Źródła zanieczyszczeń elektroniki

© ZVEI

Analiza czystości układów elektronicznych dostarcza informacji na temat liczby i rozkładu wielkości wyekstrahowanych cząstek, zwykle nie wskazuje jednak bezpośrednio na ich źródło. Aby zminimalizować zanieczyszczenie cząstkami stałymi, niezbędna jest więc znajomość potencjalnych źródeł zanieczyszczeń i czynników sprzyjających ich powstawaniu.

Podstawowe źródła zanieczyszczeń

Cząsteczki zanieczyszczeń rozróżnia się ze względu na ich źródło:

• cząsteczki obecne w obszarach produkcyjnych (brud, kurz, komórki skóry, minerały/sole, sadza itp.)

• cząsteczki pochodzące z elementów produktu (od samego produktu lub z sąsiednich produktów)

W dalszym kroku należy przyjąć, iż cząsteczki, których źródłem jest sam produkt, zostały wprowadzone przez komponenty lub zostały wytworzone podczas kolejnych etapów procesu produkcyjnego.

Pył jest zawsze obecny w każdym zakładzie produkcyjnym. Zwykle na metr kwadratowy dziennie powstaje 6 mg pyłu (na przykład ludzie zrzucają średnio 1-2 g komórek naskórka dziennie). Inne możliwe źródła pyłu to:

• włókna pochodzące z odzieży, tekstyliów, papieru, kartonu itp.

• części roślin

• żywe i martwe bakterie

• pleśń

• pozostałości biologiczne (zwłoki owadów, naskórek)

• cząsteczki skalne (gruz, piasek)

• cząsteczki stałe (sadza z silników spalinowych, systemów grzewczych, opary przemysłowe, pożary)

Chociaż odsetek roztoczy i podobnych organizmów w pyle przemysłowym jest znacznie niższy, w zakładach produkcyjnych powstają dodatkowe zanieczyszczenia, spowodowane przez obracające się części takich urządzeń jak silniki (węgiel), pasy (guma), hamulce (azbest), a także opary (gorący olej) i pył (szlifowanie).

Produkcja cząstek metalicznych jest procesem, który trudno poddaje się kontroli, a tym samym ingerencji czy regulacji. W większości przypadków cząsteczki są wytwarzane losowo i ich generowane rządzi się wieloma zasadami. Zapobieganie obecności cząsteczek powinno zawsze jednak mieć pierwszeństwo przed ich późniejszym usuwaniem.

Źródła zanieczyszczeń w procesie produkcji elektroniki

Ze względu na ich zdolność do zakłócania działania elementów elektronicznych, cząsteczki przewodzące prąd elektryczny są uważane za szczególne zagrożenie, Jednak cząsteczki niemetaliczne mogą również powodować rozmaite awarie, np. nieszczelność obudowy, problemy ze stykami itp.

Potencjalne źródła cząstek metalicznych:

• pozostałości z wcześniejszych etapów łańcucha dostaw (PCB, komponenty, obudowy)

• luźne kulki pasty lutowniczej, powstałe podczas procesu aplikacji (zanieczyszczenia  maski lutowniczej, odpryski podczas druku metodą jet printing)

• rozpryski lutu powstałe na etapie rozpływu lutowia

• pozostałości topnika powstałe podczas lutowania THT

• pozostałości po procesie napraw

• powstawanie wiórów podczas procesu montażu komponentów metodą press-fit (styki, złącza, osłony ekranujące itp.)

• tworzenie się wiórów podczas podłączania systemu testowego (tester typu bed-of-nails, flying probe, konektory wtykowe itp.)

• powstawanie wiórów podczas finalnego montażu systemu (zadziory uwalniane z formowanych wtryskowo części, połączenia śrubowe)

Potencjalne źródła cząstek niemetalicznych:

• zanieczyszczone urządzenia produkcyjne

• pozostałości substratu PCB powstałe podczas depanelizacji (fragmenty włókna szklanego, pył frezarski)

• pozostałości dymu powstającego podczas depanelizacji laserowej

• powstawanie wiórów podczas finalnego montażu systemu (plastikowe wióry z obudowy itp.)

• materiały opakowaniowe (pudełka, styropian)

Zanieczyszczenia pochodzące z komponentów pasywnych

Większość komponentów wykorzystuje przewodniki lub elementy łączące, które zwykle są wykonane z miedzi lub jej stopów. Ponadto, w celu zapewnienia lutowności, często stosuje się wykończenia zewnętrzne na bazie cyny lub stopów cyny, zwykle poprzedzone  częściowym wstępnym niklowaniem.

Jeszcze większa liczba cząstek miedzi występuje, gdy stosowane są przewody, np. w indukcyjnych elementach uzwojonych. Podczas przecinania drutu, na powierzchni tworzy się obszar o równej powierzchni i postrzępiony obszar pęknięcia (rysunek obok), w którym często tworzą się zadziory. Czasem pozostają one na drucie, jednak łatwo mogą się od niego odłączyć. Warto też podkreślić, iż na powstawanie zadziorów duży wpływ ma stan i zużycie narzędzia tnącego. Na kolejnych zdjęciach wyraźnie widać, że maksymalna długość potencjalnych cząsteczek odpowiada długości ciętej krawędzi.

