PCBA多余物和清潔度標準

一、PCBA多余物

1.多余物定義

PCBA制造過程中所發生的，存在于機內的所有非設計和工藝所要求的各種物理的或化學的、可見的和不可見的、氣態的或液態的、宏觀的或微觀的等物質，均屬多余物。

多余物是產品潛在的可靠性隱患，必須仔細地清除。特別是對高密度組裝和高可靠性產品來說，保持產品的清潔度要求尤為重要。

2.常見的多余物

PCBA常見的多余物大致可列舉如下：

助焊劑殘留物；

顆粒狀物；

氯化物；

碳化物；

白色殘留物；

吸附的潮氣或有害氣體；

汗跡；

……

上述多余物有可溶性的或不可溶性的，它們可以是有機的或無機的。

3.來源

1）助焊劑殘留物

來源于組件的焊接過程，對需清洗的助焊劑而言，應無可見殘留物；而對免清洗助焊劑而言，允許有非離子性的助焊劑殘留物。

2）顆粒狀物

表面殘留了灰塵或其他顆粒物，如纖維絲、渣滓、金屬顆粒及助焊劑中的結晶物等，它們均是由生產過程中的違章操作和加工、工作場地文明衛生條件差等因素造成的。

3）氯化物

在PCBA表面上助焊劑活化劑反應而形成的另一種殘余物就是鉛鹽。屬于這一類的殘余物有氯化鉛等。

助焊劑中很多活化劑會分解，由于在焊接熱作用下，釋放出氯化氫和自由胺。這些分解產物呈氣體狀態逸出。氯化物和金屬氧化物（Cu2 O、SnO、PbO）可能發生反應。另一方面，為了提高焊接操作速度所使用的一些高活性助焊劑中，含有產生鉛鹽的活化劑體系。這些鹽可以和來自層壓板樹脂中的溴化物（防燃層壓敷箔基板材料）起反應，生成不可溶解的鹽（溴化鉛），這也是一種白色粉狀離子殘余物。

4）碳化物

當PCB上存在氯元素時，氯就要侵蝕釬料中的鉛，形成的氯化鉛（PbCl2）是附著力相當差的化合物。在含有CO2 的潮濕空氣中，氯化鉛是不穩定的，很容易轉變為較穩定的碳酸鉛，并在轉變過程中釋放出另一個氯離子，該氯離子再次游離侵蝕氧化鉛。該轉變過程的最終產物碳酸鉛是多孔的白色粉點狀材料。而且上述反應過程能一直無休止地循環進行下去，直到釬料合金中的所有鉛都消耗殆盡為止。它是一種危害極大的缺陷。

5）白色殘留物

白色殘留物形成因素較復雜，諸如：

（1）PCBA焊接后或清除助焊劑殘留物后會留下一些不溶的白色殘余物。這些殘余物集中在焊好的PCBA的某些特定區域，或者在PCB板面上形成一層均勻的白色結構物。

（2）助焊劑中活化劑的分解物。當對溶劑成分的控制失效時，活化劑殘余物常常形成白色粉末狀殘留物。如果清洗不凈，這些離子殘余物就留在PCBA上。清洗溶劑飽和以及在清洗系統中停留時間過于短暫，也會導致從助焊劑活化劑中析出白色粉末狀殘余物。

（3）白色污染物中另一種類型的離子殘余物，是在PCBA表面和阻焊膜之間形成的白色顆粒狀斑點。這是由于清洗不當而產生的一種離子殘余物，有時更換一種阻焊膜材料即可消除。

（4）來自層壓板的聚合反應產物。充分的聚合反應是PCB基板獲得光滑、無孔、抗釬接性和不受溶劑侵蝕的堅固表面所需要的。在這種化學反應中，兩種或更多的單體或同類聚合物相結合形成一個高分子，當聚合反應不充分或過度時就會產生白色殘余物。

（5）來自助焊劑中的聚合反應產物。助焊劑中的松香在波峰焊接過程中反復加熱對聚合過程起了催化作用，使松香聚合成長鏈分子，而且在焊接溫度下還存在著活化劑對聚合反應的催化作用。這種牢固黏附在PCBA上的白色殘余物（聚合松香）一旦形成，甚至連最有效的氟化或氯化溶劑都不能溶解掉它。解決的辦法是把PCB重新浸漬在松香助焊劑中，助焊劑中的短鏈松香將溶解這種長鏈的聚合松香，之后就可重新用普通溶劑清除掉。

白色殘余物不是離子性的就是非離子性的，由于它呈白色，能掩飾各種不同類型的缺陷。它的形成可以追溯到PCB的制造方面，因此這種白色殘余物很難消除。但可以辨別白色殘余物是來自PCB刻蝕，還是來自電鍍、自重熔過程的化學物質，或來自元器件上的蠟、釬料合金中的雜質等因素。

6）吸附的潮氣或有害氣體

這類多余物最常見于在無溫、濕度控制和被污染的工業大氣環境中組裝的產品。

7）汗跡

在PCBA組裝過程中，操作者未遵守工藝規范要求所致。

二、PCBA的清潔度標準

1.清潔度的意義

高可靠性的應用，要求受控的、完善的焊后清洗工藝。隨著現代電子產品運行的高頻、高速化，PCB布線密度的增加，芯片引腳間距的微細化，使得對PCBA的清潔度要求越來越高，焊后的潔凈化處理，已經構成了提高PCBA工藝可靠性的一項重要的工藝手段，也是確保三防涂敷最佳質量和性能的一項重要步驟。

