Mycie w procesie montażu PCB (Cz.1). Podstawy

Po co w ogóle czyścić? Do niedawna w większości przypadków, mycie było zaledwie dodatkiem, czymś co wykonywano jedynie wtedy, kiedy było absolutnie konieczne. Jednak we współczesnym przemyśle elektronicznym postęp technologiczny spowodował, iż mycie stało się niezbędnym elementem procesu, a konsekwencje zaniechania lub zaniedbania tego procesu oznaczają znaczne koszty w postaci niższej efektywności i większej ilości defektów.

Kiedy mowa o myciu w procesie produkcji elektroniki, większość osób myśli o myciu płytek, jednak termin ten obejmuje znacznie więcej niż tylko PCB. Kolejne części cyklu artykułów poświęcone są zasadniczym obszarom procesu produkcyjnego, gdzie mycie może odegrać istotną rolę:

1. Mycie PCB – obejmuje mycie płytek przed i po złożeniu (odnosi się to też do mycia układów hybrydowych i ceramicznych),
2. Szablony/Drukarki – najpopularniejsze procesy to ręczne bądź automatyczne mycie szablonów oraz wycieranie spodniej strony szablonów w drukarce
3. Utrzymanie maszyn – typowymi procesami są czyszczenie pieców rozpływowych, fal do lutowania, mycie palców transportera, czyszczenie poszczególnych elementów pieców (łańcuchów, filtrów itd.) oraz mycie ram lutowniczych. Często procesom czyszczenia poddaje się nozzle maszyn P&P, igły maszyn dozujących czy inne części maszyn wymagające częstej konserwacji.

1. Mycie PCB

Jeśli o tym dobrze pomyśleć, to każdy poddaje płytki myciu, albowiem każda pasta zawiera topnik, którego zadaniem jest usuwanie tlenków i niemetalicznych zanieczyszczeń z lutowanych powierzchni celem poprawy lutowalności, a więc mowa tu o myciu. Jednak w większości przypadków topnik też pozostawia zanieczyszczenia, które należy usunąć.

Do wczesnych lat 90-tych, stosowano odtłuszczacze w aerozolu zawierające freony z grup CFC i HCFC. Większość firm, które stosowały ten proces, produkowało na potrzeby armii lub przemysłu lotniczego. Ze względu na szkodliwość tych związków dla warstwy ozonowej, ten sposób mycia został zabroniony lub ściśle ograniczony. Co więcej, rozpuszczalniki te zostały wyeliminowane ze względów ochrony zdrowia i bezpieczeństwa.

Następnie popularne stało się czyszczenie pół-wodne. W tego typu procesie, stosowano chemikalia oparte na rozpuszczalnikach do usunięcia pozostałości topnika, a następnie całość zmywano prysznicem z dejonizowanej wody. Po spopularyzowaniu się procesu pół-wodnego, rozpowszechniły się topniki typu ‘no-clean’, co ponownie zmieniło cały proces mycia. Nowe topniki pozostawiały niewielkie ilości nieprzewodzących zanieczyszczeń, które nie musiały być usuwane. Jednak proces mycia nigdy nie wyszedł z użycia, bowiem część produktów musi wykazywać się 100% niezawodnością w ekstremalnych warunkach lub wykonuje funkcje krytyczne. Aplikacje wysokich mocy czy wysokich częstotliwości również są doskonałymi przykładami produktów, które muszą być myte z pozostałości topników, mimo że są one określane jako ‘no-clean’. Mycie było też niezbędnym etapem przed procesem conformal coating, zapewniającym odpowiednie przywieranie. Dodatkowo, istniała też ograniczona grupa klientów, stosująca czyszczenie ze względów estetycznych.

Podczas ‘ery no-clean’ znacznie udoskonalono technologię mycia wodnego. Istniejąca w latach 50-tych oparta na silikatach technologia była używana jedynie sporadycznie, miała bowiem bardzo wyraźne skłonności do tworzenia warstwy twardego osadu, czego przyczyną była duża zawartość soli nieorganicznych. Potem pojawiły się nowe, innowacyjne środki, zawierające wolno parujące utlenowane składniki, z niewielką procentowo domieszką związków zapewniających łagodną zasadowość, dobre zwilżanie i inhibicję. Obecnie środki są najbardziej popularne wśród chemii służącej precyzyjnemu myciu i zapewniają te same funkcjonalności co pół-wodne rozpuszczalniki, przy zachowaniu całkowicie wodnego charakteru procesu mycia.

W procesie mycia wodnego opisywane środki rozpuszczane są w stosunku 75%-90% wody, co oznacza niski koszt takiego procesu. Proces kończy intensywny prysznic dejonizowaną wodą.

W lutym 2003 Unia Europejska wprowadziła dyrektywę RoHS, której stosowanie jest obowiązkowe od lipca 2006. Dyrektywa RoHS zabrania stosowania pewnych substancji niebezpiecznych w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym, wymuszając między innymi usunięcie ołowiu z obwodów elektronicznych. Aby sprostać nowym wymogom, została opracowana nowa technologia lutowania bezołowiowego. Jednak ponieważ stopy bezołowiowe nie zwilżają tak dobrze, jak ich ołowiowe odpowiedniki, koniecznym stało się opracowanie nowych rodzajów topników. Aby zrównoważyć gorszą lutowalność stopów bezołowiowych, nowe typy topników muszą być bardziej aktywne i agresywne, a szczytowa temperatura procesu rozpływowego musi być wyższa nawet o 50°C. Wyższa temperatura powoduje czernienie – lub po prostu nieestetyczny wygląd – pozostałości topnika. Dodatkowo, wyższa temperatura procesu w połączeniu z bardziej agresywnymi topnikami pozostawia więcej pozostałości. Podczas procesu rozpływowego większość topnika odparowuje, czego konsekwencją jest utwardzanie się jego pozostałości i trudności w ich usuwaniu.

Trendy technologiczne, takie jak miniaturyzacja, większe upakowanie układów czy coraz wyższe wymagania dotyczące ich funkcjonalności, wymuszają stosowanie mycia celem uzyskania oczekiwanej niezawodności. Jeśli na płytce obecne są pozostałości, ze względu na bezpośrednią bliskość lutów, ścieżek itp., szybko mogą one stać się przyczyną awarii. W warunkach przepływu prądu czy wilgoci, pozostałości zaczną reagować chemicznie, co stanie się przyczyną defektów spowodowanych migracją elektrochemiczną czy wzrostem dendrytów. Defekty mogą przybrać postać rozwarstwiania się pokrycia conformal coatingu, awarii czy zwarć układu, powodujących kosztowne i szkodliwe dla reputacji producenta zwroty.

Druga część cyklu artykułów poświęcona jest całkowicie zagadnieniu mycia PCB.