Jeśli używane druty są cynowane, na ich powierzchni można znaleźć dużo opiłków i metalowego pyłu. Wióry mogą tworzyć się podczas procesów nawijania czy trasowania przewodów. Ponadto, wióry często tworzą się podczas  automatycznej obróbki przewodów z cienką, emaliowaną otuliną, które często przyklejają się do materiału bazowego ze względu na miękkość miedzi.

Wiele komponentów używa w swojej konstrukcji lutu lub cyny do mocowania przewodów i pinów, co wykonywane jest w procesie lutowania zanurzeniowego. Aby zapewnić dobre zwilżenie, komponenty należy wcześniej zwilżyć topnikiem. Topnik wykorzystuje materiał nośny (woda, rozpuszczalnik), który odparowuje natychmiast po zanurzeniu w lucie. Powoduje to powstawanie pęcherzyków gazu, które powodują rozpryskiwanie się kulek lutowniczych.

Wiadomo, że efekt ten występuje również podczas lutowania falowego: odpryski lub kulki lutownicze są zwykle ‘katapultowane’ nawet kilka centymetrów dalej i często przyklejają się do sąsiednich powierzchni, czasami nawet wtapiają się w tworzywa sztuczne, z których wykonany jest komponent. Kulki rozpryśniętego lutowia można również znaleźć ściśnięte płasko między elementami obudowy. Ponieważ cyna jest miękka, często są ściskane przez rozmaite narzędzia stosowane w produkcji komponentów do formy krążków i wówczas bardzo łatwo przylegają do chropowatych powierzchni. Liczbę luźnych kulek można zmniejszyć, osłaniając sąsiednie obszary osłoną przeciwbryzgową podczas procesu cynowania.

Elementy indukcyjne najczęściej mają rdzeń magnetyczny, co oznacza, że ​​mogą się tam gromadzić cząsteczki. Na przykład ferryty (ceramika na bazie tlenku żelaza) są łamliwe i mają ostre zadziory, które łatwo odpryskują pod wpływem kontaktu. Na stanowiskach montażu rdzeni łatwo można znaleźć dużo pyłu ferrytowego oraz nawet kilkumilimetrowych cząsteczek.

Ferryty to zazwyczaj półprzewodniki, umożliwiające przepływ prądu elektrycznego, a tym samym są to elementy, które mogą powodować zwarcia. Cząsteczka ferrytu jest też dobrym przykładem trudności w wykrywaniu drobin metalu metodą analizy optycznej - ze względu na różnicę w połysku powierzchni często jest błędnie klasyfikowany podczas automatycznego wyboru metal/niemetal.

Miękkie rdzenie magnetyczne z materiałów amorficznych i nanokrystalicznych składają się z taśmy, która ma tendencję do łatwego odpryskiwania. Odpryski nie występują, kiedy rdzenie są obudowane tworzywem sztucznym, co jest obecnie powszechną praktyką. Jednak ich obudowy muszą być czyszczone z zewnątrz, ponieważ są podatne na zanieczyszczenia wprowadzane przez transport lub pracowników.

Zanieczyszczenia pochodzące z  podzespołów elektromechanicznych

Cząsteczki przewodzące prąd elektryczny są klasyfikowane jako cząstki o zasadniczym znaczeniu dla działania połączeń elektrycznych. Potencjalne źródła cząstek metalicznych są następujące:

• poprzednie etapy procesów produkcyjnych

• proces tłoczenia (cięcie, gięcie, trasowane, transport)

• transport, układanie w trakcie lub po uzwojeniu

• oddzielanie się metalowych elementów podczas transportu na przenośniku

• naprężenia ścinające podczas etapu łączenia

• kruszenie się powierzchni podczas procesów gięcia

• ścieranie podczas kontaktu z elementami metalowymi

• wibracje podczas transportu

Zanieczyszczenia pochodzące z PCB

Nie można uniknąć generowania cząsteczek podczas produkcji płytek drukowanych, a zwłaszcza podczas formowania sztancowanych metalowych lub  niemetalowych usztywnień.

Potencjalne źródła cząstek metalicznych:

• proces wykrawania

• naprężenia ścinające podczas procesów łączenia

• ścieranie spowodowane kontaktem z elementami metalowymi

• transport w zanieczyszczonym opakowaniu

Im mniejsze cząstki metaliczne, tym lepiej przylegają do płytki drukowanej dzięki siłom elektrostatycznym. Cząsteczki metaliczne i niemetaliczne można – w razie potrzeby – usunąć w dużej mierze, ale nie całkowicie, za pomocą dodatkowych etapów czyszczenia, te jednak wymagają dodatkowego nakładu pracy i znacznie zwiększają koszty produkcji.

Żródło: Technical Cleanliness in Electrical Engineering © ZVEI