2.污染物的組成

污染物由離子（極性）、非離子（非極性）和微細的污物組成。離子污染物由助焊劑活性劑、殘留的電鍍鹽和操作污物組成；非離子污染物包括松香、油、脂、熔化液體和游離材料中的已反應的非揮發性的殘留物。微小的污染物則由釬料球或釬料渣、操作污物、鉆孔或灰塵和空氣中的微粒物質組成。

人的汗液屬于一種鹽類，汗液中的液體成分揮發后，留下的微量固體成分就是NaC1（鹽），它藏納于指紋中污染PCB板面。所以，不允許人手（未戴手套）直接接觸PCB板面。

3.極性污染物

極性污染物是當其溶于水時能形成離子的污染物。例如，當人手指藏納的鹽溶于水中時，NaCl分子游離成正的Ni離子和負的Cl離子。在離子狀態，NaCl增加水的導電性，可能引起電路中信號改變，產生電遷移和腐蝕。典型的極性污染物來自電鍍和蝕刻材料，PCB或元器件制造過程的化學物質，松香或助焊劑中合成催化的活性劑，助焊劑反應物和來自手工處理的沉淀物。

4.非極性污染物

非極性污染物是當其溶于水時不形成離子的污染物。它們可能是親水的或憎水的（通常親油）。吸濕的材料可能促使表面水膜的形成，從而造成表面絕緣電阻的降低，在適當條件下，還可能引發電遷移。不溶于水的非離子殘留物，由松香、合成樹脂、低殘留/免洗助焊劑配方中的有機化合物、釬料絲（線）中助焊劑的增塑劑、化學反應產品、油脂、指紋油、不可溶的無機化學成分和焊膏中的觸變添加劑等組成。

5.微細殘留物

對微細殘留物要求機械能量能將其去掉。常見的微細殘留物是來自灰塵中的硅酸材料、水解或氧化的松香、某些助焊劑反應產品（一些白色殘留物）、硅脂、硅油、基材的玻璃纖維、阻焊材料中的硅土和黏土填充劑，以及釬料球和釬料等。

6.PCBA清潔度要求

對于污染的分析，不僅要判斷它對外觀和功能的影響，還應視它為一種警告。對每種污染都有一個容忍度的基本標準。J-STD提供的離子污染測試，IPC-TM-650提供的應用環境情況下進行的絕緣電阻測試和其他電氣參數測試，是可推薦的建立清潔度標準的方法。

目前電子制造業界正在使用的IPC標準，對殘留物類型、適用范圍和清潔度要求如表1所示。

表1 清潔度要求及相關標準

但表1給出的答案是遠遠不夠用的。不像過去松香助焊劑主宰工業的“那段好時光”，新的表面涂層、助焊劑、焊接與清洗系統正不斷出現。很明顯，沒有“萬能的”答案。由于這個理由，標準與規格強調用來證明可靠性的測試規程，而不是一個簡單的通過/失效數字。

再仔細地看一下IPC標準，特別是IPC-6012，剛性印制板的技術指標與性能揭示了，應該在文件中規定阻焊層、釬料或替代的表面涂層之后的對光板的清潔度要求。這意味著裝配制造商必須告訴電路板制造商他們希望光板有多清潔。它也給使用免洗工藝的裝配制造商，留有余地來對進廠的電路板規定一個更加嚴格的清潔度要求。

裝配制造商不僅需要規定進廠的PCB的清潔度，而且要與用戶對裝配好的產品的清潔度要求達成一致。按照J-STD-001，除非用戶規定，制造商應該規定清潔度要求和測試清潔度的項目（表面絕緣電阻、離子污染濃度、松香或其他表面有機污染物）。清潔度測試將取決于使用的助焊劑和清潔化學品。如果使用松香助焊劑，J-STD-001提供了1、2、3類產品的分類要求。

下面列出的數據是氯化物含量的合理判斷點。當氯化物含量超過下列水平時，會增加電解失效的危險性：

對低固體助焊劑：氯化物含量應＜0.39μg/cm2；

對高固體松香助焊劑：氯化物含量應＜0.70μg/cm2；

對水溶性助焊劑：氯化物含量應＜0.75～0.78μg/cm2；

對Sn/Pb金屬化的光板：氯化物含量應＜0.31μg/cm2。

真正的清潔度取決于產品和所希望的最終使用環境。但是怎么決定什么樣的清潔度對一個特定的最終使用環境是足夠的呢？必須通過徹底和嚴格的分析，研究每一個潛在的污染物與最終使用情形，進行長期的可靠性測試。一個好的例子就是：IPC、美國環保局（EPA）、美國國防部（DOD）主辦的，20世紀80年代后期完成的深入的清潔與清潔度測試程序。這個程序調查研究了在電子制造清潔工藝中使用的、減少氟氯化碳（CFC）水平的新的材料與工藝。

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