технологического процесса на качество отмывки
Один из наиболее актуальных для производителей электроники вопросов – выбор оборудования и способа агитации. Не секрет, что самыми эффективными считаются ультразвуковые и струйные системы отмывки. Так ли это на самом деле?
Как показало исследование, лучшие результаты дали групповой, конвейерный струйный и ультразвуковой способы отмывки, что подтвердило распространенное мнение об этих процессах. Но после струйной отмывки с погружением на границах тестовых пластинок оставались загрязнения (рис.5).
Подтвердилось также, что при направлении струй жидкости перпендикулярно плате качество отмывки определяется исключительно характеристиками капиллярного проникновения и текучестью чистящего средства. В результате по углам стеклянных пластинок внутри и вокруг точек адгезива оставались ясно видимые остатки загрязнений (рис.6). При использовании несовместимых чистящих средств значительная доля загрязнений, скорее всего, останется под стеклянными пластинками (под компонентами).
Эксперимент показал, что качество отмывки было выше в тех случаях, если отмывочная жидкость в достаточном количестве проникала в пространство под компонентом. Следовательно, при загрузке плат в оборудование большое внимание нужно уделять их расположению относительно друг друга и источника агитации. Струи жидкости (УЗ-волны) должны направленно проникать под компоненты и беспрепятственно проходить под корпусами. Так можно снизить вероятность появления теневых зон и повысить качество отмывки.
Влияние толщины зазора на качество отмывки
Распространено мнение, что эффективность отмывки прямо пропорциональна величине зазора между компонентом и печатной платой. На первый взгляд, логично: чем уже зазор, тем сложнее жидкости в него проникнуть. Эксперимент показал, что качество отмывки пространств с малым (0,05 мм), нормальным (0,1 мм) и большим (0,2 мм) зазорами различается незначительно. Значит, по мере уменьшения зазора качество отмывки не снижается (рис.7), отмывочная жидкость легко проникает в капиллярное пространство между компонентом и подложкой. Примечательно, что ополаскивающая способность чистящего средства под компонентами меняется преимущественно по мере ухудшения его проникающей способности. Из этого следует еще один весьма важный вывод: от эффективного ополаскивания, которому зачастую не уделяется должного внимания, зависит качество отмывки в целом.
По результатам эксперимента стало ясно, что современные средства для отмывки печатных узлов и системы агитации достаточно эффективны для удаления загрязнений из-под большинства современных корпусов. Однако для зазоров менее 50 мкм большую роль играют именно капиллярные возможности отмывочной жидкости и механическое воздействие на загрязнение.
Зависимость качества отмывки от продолжительности и температуры процесса
Еще одно распространенное мнение, гласящее, что если плата не отмывается, ее нужно мыть дольше и при более высокой температуре, часто преподносится как догма. Многие приходят к подобным выводам неосознанно, опираясь на бытовой опыт.
Эксперимент показал, что повышение температуры действительно значительно ускоряет процесс отмывки, однако увеличение длительности цикла лишь в малой степени влияет на результат. Следует подчеркнуть, что от температуры зависит не качество удаления определенного загрязнения, а только скорость отмывки. Это объясняется снижением вязкости жидкости и, как следствие, увеличением ее проникающей способности при повышенной температуре.
Однако температуру нельзя повышать бесконечно. Диапазон рабочих температур отмывочной жидкости (30–60°С) обусловлен усилением испарения жидкости при более высоких температурах и ограничениями, связанными с печатными узлами и пожарной безопасностью. Более того, некоторые отмывочные жидкости при чрезмерно высокой температуре расслаиваются на фракции, при этом эффективность отмывки снижается.
Жидкости с высокой проникающей способностью уже при 40°С можно рассматривать как компромиссный вариант там, где есть ограничения по температуре. Примером может служить моющее средство Vigon A250, которое даже при комнатной температуре обладает малым поверхностным натяжением, сравнимым с ацетоном (около 25 мН/м) и хорошо проникает под корпуса компонентов.
Таким образом, эффективность отмывки действительно повышается по мере увеличения температуры, которая при этом не должна превышать порогового значения, указанного изготовителем жидкости. Увеличение времени в большинстве случаев не оказывает влияния на качество и эффективность отмывки. Более того, слишком продолжительная отмывка снижает производительность процесса, а некоторые компоненты на плате могут быть повреждены в результате длительного воздействия отмывочной жидкости. Технологический процесс отмывки проще оптимизировать, регулируя температуру, а не продолжительность цикла.
Зависимость качества отмывки от размера и конфигурации компонентов
Считается, что чем больше размер и сложнее конфигурация компонента (количество и форма выводов, форма корпуса), тем сложнее удалять остатки паяльных материалов. Так ли это на самом деле?
Как показал эксперимент, компоненты BGA, микро-BGA и CSP, которые считаются наиболее сложными для отмывки, в действительности не вызывают особых трудностей (рис.8). Но нужно учитывать, что выводы, расположенные под компонентами, усложняют удаление остатков паяльных материалов. Они механически препятствуют капиллярному проникновению отмывочных жидкостей под корпуса компонентов. К тому же далеко не каждая отмывочная жидкость хорошо смачивает поверхности компонентов и печатной платы.
