6.6. Очистка

Технологии очистки находятся в состоянии постоянного совершенствования. Широко использующаяся в России спирто-бензиновая смесь для отмывки плат от остатков флюса и технологических загрязнений теряет эффективность по мере уменьшения размеров компонентов. В уменьшающихся пазухах и зазорах нет нужного обмена раствора, чтобы вымыть оттуда технологические загрязнения. Желание улучшить отмывку увеличением времени отмывки приводит к вымыванию связующего, образованию белесоватости на поверхности плат. Практикуемая в зарубежье конденсационная очистка, использующая хлорированные и фторированные углеводороды, постепенно исчезает в интересах экологии. В то же самое время требования к очистке непрерывно ужесточаются. В электронной индустрии, где чистота была всегда важна, она стала еще более критическим фактором в обеспечении состоятельности высоких технологий. Кажется, что каждое усовершенствование в технологии требует большего и большего внимания к чистоте для его реализации. В результате технологии очистки были критически пересмотрены в течение последних нескольких лет. Многие из их продвигаются за счет использования ультразвуковой технологии.

Очистка должна удалять загрязнения всех типов: остатки солей электролитов, травящих растворов, осветлителей, масла, флюсы, активаторы флюсов, жировые отпечатки пальцев и загрязнения поверхностей из атмосферы (жировые загрязнения, пыль, ворсинки, абразивные частицы).

Загрязнения органического происхождения часто представляют собой тонкую жировую пленку, покрывающую поверхность сплошным слоем. Силами молекулярного взаимодействия жировая пленка прочно удерживается на поверхности. Чем тоньше пленка, тем труднее ее удалить. Пленку удаляют растворением в органических растворителях или эмульгированием.

Эффективность удаления загрязнений при растворении, эмульгировании или механической очистке зависит от физических и химических свойств очищающих сред и методов их использования. При этом необходимо создать следующие условия:

• очиститель должен растворять или эмульгировать как полярные, так и неполярные соединения, пленки жировых загрязнений и флюса, масла, защищающие поверхность припоя, удалять остатки солей, используемых при изготовлении печатных плат;

• с очищаемых поверхностей должны быть удалены твердые частицы загрязнений: частички нерастворимых веществ, крошево (результат термоэрозии), пыль, ворсинки, волокна и т. п.;

• очистители не должны повреждать элементы печатных плат, маркировочные знаки, размягчать и растворять пластмассу и эластомеры, взаимодействовать с металлами.

Выбрать наилучшие и просто удовлетворительные очищающие средства довольно трудно, хотя существует много различных очистителей. В отечественной промышленности используются главным образом спирт, спирто-бензиновая и спирто-бензино-ацетоновая смеси, алифатические и ароматические углеводороды, фреоны, деионизированная вода, водные растворы поверхностно-активных веществ.

Спирты, кетоны, алифатические и ароматические углеводороды — относительно недорогие растворители. За исключением этилового спирта и некоторых алифатических углеводородов, многие из этих растворителей токсичны, что составляет основную проблему их применения. Кроме того, все они пожаро- и взрывоопасны. Самый распространенный очиститель на основе спирто-бензиновой смеси (1:1) в дополнение к этим недостаткам неудобен непостоянством состава из-за различных скоростей испарения компонентов, трудностью регенерации смеси. Спирто-бензино-ацетоновой смеси свойственна относительно высокая активность к растворению маркировочных знаков, некоторых пластмасс и диэлектрика печатных плат.

Этиловый спирт хорошо удаляет остатки канифольного флюса и растворяет некоторые неорганические загрязнения, но не воздействует на масляные и жировые пленки, под которыми может оказаться значительное количество загрязнений. Ароматические углеводороды применяют, когда требуется сильная способность к растворению.

Удаление жировой пленки органическими растворителями основано на их способности растворять жировые загрязнения благодаря сродству химической структуры их молекул. Минеральные масла растворяются в углеводородах, растительные масла и канифоль — в спиртах. После промывки и испарения растворителя на поверхности подложки остается пленка загрязнений, ранее растворенных в испаренном слое растворителя. Поэтому для качественного обезжиривания особое значение имеет удаление с очищаемой поверхности остатков моющего состава со следами удаляемой жировой пленки. Наиболее эффективна очистка в парах растворителя, основанная на конденсации пара растворителя на холодных поверхностях электронного модуля. Конденсат растворяет загрязнения и стекает в испаритель, где вновь испаряется, отделяясь от загрязнений.

