Mycie w procesie montażu PCB (Cz.2): Mycie PCB

3.Związki chemiczne Wyróżnia się trzy zasadnicze grupy środków czyszczących:

1. Rozpuszczalnikowe (nierozpuszczalne w wodzie), zwykle stosowane w urządzeniach do mycia szablonów w oparach. Ze względu na brak możliwości rozpuszczania w wodzie, muszą być zmywane środkami także powstałymi na bazie rozpuszczalników.
2. Rozpuszczalniki półwodne (wodo rozpuszczalne) Stosowane w urządzeniach stosujących mycie zanurzeniowe w kąpieli oraz ultradźwiękowych. Mogą być zmywane wodą lub innymi rozpuszczalnikami.
3. Związki na bazie wody (oczywiście tym samym wodorozpuszczalne), obecnie najpopularniejsze. Mogą być stosowane nieomal w każdym rodzaju sprzętu (poza urządzeniami wykorzystującymi mycie w oparach) i są doskonale rozpuszczalne w wodzie.

Związki utworzone na bazie wody mają kilka kluczowych składników:

1. Związek rozpuszczający zanieczyszczenia, zwykle jest to kluczowy składnik.
2. Aktywator: pomaga rozpuszczalnikowi rozpuścić pozostałości poprzez ich zmiękczenie
3. Bufor: ważny składnik, pomagający utrzymać stabilne pH związku
4. Surfaktant: inaczej składnik powierzchniowo czynny: pomaga redukować napięcie powierzchniowe, a w konsekwencji pozwala na lepszą penetrację pod nisko osadzonymi komponentami.
5. Inhibitor: Chroni powierzchnie metalowe przed korozją i odbarwieniami, zapewniając im też lśniący wygląd

Jako że zadaniem środków czyszczących jest zwiększenie rozpuszczalności pozostałości topników, ich producenci muszą dobrze poznać parametry rozpuszczalności zabrudzeń. Po ustaleniu parametrów rozpuszczalności pozostałości topnika, łatwo można do nich dopasować odczynniki czyszczące. Na szczęście użytkownik nie musi wykonywać tej pracy: producenci środków myjących współpracują z wytwórcami materiałów lutowniczych otrzymując od nich próbki do badań.

Następnym krokiem jest przeprowadzenie analizy zgodności sprzętu, komponentów oraz materiałów stosowanych w montażu PCB z chemią stosowaną w procesie mycia.

Jako że ważnym zagadnieniem są też koszty procesu mycia (nie koszty samej chemii), należy uwzględnić takie czynniki jak: stopień koncentracji chemii, temperatura niezbędna do usunięcia pozostałości, koszty utylizacji odpadów oraz żywotność sprzętu. Kolejnymi ważnymi czynnikami są wpływ na środowisko (VOC, dziura ozonowa), kwestie zdrowia i bezpieczeństwa użytkowników oraz kwestie zgodności z obowiązującymi przepisami (RoHS, REACH, etc.).

4. Urządzenia

Urządzenia myjące to element systemu odpowiedzialny za dostarczenie energii mechanicznej i termicznej, niezbędnej do uzyskania oczekiwanych wyników mycia. Bez względu na sposób dostarczenia energii mechanicznej (natrysk, natrysk w zanurzeniu, ultradźwięki itp.), aby uzyskać oczekiwany efekt mycia, mysi być ona zbilansowana z energią statyczną dostarczaną przez chemię. Podobnie, urządzenia do mycia dostarczają energii termicznej, odpowiedzialnej za zmiękczenie pozostałości topnika i ułatwienie ich rozpuszczenia.

Energia mechaniczna i termiczna jest kluczowym czynnikiem nie tylko w fazie mycia, lecz także spłukiwania. W fazie spłukiwania usuwane są znajdujące się na powierzchni PCB i pod komponentami środki czyszczące oraz pozostałości topnika. Temperatura i energia mechaniczna wspomaga odczynniki chemiczne (zwykle jest to woda dejonizowana) wnikać w ciasne przestrzenie.

