印制电路板清洗质量检测


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质量要求

1.原材料质量要求

1)锡铅焊料

   压力加工锡铅焊料的化学成分需符合GB/T 31311的要求。

   铸造锡铅焊料的化学成分需符合GB/T 8012的要求。

2)焊剂

   关于焊剂质量,应该从焊剂的外观、物理稳定性和颜色、不挥发物含量、粘性和密度、水萃取电阻值、卤素含量、固体含量、助焊性、干燥度、铜镜腐蚀性、绝缘电阻、离子污染等方面进行检测。

如免洗类液态焊剂要求:

1)外观:液体透明、均匀,无杂质、沉淀、异物和强烈刺激性气味;

2)固体含量:不大于10%;

3)卤素含量:无卤素离子;

4)助焊性:扩展率不小于80%;

5)铜镜腐蚀:铜镜应无穿透性腐蚀;

6)绝缘电阻:(焊后)大于1*10Ω;

7)离子污染等级及要求符合表1的规定。

表    1

等   级 NaCl含量,μg/cm2
1 <1.5
2 1.5-3.0
3 3.0-5.0

    再如松香基液态焊剂按GB/T 9491的要求:

 1)外观:焊剂质量应均匀一致,透明,无沉淀或分层现象、无异物;

 2)物理稳定性和颜色:焊剂应保持透明和无分层或沉淀现象;或R型焊剂的颜色应不深于铁钻比色计的色阶编号11,RMA型的颜色应不深于铁钻比色计的色阶编号13;

 3)不挥发物含量:不小于15%;

 4)粘性和密度:粘性在50C时,应能被医用吸管迅速吸入;密度在250C时,应为0.80g/cm3-0.95g/cm3;

 5)水萃取电阻值:R型和RMA型焊剂的水萃取液平均电阻率不小于1*105Ω.cm,RA型焊剂的水萃取液平均电阻率不小于5*105Ω.cm;

6)卤素含量:R型和RMA型焊剂不应使铬酸银试纸颜色呈白色或浅黄色,RA型焊剂的卤素含量应为0.07%-0.20%或符合有关规定;

7)助焊性:焊剂扩展率R型应不小于75%,RMA型应不小于80%,RA型应不小于90%;

8)干燥度:焊剂残渣表面应无粘性,表面上的白垩粉应容易被去除;

9)铜镜腐蚀:RA型焊剂应基本无变化,RMA型焊剂不应使铜膜有穿透性的腐蚀;

10)绝缘电阻:焊接前后的绝缘电阻应不小于表2中的值。

表      2

焊剂类型 一     级 二     级
R、RMA 1*1012Ω 1*1011Ω
RA 1*1011Ω 1*1010Ω

    IPC-SF-818对助焊剂表面绝缘电阻规定见表3。

2.印制电路板清洗质量要求

    目前我国电子行业对作为最终产品的印制电路板还未形成统一的清洗质量规范。在发达国家较普遍使用的行业标准中对印制电路板的清洗质量有以下规定。

   1)J-STD-001B规定:

  A,离子污染物含量:<1.56μgNaCl/cm2

  B,助焊剂残留量:一级<200μgNaCl/cm2,二级<100μgNaCl/cm2,三级<40μgNa-Cl/cm2

  C,平均绝缘电阻>1*108Ω,(log10)的标准差<3.

  2)IPC-SA-61按工艺规定的值见表4。

  3)MIL-STD-2000A规定离子污染物含量<1.56μgNaCl/cm2

   此外,在MIL-P-28809规范中,规定也可用清洗或清洗液溶液的电阻率作为清洗度的判据,清洗溶液电阻率大于2*106Ω.cm为干净,否则为不干净。这种方法适用于清洗工艺的监测。

   由于各种商业性表面离子污染测试仪的出现,不同测试系统的测试结果均有所不同,但都高于手工测试结果。因此,提出了等值系数这一概念,实现了不同系统的测试结果的可对比性。(表5)。

表    3

等 级

焊剂类型

一    级 二     级 三    级
(500C,90%RH,7天) (500C,90%RH,7天) (500C,90%RH,7天)
低活性焊剂 100 100 100
中等活性焊剂 100 100 100
活性焊剂 100 100 100