Перспективной считается замена органических растворителей пожа-робезопасными. Среди таких растворителей привлекают внимание фреоны — группа фторхлоруглеводородов жирного ряда, которые благодаря своим термодинамическим свойствам нашли широкое применение в холодильных установках. Для очистки применяют жидкие фреоны. Фреоны не растворимы в воде, не горючи, не образуют взрывоопасных смесей с воздухом, химически инертны, хотя при контакте с открытым пламенем разлагаются с выделением ядовитых газов. Пары фреонов в 6... 10 раз тяжелее воздуха, что создает условия использования их в установках для финишной очистки в парах растворителя с малым расходом очистительной смеси.

Растворяющая способность чистых фреонов недостаточна для удаления остатков канифольных флюсов. Поэтому используют азеотропные смеси фреонов с соответствующими растворителями (чаще со спиртом). Азеотропными называют жидкие смеси, при кипении и конденсации которых состав смеси не меняется. Такие смеси выкипают и конденсируются при постоянной температуре, не разделяясь.

Низкое поверхностное натяжение фреонов (18... 23 дин/см, в то время как для воды 73 дин/см) позволяет им проникать в углубления, пазухи и под скопления грязи, легко вытекать из капилляров и щелей, создавая условия для обмена моющей жидкости. Они обладают исключительной способностью к смачиванию поверхностей, смачивают даже поверхность фторопласта.

Обычно применяют фреон Ф-113 — трифтортрихлорэтан, отличающийся способностью к растворению масел и смазок, кремнийорганических жидкостей и других загрязнений органического происхождения. Низкая температура кипения и теплота парообразования позволяют использовать его для экономичной очистки термочувствительных элементов и деталей аппаратуры. Его азеотропная смесь с этиловым спиртом (9: 1) позволяет смыть практически всю гамму органических загрязнений, сопутствующих процессам монтажа.

Эмульсия, содержащая фреон Ф-113, деионизированную воду и поверхностно-активные вещества (ПАВ), способна удалять не только органические загрязнения, но и растворимые в воде минеральные соли. В такой системе ПАВ располагаются на границе диспергированных во фреоне капель воды. Очистка происходит как на границе двух фаз, где сосредоточены практически все ПАВ, так и во фреоне.

Большое будущее для очистки имеют водные растворы ПАВ, разрушающие жировые пленки и остатки канифольного флюса путем их разрыва и эмульгирования и смывающие растворимые неорганические загрязнения. Типичные ПАВ — органические вещества дифильного строения, т. е. содержащие в молекуле атомные группы, сильно отличающиеся по интенсивности взаимодействия с окружающей средой, в данном случае - с водой. Один или несколько углеводородных радикалов молекул ПАВ, составляют олео- или липофильную часть, обладающую гидрофобностью. Одна или несколько полярных групп — гидрофильная часть. Слабо взаимодействующие с водой олеофильные (гидрофобные) группы определяют возможность растворения углеводородных (неполярных) загрязнений. Гидрофильные группы, наоборот, удерживают молекулу в полярной среде (в воде).

По типу гидрофильных групп ПАВ делят на ионные, или ионогенные, и неионные, или неионогенные. Ионные ПАВ диссоциируют в воде, их остатки на поверхности монтажа создают проводимость, т. е. их нужно полностью удалять, что не всегда удается в силу их поверхностной активности.

Неионогенные ПАВ не требуют тщательной отмывки и поэтому предпочтительнее в процессах очистки в сборочно-монтажном производстве.

Особое внимание уделяется производству ПАВ с линейным строением молекул. Они легко подвергаются биохимическому разложению в природных условиях и не загрязняют окружающей среды.

Интенсификация процессов очистки. В процессе очистки плат растворимые в очищающей среде загрязнения переходят в раствор и уносятся вместе с ним. Показателем интенсивности этого процесса служит разность концентрации вещества в слое, прилегающем к поверхности пленки загрязнения, и концентрацией этих веществ во всем объеме жидкости. Одним из основных факторов, влияющих на интенсивность растворения, является скорость диффузии: количество вещества, продиффундировавшего к поверхности раздела фаз в единицу времени. Интенсивное перемешивание уменьшают толщину диффузионного слоя, что увеличивает скорость очистки: толщина диффузионного слоя обратно пропорциональна корню квадратному из относительной скорости движения фаз.