Jakie są więc opcje jeśli chodzi o maszyny do mycia?

Do urządzeń typu vapor phase (rysunek obok, powyżej) tj, urządzeniami opartymi na myciu w oparach, stosuje się wyłącznie chemię powstałą na bazie rozpuszczalników. Nowsze konstrukcje są lepiej dostosowane do wysokiego stopnia emisji powodowanej przez niską temperaturę wrzenia rozpuszczalników. Ze względu na ograniczenia środowiskowe, zdrowotne i BHP, obecnie funkcjonuje bardzo ograniczona ilość rozpuszczalników, które dalej mogą być stosowane. Takie produkty jak trichloroetylen (TCE), 141b czy inne są całkowicie zabronione lub są wycofywane z rynku.

Na rysunku po prawej przedstawiono typową konstrukcję tego typu urządzenia. Podstawowa konfiguracja zawiera zbiornik do podgrzewania, zbiornik zawierający preparat do zmywania oraz strefę parową, nad którą umieszczone są schładzacze, redukujące parowanie rozpuszczalnika. Niektóre modele wyposażone są w mechanizm wspomagający proces, tj. natrysk lub ultradźwięki. Obecnie stosowane rozpuszczalniki, mogące mieć zastosowanie w tego typu urządzeniach, nie są dostosowane do procesu bezołowiowego, tak więc jest to raczej nietrafiony wybór jeśli chodzi o proces mycia.

Systemy dwu-rozpuszczalnikowe (rysunek obok, poniżej) zostały wprowadzone na rynek jako odpowiedź na niedopasowanie systemów parowych do współczesnej technologii lutowania. Tego typu systemy używają dwóch różnych rodzajów rozpuszczalników, zapewniając polepszone parametry mycia i proces przyjazny dla środowiska. Proces ten ma dwa etapy:

Etap 1: Mycie za pomocą rozpuszczalnika odpowiedniego dla rodzaju zanieczyszczenia. Etap ten charakteryzuje się szerszym oknem procesowym w porównaniu do tradycyjnego odtłuszczania parowego.

Etap 2: Spłukiwanie za pomocą rozpuszczalnika przyjaznego dla środowiska (nie palnego, nie zawierającego VOC, bez wpływ na efekt cieplarniany itp.).

Systemy tego typu są doskonałym rozwiązaniem dla procesów, w którym ze względu na brak kompatybilności środowiskowej lub procesowej nie może być zastosowana woda. Emisja szkodliwych substancji jest w nich bardzo ograniczona.

Myjki natryskowe (spray-in-air) stanowią obecnie najbardziej rozpowszechnioną grupę urządzeń, stosujących środki na bazie wody. Ewentualne zastosowanie chemii na bazie rozpuszczalników wiąże się z wysokimi kosztami, ponieważ cała konstrukcja musi być wówczas odporna na eksplozje.

Istnieją dwa podstawowe typy systemów Spray-In-Air:

1. Systemy do stosowania w linii (inline) zaprojektowane są do procesu wielkoseryjnego. Co prawda mogą też być stosowane w produkcji średnio- czy małoseryjnej, jednak czynniki ekonomiczne są nieubłagane: zużywają dużo energii, chemii i wody. Systemy inline są bardzo efektywne w myciu wąskich przestrzeni. Popularna konfiguracja obejmuje: komorę mycia wstępnego, komorę mycia, separator chemii, spłukiwanie wstępne i końcowe oraz suszenie. Przeciętny czas procesu to 8-12 minut.
2. Zmywarki (ang. batch system) są przeznaczone do mało i średnioseryjnej produkcji, zużywając ograniczone ilości energii, chemii i wody. Można je stosować w wielkoseryjnej produkcji, jednak wówczas ich przepustowość wymusza stosowanie wielu jednostek, zwykle w konfiguracji gniazd produkcyjnych. Zwykle są to niewielkie konstrukcje, a cały proces (mycie, zmywanie i suszenie) jest dokonywane w tej samej komorze, w cyklu 45-60 minut.