表   4

含 量

工 艺

离子污染物含量 助焊剂残留量
工艺A <1.5μgNaCl/cm2 <217μg/板
工艺C <2.8μgNaCl/cm2 <2852μg/板
工艺D <9.4μgNaCl/cm2 <1481μg/板
平均绝缘电阻值 >1*108Ω,(log10)的标准差<3 >1*108Ω,(log10)的标准差<3

注:1 工艺A:印制板裸板   —  测试;

    2 工艺C:印制板裸板  —  SMT  —  回流焊  —  清洗  —  测试;

    3 工艺D:印制板裸板  —  SMT  —  回流焊  — 清洗   — 波峰焊   — 清洗  —  测试;

    4 测试板为IPC-B-36。

表   5

方  法 等值系数法 仪器“可接受范围”,μgNaCl/cm2
MIL-P-28809

Backman

7.545/7.545=1 1.56
MIL-P-28809

Markson

7.545/7.545=1 1.56
Omega Meter 10.51/7.545=1.39 2.2
Lonograph 15.20/7.545=2.01 3.1
lon Chaser 24.50/7.545=3.25 5.1

表面离子污染检测标准

   1)手工测试标准:GB/T 4677.22、IPC-TM-650-2.3.25、MIL-STD-2000A。

   2)仪器测试标准:IPC-TM-650-2.3.26、IPC-TM-650-2.3.26.1、IPC-TM-650-2.3.28、GB/T  4677.22、MIL-STD-2000A。

   3)助焊剂残留物测试标准:IPC-TM-650-2.3.27、IPC-TM-650-2.3.27.1、IPC-TM-650-2.3.38、IPC-TM-650-2.3.39。

检测方法

1.目视检验

   不使用放大镜,直接用眼睛观测印制电路板表面应无明显的残留物存在。

2.表面离子污染测试方法。

   1)萃取溶液电阻率(ROSE)测试法

   萃取溶液电阻率测试法的原理是,以75%异丙醇加25%去离子水(体积比)为测试溶液,冲洗印制电路板表面并使残留在印制板表面上的污染物溶解到测试溶液中。由于这些污染物中的正负离子使测试溶液的电阻率降低,溶入测试液中的离子越多其电阻率降低的也越多,二者具有反比函数关系。

  测试液中的离子当量=常数/测试液的电阻率  (1)

  正是利用这种函数关系,通过测定测试液冲洗前后的电阻值及所使用测试液的体积,可以计算出印制电路板表面残留离子的含量,并规定以每平方厘米NaCl当量来表示,即μgNaCl/cm2

A,手工测试法

   可按GB/T 4677.22执行,或参考IPC-TM-650中2.3.25、MIL-STD-2000A  执行。按每平方厘米印制电路板1.5ml的比例量取测试溶液。测试溶液的电阻率必须大于6MΩ.cm,以细流方式冲洗印制电路板表面,直到测试溶液全部收集到烧杯内,该过程至少需要1分钟。用电导电桥或等同量程和精度的仪器测量测试溶液的电阻率,按公式(5-2)计算单位面积上的NaCl当量。

   Wr=1.56*2/p..........(2)式中:Wr--每平方厘米面积上的NaCl当量,μgNaCl/cm2

   2-当试样含有1.56μgNaCl/cm2时的电阻率,MΩ.cm;

   p-收集液的电阻率,MΩ.cm;

   1.56-电阻率值为2MΩ.cm时试样单位面积所含相应的NaCl当量,μg/cm2

B,仪器测试法

   可按IPC-TM-650-2.3.26执行或参考IPC-TM-650-2.3.26.1执行。

   通过测量测试液的温度和密度确定其异丙醇的含量,并使之达到75%。开启净化泵,利用离子交换柱进行净化处理,直到测试液电阻率达到或超过20MΩ.cm。系统校验无误后,在测试槽中注入适量的测试液,放入测试样品,开启测试泵测量测试液的电阻率,至电阻率达到稳定为止。

C,数据处理

    根据测试循环回路结构的不同,该测试又可分为静态测试法和动态测试法。静态测试法的循环回路由测试槽、电阻率测试探头和测试泵构成。单位面积上的NaCl当量按公式(3)计算。

  

