台湾佬娱乐网

PCBA大講堂:電路板焊接后為何要水洗?水洗制程、免洗制程有何差異?助焊劑的種類

time : 2019-09-18 09:13       作者:凡億pcb

你知道當初電路板組裝(PCBA)后為何還需要清洗嗎?清洗的目的及用意所為為何?為什么后來/現在的PCBA幾乎都可以不用再清洗了呢?可為什么還是有客戶要求要清洗板子呢?
 
電路板組裝焊接,最開始的制程是需要水洗的,也就是板子過完「波峰焊(Wave soldering)」或是「表面貼焊(Surface Mount)」后,最終要使用清潔劑或純水來清洗掉板子上的污染物,后來隨著電子零件的設計越來越多樣,也越來越小,水洗制成漸漸的出現了一些問題,還有就是因為PCBA的清洗制程實在太麻煩了,后來才演化出了免洗制程。
 
電路板組裝(PCBA)后清洗板子的主要目的在去除PCB表面上殘留的助焊劑
以SMT制程來說,「水洗制程」與「免洗制程」的最大差異在錫膏中助焊劑的成份不同,波焊制程就純粹是爐前助焊劑的成份,這是因為助焊劑(flux)的主要目的在去除被焊接物的表面張力及氧化物以取得潔凈的焊接表面,而去除氧化的最佳良藥當屬「酸」及「鹽」這類化學藥劑,但是「酸」及「鹽」具有腐蝕性,如果殘留在PCB表面,會隨著時間而腐蝕銅面,造成嚴重品質不良。
建議延伸閱讀:介紹認識【錫膏(solder paste)】的基本知識
 
其實,既使是使用免洗制程生產出來的板子,如果助焊劑的配方不當(通常是用到一些來路不明的錫膏,或是有特別強調吃錫效果或可以去氧化物的錫膏時,因為這些錫膏的助焊劑通常會添加弱酸)或是助焊劑殘留過多,時間久了錫膏與空氣中的濕氣與污染物質混合后也可能對電路板的銅面造成腐蝕現象。當板子有被腐蝕風險時,清洗還是必要的。所以,并不是說「免洗制程」的板子就一定不需要清洗,當然能不水洗就不要水洗,畢竟水洗很麻煩。
 
另外,有些特殊目的情況下也會要求將免洗制程的板子拿去水洗,比如說:
? 單賣PCBA給終端客戶者,希望板子的表面干凈,給客戶良好的外觀印象。
? PCBA的后續制程中需要增加電路板表面附著度者。比如說三防膠(Conformal coating)涂布需要通過百格測試需求者。
? 或是為了避免錫膏殘留物產生不必要的化學反應者,比如說灌膠(Potting)制程。
? 免洗制程殘留的助焊劑在潮濕環境下會產生微導通(阻抗降低),尤其是細間腳(fine-pitch)零件,比如說0201尺寸以下的被動元件底部,特別是小間距的BGA封裝,因為焊點設置在零件底部,容易殘留過多的助焊劑,且濕氣也容易在使用時溫不用時冷卻后附著在其下方,久而就之形成微導通,造成漏電流(leakage current)或增加保持電流(retention current)耗電。
所以,板子需不需要水洗,得視個別需求而定,重要的是要去了解「為何要水洗?水洗的目的是什么?」。
 
介紹認識【錫膏(solder paste)】的基本知識
 
PCBA助焊劑的種類與解說
既然談到PCBA「水洗制程」與「免洗制程」的最大差異在助焊劑,而且水洗的最大目的在「去除助焊劑的殘留」以及其他污染,那我們就得了解一下助焊劑有哪些種類。
 