Urządzenia zanurzeniowe (ang. Spray-Under-Immersion) stosują głównie produkty półwodne, a dysze natryskowe są umieszczone poniżej poziomu płynu. Ponownie wyróżnia się dwa typy tych urządzeń:

1. Niezbyt obecnie popularne systemy do stosowania w linii, posiadające te same cechy co ich odpowiedniki Spray-In-Air w sensie kosztów, niezbędnej przestrzeni czy gospodarki odpadami. Jako że dostarczają one mniej energii mechanicznej, znaczenia nabierają czas procesu i stosowana chemia. Typowy układ zawiera następujące sekcje: mycie, izolowanie chemiczne, spłukiwanie wstępne (opcjonalnie) i końcowe oraz suszenie.
2. Zmywarki oparte na tej technologii także nie są obecnie zbyt popularne. W przypadku tych urządzeń, które nie wykorzystują ultradźwięków, stosuje się cyrkulację turbulentną lub odśrodkową. Typowe systemy zawierają etapy mycia, spłukiwania wstępnego (opcjonalnie) i końcowego oraz suszenia.

Ostatnim typem są systemy zanurzeniowe z ultradźwiękami. Energia ultradźwiękowa nie jest szeroko stosowana w myciu PCB ze względu na pewne teorie, mówiące o szkodliwości ultradźwięków dla niektórych komponentów. Niemniej jednak, gdy nie występuje tego typu konflikt, ultradźwięki są znakomitym uzupełnieniem chemii do czyszczenia.

1. Systemy do stosowania w linii nie są zbyt popularne. Typowe urządzenie zawiera sekcje mycia, spłukiwania wstępnego i końcowego oraz suszenia. Energia ultradźwiękowa jest obecna na etapie mycia oraz przynajmniej na jednym z etapów spłukiwania. Istnieją też systemy, gdzie w sekcji spłukiwania zastosowana jest cyrkulacja turbulentna, dobrze sprawdzająca się w przypadku produkcji średnioseryjnej, lecz która może mieć zastosowanie też w produkcji wielkoseryjnej. Jak zawsze, należy rozważyć koszty operacyjne, rozmiary systemu i gospodarkę odpadami.
2. Zmywarki zwykle posiadają jedną lub dwie komory, a poza konstrukcjami o sporej komorze istnieje też sporo modeli nastołowych. Systemy te są ekonomiczne i wymagają bardzo mało miejsca, jednak trudności mogą sprawić etapy spłukiwania i suszenia.

Walidacja procesu. Po etapie planowania kluczowych elementów i parametrów procesu mycia, niezbędna jest weryfikacja czy spełnia on oczekiwania. W większości przypadków, cały proces planowania i weryfikacji może zostać przeprowadzony przez dostawcę chemii, ponieważ firmy te posiadają duże doświadczenie i dobrze wyposażone laboratoria.

Podsumowanie

Kluczowymi elementami, które należy brać pod uwagę planując proces mycia są rodzaj zabrudzeń, substraty (ich projekt oraz materiały), stosowana chemia i sprzęt do mycia. Czyszczenie większości PCB i substratów może być uproszczone jeśli konstruktorzy wezmą pod uwagę aspekty mycia jako jedno z kryteriów podczas projektowania układu. Ze względu na swoje doświadczenie i zaplecze laboratoryjne, firmy produkujące chemię do mycia mogą okazać się pomocne w doborze odpowiedniego procesu mycia.

Przejdź do 1 części cyklu, poświęconej podstawom procesu mycia.

Przejdź do 3 części cyklu, poświęconej myciu szablonów.

Przejdź do 4 części cyklu, poświęconej utrzymaniu maszyn.

Artykuł powstał we współpracy z firmą Lenz.

Źródło: Kyzen