式中:Wr-每平方厘米面积上的NaCl当量,μgNaCl/cm2

   V-测试循环回路中测试液的体积,L;

   p1--测试液的最终电阻率值,Ω.cm。

   S-测试样品的面积(长*宽*2),cm2

   po-测试液的初始电阻率值,Ω.cm。

   C--测试液中异丙醇含量(75%);

   A、B--实验常数。

   动态测试法的测试循环回路由测试槽、电阻率测试探头、测试泵和离子交换柱构成。因为在整个测试过程中,测试液不停地经过离子交换柱净化处理,所以在测试过程中应连续测量测试液的电阻率,并进行累加。所萃取出的离子量符合公式(4)关系。

  

式中:N--测试液中的离子量,moL;

   k-实验常数;

   V-测试循环回路中测试液的体积,L;

   P1-t时测试的电阻率值。

  2)离子色谱测试法

   可按IPC-TM-650中2.3.28执行。

   使用的实验器材包括:

  A,离子色谱仪;

  B,热水浴包:800C±50C;

  C,聚乙烯可密封塑料袋:可萃取的污染物<25mg/kg;

  D,聚乙烯塑料手袋:Cl-<3mg/kg;

  E,去离子水:18.3MΩ.cm,Cl-<50mg/kg;

  F,异丙醇:电子级。

   配置75%异丙醇加25%去离子水(体积比)萃取溶液,将印制电路板和(100-250)mL萃取液放入聚乙烯塑料袋内(印制电路板应全部浸泡在萃取溶液中)并进行热密封后,放入(80±5)0C的热水浴包中1小时。取出塑料袋,将萃取液送入离子色谱仪中进行测试,离子含量按公式(5)计算。

  

式中:Wr--每平方厘米面积上某离子的含量,μgNaCl/cm2

   C-根据标样测试出的萃取液中某离子的含量,mg/kg;

   V0-注入到聚乙烯塑料袋中的萃取液的体积,mL;

   V1-注入到离子色谱仪中进行测试的萃取液的体积,mL;

   S-印制电路板面积(长*宽*2),cm2

3.助焊剂残留物测试

  1)污痕观测法

   可按IPC-TM-650-2.3.38执行。

   测试样品尺寸应大于50mm*75mm,使用光谱或高效液相色谱级的乙腈或其他溶液为测试液体。用滴管每次将(0.25-0.5)mL测试液慢慢滴到样品表面上使其清洗小面积的样品表面,并滴到玻璃载片上。在无油空气或氮气气流下吹干测试溶液,重复清洗直至测试液用量达到2mL/cm2为止。观察玻璃载片,如果有清洗下来的残留物存在,则很容易看到。

  2)红外分光光度计测试法

   可按IPC-TM-650-2.3.39执行。

   测试仪器为红外分光光度计(2.5μm-16μm),KRS-5或ZnSeMIR.

   测试溶液为光谱或高效液相色谱级的乙腈或其他溶剂。

   用与污痕观测法相同的方法在MIR片上制备样品,并将相同体积的乙腈滴到另一块MIR片上作为参样。将样品谱图与参样谱图对比,如果两者不同,说明样品有污染。

  3)紫外分光光度计测试法

   可按IPC-TM-650-2.3.27执行。

   测试仪器为紫外分光光度计。

   测试溶液为HPLC测试液加1.0%磷酸加0.1%水。

   用索氏萃取法萃取所用的焊膏或助焊剂中的松香,配制成标样,残留物含量分别为0.002%、0.004%、0.006%、0.008%和0.010%。在241nm波长处使用紫外分光光度计进行测试并制出工作曲线。向干净的塑料袋中加入100mL测试溶液,摇动10分钟后再测试,如吸收系数超出范围,再向塑料袋中加入100mL测试溶液,摇动10分钟后再测试,如吸收系数还超出范围,再向塑料袋中加入100mL测试溶液,直到吸收系数低于3.000.利用工作曲线判定其残留物的浓度。残留物含量按公式(6)计算:

  4)高效液相色谱法

   可按IPC-TM-650-2.3.27.1执行。

  测试仪器为高效液相色谱仪。

  测试溶液为75%异丙醇(HPLC级)加25%去离子水(18.3MΩ.cm)(体积比)。

  将(75-200)mL的测试溶液注入塑料袋,放入测试样品后热密封,在(80±5)0C的热水中放置1小时,分别测试标样和该样品溶液。

  仪器测试条件如下:

  A,波长:220nm、240nm;

  B,柱温:600C;

  C,淋洗液:60%乙腈加40%水(体积比);

  D,流速:2mL/min;

  E,进样量:10mL.