Зазор под компонентами SOIC и конденсаторами 0603 и 0402 не стал препятствием для большинства чистящих средств и технологических процессов (рис.9 и 10). Однако под керамическими конденсаторами 1206 и 0805 остались явные следы флюса и паяльной пасты (рис.11). Отчасти это объясняется меньшим зазором (<50 мкм) по сравнению с компонентами типа Flip-Chip (перевернутый кристалл) и микро-BGA и большей площадью поверхности под компонентами 1206 и 0805 по сравнению с площадью под корпусами 0603 и 0402.
В ходе эксперимента была обнаружена связь между размерами компонента и величиной зазора под ним. Капиллярные силы, действующие на чистящее средство, в большинстве случаев недостаточны для надлежащей отмывки пространства под компонентом. В итоге стандартный процесс отмывки достигает технологического предела (что наблюдалось в случае с конденсаторами 1206 и 0805) и требует оптимизации. Наличие же механических барьеров не оказывает значительного влияния на отмывку, значение имеет лишь общая форма капиллярных пространств.
Таким образом, можно утверждать, что размер и конфигурация компонентов не всегда оказывают прямое влияние на сложность удаления загрязнений; более важны проникающая способность жидкости и отсутствие теневых эффектов. Для отмывки сложных печатных узлов нужно выбирать жидкости с минимальным поверхностным натяжением. Разумеется, следует принимать во внимание и расположение плат в камере отмывки. При конструировании печатных узлов полезно учитывать возможность максимально эффективного проникновения отмывочной жидкости под компоненты.
Отмывка водосмываемых материалов
Еще одно распространенное мнение гласит, что при отмывке водосмываемых остатков флюса можно ограничиться использованием подогретой воды и эффективного оборудования. Однако обычная вода недостаточно хорошо смачивает поверхность и компоненты печатных узлов, не всегда проникает в узкие зазоры, в частности, под компоненты, в результате в ряде случаев загрязнения не удаляются полностью.
Один из основных критериев оценки качества смачивания поверхности – определение угла смачивания. Этот параметр напрямую связан с поверхностным натяжением: чем оно меньше, тем лучше смачивание и, следовательно, проникающая способность отмывочной жидкости (рис.12). Эксперимент показал, что добавление в воду всего лишь 3–5%-ной жидкости Vigon A250 снижает поверхностное натяжение раствора с привычных 72 мН/м до ~35 мН/м, повышая проникающую способность раствора и эффективность удаления остатков. Этот метод давно практикуется ведущими мировыми производителями электроники.
Как выбор отмывочной жидкости влияет на результат отмывки
Отделение или растворение загрязнения происходит прежде всего благодаря химическим свойствам используемого чистящего средства, которые и определяют наиболее подходящий процесс отмывки. При прочих равных условиях именно состав жидкости в большей мере влия-
ет на качество отмывки. Даже если механическая составляющая процесса не гарантирует отличного результата, хорошая химия способна обеспечить качественную отмывку в самых сложных условиях.
Современные отмывочные жидкости на основе технологии микрофазовой очистки (Micro-phase cleaning, MPC) превосходят поверхностно-активные вещества (ПАВ) не только по степени проникающей способности, но и по времени "жизни" раствора в ванне возможности работы при низких температурах и безопасности для персонала и окружающей среды.
Отмывочную жидкость следует выбирать исходя из используемых технологических материалов, характеристик компонентов и их совместимости с процессом отмывки. Во избежание неприятных сюрпризов, связанных с несовместимостью, выбирать чистящее средство нужно до покупки оборудования или одновременно.
Практика работы на российском рынке показывает, что об отмывке печатных узлов задумываются на старте производства, не проводя предварительных испытаний. При этом существенно повышаются риски некачественной отмывки технологических материалов и других загрязнений, а также повреждения компонентов из-за особенностей их конструкции и материала. В ряде случаев химия может нанести компонентам вред, который проявится в процессе эксплуатации изделия.
Таким образом, от выбора жидкости зависит не только качество удаления загрязнений, но и сохранность свойств печатного узла, компонентов и срок службы оборудования для отмывки. Выбирать отмывочную жидкость нужно как можно раньше, основываясь на результатах испытаний и анализа совместимости жидкости и печатного узла с компонентами. Необходимые данные о совместимости отмывочных жидкостей с полимерами и другими материалами предостав-
ляются их производителями.
* * *
Качественная отмывка – исключительно важный фактор долговечной и безотказной работы аппаратуры, работающей в жестких климатических условиях или выполняющей особо ответственные функции. Качество процесса отмывки зависит от комплекса факторов и правильной их комбинации: типа жидкости для отмывки, оборудования, параметров технологического процесса, конструкции печатного узла и его компонентов. Также не следует упускать из виду стабильность процесса отмывки (долговременную повторяемость) и непосредственный контроль результатов.
Отзывы читателей