Перемешивание очищающей жидкости можно осуществлять механическими способами: барботированием, наплескиванием растворителя на очищаемые поверхности, наложением на ванну вибрации низкой (100 Гц) частоты от электромагнитного вибратора, питаемого от сети 50 Гц, струйным распылением растворителя и т. п. Повышение температуры размягчает жировые пленки и остатки канифольного флюса, что облегчает их разрушение и отделение.

Принципиально отличается от любых видов механического перемешивания наложение на ванну с очищающей жидкостью ультразвукового поля, вызывающее интенсивное перемешивание жидкости акустическими течениями.

Вихревые потоки, возникающие вблизи препятствий, разрушают ламинарный слой на границе жидкость — твердое тело, способствуют снятию концентрационных и диффузионных ограничений. Наряду с общими потоками в жидкости существуют локальные интенсивные микропотоки, вызываемые колеблющимися вблизи твердой поверхности парогазовыми (квитанционными) пузырьками. Гидродинамические потоки и микропотоки вокруг неровностей на границе жидкость — твердое тело ускоряют процессы растворения пленок и способствуют перемешиванию компонентов в жидкой среде. Механическое разрушение поверхностных пленок в акустическом поле является основным следствием кавитации. Если очистка производится в водных растворах, кавитационные пузырьки преимущественно возникают на поверхности жировой пленки и канифольных загрязнений из-за слабого смачивания их поверхностей водой. Кавитационные пузырьки производят микроударные нагрузки поверхностных пленок загрязнений, под действием которых наступает их эрозия. Концентрируясь на краях внешней и внутренней поверхностей отслоившихся частей пленок, пузырьки отслаивают либо отрывают пленку, разбивают ее и эмульгируют, облегчая тем самым процесс удаления загрязнений с поверхности ПП.

Интервал интенсивностей озвучивания (плотность энергии) при ультразвуковой очистке в диапазоне частот 20... 50 кГц составляет 0,5... 3 Вт/см2. При интенсивностях выше 5 Вт/см2 облако кавитационных пузырьков настолько увеличивается, что это приводит к заметному уменьшению интенсивности ультразвука на некотором расстоянии от излучателя. Применение чрезмерных интенсивностей ультразвука для очистки печатного монтажа недопустимо, так как в условиях развитой кавитации происходят усиленное эрозионное разрушение поверхности диэлектрика печатных плат, отслоение контактных площадок, ослабление паек, нарушения герметичности электронных компонентов, разрушения элементов конструкции. Опыт работы дает основание рекомендовать для очистки электронных модулей ультразвуковые установки, обеспечивающие интенсивность колебаний в рабочей зоне в пределах 0,4...0,6 Вт/см2. Однако предпочтение надо отдать докавитационным режимам очистки, обеспечивающим менее агрессивное воздействие.

Контроль качества очистки. Качество отмывки и последующей лакировки можно гарантировать, только если есть возможность убедиться, что все загрязнения (неорганические и жировые) с поверхности печатных плат удалены.

Наиболее простой метод контроля обезжиривания — испытания на разрыв водяной пленки. Если смоченная деионизированной водой поверхность не имеет гидрофобных загрязнений, водяная пленка распределяется тонким равномерным слоем.

Содержание канифоли в спирто-бензиновых смесях из контролируемой ванны можно определить химическим анализом. Если требуется определить только присутствие канифоли, производят выпаривание анализируемого раствора. После выпаривания в небольшом фарфоровом тигле к осадку добавляют несколько кристаллов хлористого кальция, повторно нагревают тигель и прибавляют в него каплю серной кислоты. При наличии канифоли появляется ярко-красное свечение.

Так как флюсы могут содержать активные вещества, представляющие собой ионогенные продукты, концентрацию их в моющем растворе можно определить измерением электрического сопротивления раствора. Допустимое снижение сопротивления моющего раствора не должно превышать 20х10³ Ом·см.