助焊劑基本上分成下列幾大類:
1.無機系列助焊劑
早期的助焊劑中會添加無機酸及無機鹽等物質(比如說鹽酸、氫氟酸、氯化鋅、氯化銨),稱之為「無機助焊劑」,因為無機酸及無機鹽類為中強酸,所以具有非常良好的清潔效果,可以獲得良好的焊錫效果,助焊性優,但缺點是腐蝕性也很強,被焊接物比虛有較厚的鍍層或厚度才能承受強酸的清洗,所以使用這類「無機助焊劑」后必須馬上進行嚴格的清洗,以避免其繼續腐蝕電路板的銅箔,實用性大受限制。
 
2.有機系列助焊劑
所以就有人將酸性較弱的有機酸(比如說乳酸、檸檬酸)添加在助焊劑中來取代強酸,稱之為「有機助焊劑」,其清潔程度雖然沒有強酸來得好,不過只要被焊物的表面污染不算太嚴重,它還是可以起到一定程度的清潔效果,重要的是它焊接后的殘留物可以在被焊物上保留一段時間而無嚴重腐蝕,但弱酸也是酸,所以在焊接后還是得水洗,以免日久造成線路腐蝕等不良。
 
3.樹脂、松香系列助焊劑
因為水洗制程實在是太麻煩了,而且也不是所有的電子零件都可以進行水洗,比如蜂鳴器(buzzer)、鈕扣電池(coin battery)、彈簧頂針連接器(pogo pin)就不建議進行水洗。
 
后來有人將松香加入到了助焊劑中取代原本的酸性清潔劑,也可以起到一定程度清除氧化物的功效,但是松香為單體時,化學活性較弱,對促進焊料的潤濕往往不夠充分,因此實用上需要添加少量的活性劑,以提高它的活性。松香還有一個特性,就是松香在固態時呈非活性,只有變成液態時才呈活性,其熔點約為127℃,而活性則可以持續到315℃的溫度。目前無鉛錫焊的最佳溫度為240~250℃,剛好處于松香的活性溫度范圍內,且它的焊接殘留物不存在腐蝕問題,這些特性使松香為非腐蝕性焊劑而被廣泛應用于電子設備的焊接中。
 
IPC-J-STD-004依據助焊劑成份定義了四大助焊劑:有機(OR)、無機(IN)、松香(RO)、樹脂(RE)。
 
PCBA水洗制程的麻煩、缺點:
所謂「水洗」,就是使用液體溶劑或純水來清洗板子,因為一般的酸性物質都可以溶解在水中,所以可以使用「水」來溶解清洗,所以稱之為水洗,但是免洗助焊劑使用松香則無法溶解于「水」中,比需使用「有機溶劑」來清洗,但一樣被稱之為「水洗」,大部分的水洗制程都會使用「超音波」震盪來加強清洗效果及縮短時間,這些清洗劑在清洗的過程當中極有可能會滲透到一些有著細小孔隙的電子零件或電路板之中造成不良。
? 有的可能會因為液體滲入后無法干燥造成功能失效,比如說簧片開關、彈簧頂針連接器(pogo pin)。
? 或是清洗后反而把葬東西帶到零件內部使之作動不順或接觸不良,比如說蜂鳴器、喇叭、微動開關…等零件。
? 有些可能因為無法承受震盪清洗而出現不良,比如說鈕扣電池。
這些對水洗制程有疑慮的電子零件一般都必須安排在水洗之后才能進行焊接,以避免清洗時造成永久的損壞,這就增加了生產的制程環節,而且生產的制程越多道就越容易有良損,無形中對生產制程造成了浪費,而且水洗后的焊接通常是手焊,對焊接品質也較難管控。所以,還是那句話「能不水洗就不要水洗」。
 
補充說明: 
錫膏及助焊劑有分成水洗與免洗,一般的水洗錫膏及助焊劑用的成份可以溶解于水中,而免洗制程的助焊劑則無法溶解在水中,只能用有機溶劑來清洗。所以,如果已經決定PCBA要清洗,建議前面就採用水洗的錫膏與助焊劑,這樣才會有助將助焊劑清洗干凈。