  数据按公式(7)和(8)进行处理:

  C=(S1*C0*V0)/(S0*V1)   (7)

  式中:C-样品溶液中残留物浓度,mg/L;

  S1-样品溶液峰的面积;

  C0-标样的浓度,mg/L;

  V0-标样进样量,mL;

  S0-标样锋的积分面积;

  V1-样品溶液进样量,mL.

  残留物含量μ(g/cm2)=(C*V/S)*1000........(8)

  式中:C-样品溶液中残留物浓度,mg/L;

  V-样品溶液体积,mL;

  S-标样面积,cm2.

  4.表面绝缘电阻测试方法

  1)助焊剂表面绝缘电阻测试方法

  可按GB/T 9491或参考IPC-TM-650-2.6.3.3执行。

  A,焊接前的绝缘电阻

  分别将0.3mL焊剂试样均匀地滴加在三块制备好的试件上,在850C烘箱中保持30min取出,放入400C、相对湿度90%-95%的试验箱中,保持96h,取出后在室温、相对湿度90%(有酒石酸钾饱和溶液的器皿)的条件下恢复1h,用高阻仪(量程为106Ω-1017Ω、电压为500VD.C)按图示分别测1-2、2-3、3-4和4-5点间的绝缘电阻(1min后读数),取三块试件的平均值作为焊剂焊接前的绝缘电阻。

  B,焊接后的绝缘电阻值

  分别将0.3mL焊剂试样均匀地滴加在三块制备好的试件上,在2350C的焊料槽上漂浮3s(在线路面向下),然后放入400C相对湿度90%-95%的试验箱中,保持96h,取出后在室温、相对湿度为90%(有酒石酸钾饱和溶液的器皿)的条件下恢复1h,用高阻仪(量程为106Ω-1017Ω、电压为500VD.C)按图示分别测1-2、2-3、3-4和4-5点间的绝缘电阻(1min后读数),取三块试件的平均值作为焊剂焊接后的绝缘电阻。

  2)印制电路板表面绝缘电阻测试方法

  可按GB/T 4677.1执行。

  A,试样预处理

  -试样在正常大气条件下(按GB/T 2421中的规定)放置24小时以上;

  -恒定湿热条件:按GB/T 2423.3中的规定进行。若不在箱内测,应在正常试验大气条件下恢复2小时。

  B,试验的大气条件:

a) 正常试验大气条件:按GB 2421中的规定进行:

b)促载试验大气条件:温度230C:相对湿度48%-52%;

  气压86kPa-106kPa(按GB/T 2423。3中的规定进行;

c)恒定湿热条件:按GB/T 2423。3中的规定进行;

d)干热条件:按有关规定进行。

C,测试电压:(10±1)V,(100±15)V,(500±50)V。

D,测试步骤:校准仪器,将测试电压加到试样上1分钟后再测量,若能提早得到稳定的读数就早测量,如果到1分钟时,得不到稳定的读数,应在报告中记录这一现象。

  3)聚合物阻焊层和敷形涂层表面绝缘电阻测试方法

  可按IPC-TM-650-2.6.3.1执行。

  测试板:IPC-B-25A测试板;

  环境条件:T、H级(200C-270C)和40%-50%RH;

  测试条件:

  T级:(65±2)0C,(90±3)0C,无偏压,24小时;

  H级:250C-(65±2)0C,90%RH,50VD。C.偏压,热循环,6天又16小时;

  测试过程:

  A,将样品放入烘箱(50±2)0C,不加湿,24小时后在大气条件下使样品冷却;

  B,加100VD。C电压分别测IPC-B-25A的1-2、2-3、3-4、和4-5点间的绝缘电阻和两个只有两个测试点的梳状测试板及“Y”型测试板的绝缘电阻(1分钟后读数);

  C,温湿实验:

  H级:将测试板垂直放入烘箱中,至少有一个无涂敷层的裸板作为参照,将IPC-B-25A的1、3、5连接起来接偏压正极,2、4连接起来接偏压负极;两个只有两个测试点的梳状测试及“Y”型测试板的两个测试点分别接偏压的正负极。关好烘箱门后,将偏压加至50VD。C热循环20次。湿度在降温阶段(iii)至少保持在80%,在热循环的其他阶段至少保持在85%。热循环条件如下:

  A,从250C开始,在1小时45分钟内上升到650C;

  B,在650C保温(3-3.5)小时;

  C,在1.75小时内,从650C降温到250C。

  注:热循环连续进行,中间不得停滞。

  T级:将测试板垂直放入烘箱中,其中至少有一个无涂敷层的裸板作为参照,在650C,90%RH保持24小时。

  D,测量:

  H级:在24小时内在热循环的高温保温阶段每隔(2-3)小时测量一次,测量电压极性与偏压相同,烘箱门不能打开。温湿实验结束后,去掉偏压,从烘箱中取出样品,在大气条件下恢复1小时之后、2小时之前按B。的要求进行测量。

  T级:按B的要求,加100VD。C。电压进行测量(取1分钟后读数)。

  E,样品评估:

  H级:以烘箱内的最后测试数据和在大气条件下恢复后的测试数据为判断依据。

 T级:以测试数据的平均值为判断依据。

  4)目测

  表面绝缘电阻测试完成后,将所有施加偏压位置的元器件取下(注:不可使用化学方法和加热方法)。用10X-30X放大镜对印制板进行全面积的腐蚀和树枝晶检查。印制板上应无明显的腐蚀现象。如有树枝晶形成,其尺寸不应超过焊盘或布线间距的20%。表面涂层不应有变质、破裂和生斑等现象。

测试方法的选择

  萃取溶液电阻率测试法是由Hobson和DeNoon在70年代初期,作为工艺控制的工具而建立的,是表面离子污染测试的最早方法。

  然而,1998年瑞典Per-Erik Tegehall博士进行了如下实验:从每个印制板生产厂商选取印制板3块,其中2块按标准方法测试,另1块则在萃取过程中施加超声波。其表面离子污染测试结果列于表6.

表6  MgNaCl/cm2

印制板生产厂商 标准方法的测试结果 施加超声波的测试结果
A 0.055,0.066 1.88
B 0.269,0.331 2.73
C 0.922,3.12 3.12
D 0.103,0.112 1.35

  重新选取样品A,超声萃取2小时,其表面离子污染为5.06μgNaCl/cm2,更换测试溶液,再超声萃取2小时,其表面离子污染为1.59μgNaCl/cm2,则表面离子污染总和为6.65μgNaCl/cm2。这个实验表明,在测试过程中只有一部分残留在印制板上的污染物被萃取出来,该测试方法的误差很大,不宜作为产品合格与否的判据。

  在美军标MIL-STD-2000A中指出,萃取溶液电阻率测试法是针对用松香基助焊剂焊接、以CFC为清洗剂的穿孔式安装印制板开发的。该方法及其质量判据不适用于表面贴装和混装印制板。其主要原因是,萃取溶液电阻率方法所测得的结果为表面离子污染的平均值。而表面贴装印制板的助焊剂仅涂敷于焊盘上,且表面贴装器件的低部又很难清洗,因此助焊剂残留物分布极不均匀,萃取溶液电阻率方法的结果无法说明表面贴装器件周围的情况。同时还指出萃取溶液电阻率方法及其质量判据也不适用于使用非松香基助焊剂焊接的印制板。但随着进一步的可靠性研究的完成,这种观点已被包括J-STD-001B的其它标准所否定。

  尽管萃取溶液电阻率(ROSE)测试法的误差较大,但其具有成本低、测试周期短、对样品无破坏性测试以及拥有大量历史数据等优点,是生产过程中在线检测的最佳方法。

  离子色谱测试法、红外分光光度计测试法、紫外分光光度计测试法、高效液相色谱法可以定性、定量地检测出污染物中各种离子、有机物质及其含量。对于不合格产品,可依据这些数据快速、有效地判断出主要污染物的来源,是工艺分析的重要手段。

  表面绝缘电阻测试法加速模拟了印制板的工作环境,并可得到印制板电性能、表面腐蚀、表面涂层等多方面信息,作为印制板可靠性的定量化指标更具科学性。


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