PCBA清潔度的工藝控制
電子產(chǎn)品向著更細(xì)間距、更高密度封裝方向發(fā)展，PCBA上的污染殘留物增加了失效的風(fēng)險問題，腐蝕縮短了產(chǎn)品的壽命。隨著元器件密度的增加，電路對離子污染的敏感度也隨之增加。現(xiàn)代電路組件的元器件密度比過去大得多，對70年代元器件技術(shù)影響最小的殘留物可能對現(xiàn)在的元器件可靠性產(chǎn)生重大影響。自從2020年10月《IPC-J-STD-001》H版發(fā)布以來，取消了1.56ug/ cm2NaCl當(dāng)量的限值。取消不代表不需要離子殘留物的測試。只是現(xiàn)代組件上的殘留物過于復(fù)雜，不可能有一個“通用型”的測試標(biāo)準(zhǔn)。如何鑒定合格的清洗制造工藝？何為清洗工藝中可接受的客觀證據(jù)？如何建立生產(chǎn)過程中PCBA清洗工藝控制？本文闡述如何做好PCBA清潔度的工藝控制。
關(guān)于清潔度測試評估標(biāo)準(zhǔn)及其測試方法
國內(nèi)參考的各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于清潔度測試方法及要求見表1，各測試方法的解析見表2。目前松香助焊劑殘留物測試（參照IPC TM-650-2.3.27）和表面有機(jī)污染物測試（參照IPC TM-650-2.3.39）都已經(jīng)被新版《IPC TM-650》標(biāo)準(zhǔn)取消且沒有替換。松香助焊劑殘留物測試最初是在1980年代后期針對高固體（＞15%）松香助焊劑開發(fā)的。只有在使用高固體助焊劑時才真正適用。這個測試要求不適用于水溶性助焊劑、低或中等固體含量松香助焊劑或免清洗助焊劑。在《IPC-J-STD-001H》保留的原因在于還有個別組裝公司使用高固態(tài)含量松香助焊劑。但作為公司選擇清潔度測試依據(jù)時應(yīng)該清楚的知道標(biāo)準(zhǔn)中的哪種測試適合本公司的產(chǎn)品。
查閱參考的試驗標(biāo)準(zhǔn)《IPC TM-650》和《GB/T 4677-2002》，表面離子殘留物測試、離子色譜測試、松香助焊劑殘留物測試、表面有機(jī)污染物測試等都是基于萃取測試的方法。任何基于萃取的測試，都是基于溶解能力、時間及溫度的變化量而進(jìn)行的。- 如果殘留物不溶于異丙醇或水，不影響萃取液的電導(dǎo)率，則無法檢測到。
- 如果殘留物在萃取時間內(nèi)不溶解，在萃取溫度下不溶解，則無法檢測到。
- 只能測試溶解到測試液中的離子類殘留物，如陰離子、陽離子、弱有機(jī)酸等離子類。非離子類的殘留物也很多，如助焊劑添加劑（現(xiàn)在很多都是非離子型表面活性劑）；油脂類、金屬氧化物、指紋、松香脂（白色殘留物）；顆粒類，如錫渣、玻璃纖維碎屑等。從電化學(xué)角度來看，這些非離子類的殘留物也會導(dǎo)致產(chǎn)品失效。
萃取類的測試不能預(yù)測電化學(xué)可靠性。那目前只有SIR測試從電化學(xué)角度來確定電子產(chǎn)品是否在服役過程中足夠可靠。SIR測試與有機(jī)或無機(jī)成分無關(guān)，與是否是離子物質(zhì)也無關(guān)。但SIR測試不能作為日常生產(chǎn)時的清潔度測試工具。因為SIR測試既不快速也不簡單，需要在不同的條件（溫度、濕度、時間）下測試的SIR才有實際意義。《IPC 9201A》規(guī)定的測試時間最短也達(dá)到168小時。用于SIR測試的板子一般采用專用測試板，故SIR測試并不能用于日常生產(chǎn)過程中對清潔工藝的監(jiān)控。那如何監(jiān)控日常合格的清洗工藝？
如何建立生產(chǎn)過程中PCBA的清洗工藝控制
按照《IPC-J-STD-001H》第8章節(jié)，鑒定合格的清洗工藝首先要能提供可接受的客觀證據(jù)。那什么是合格的“客觀證據(jù)”呢？見表3。
滿足以上任何一條都可以作為可接受的的“客觀證據(jù)”，只能證明現(xiàn)有清洗生產(chǎn)工藝能滿足電化學(xué)可靠性的要求。前面章節(jié)已論述過SIR測試并不能用于日常生產(chǎn)過程中對清潔工藝的監(jiān)控。離子殘留物測試依然是生產(chǎn)過程中對清潔工藝最有效的監(jiān)控手段。《IPC-J-STD-001》H版取消了1.56ug/ cm2NaCl當(dāng)量的限值，是基于目前PCBA的復(fù)雜性和多樣性。作為日常工藝控制，我們?nèi)匀恍枰粋€確定的閾值，只是這個閾值需要我們根據(jù)產(chǎn)品的實際情況來確定。對符合4.1章節(jié)和4.2章節(jié)客觀證據(jù)要求的，在沒有制造材料或工藝參數(shù)變化的情況下，組裝公司不需要額外做SIR測試。按照生產(chǎn)歷史測試規(guī)定的Rose閾值，進(jìn)行日常的離子污染度監(jiān)控即可。測試數(shù)據(jù)不合格時，及時查找生產(chǎn)過程出現(xiàn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不合格的原因。這種情況下產(chǎn)品歷史數(shù)據(jù)或濕熱測試是不合格的，那我們必須根據(jù)實際生產(chǎn)選用的材料組合進(jìn)行SIR測試。測試板選擇的依據(jù)是PCBA上元件之間的最小間距及BTC器件焊接后本體與PCB板最小間隙。建議選擇IPC-B-52測試板作為材料組合驗證試驗板?？蓞⒄誌PC-9202《材料和制程清潔度鑒定/評估測試規(guī)范和IPC-9303《IPC-B-52用戶指南》來設(shè)計組合試驗。在規(guī)定的溫濕度環(huán)境下根據(jù)產(chǎn)品分級特性長時間的加電SIR測試。對所有合格的試樣取氯化鈉當(dāng)量最大值X.XX ug/cm2，為此產(chǎn)品（產(chǎn)品組）在生產(chǎn)工藝控制離子殘留物測試時所需的上限值（最低限制）。最常用的抽樣頻率是每個生產(chǎn)班次抽樣一次，也可以按照實際生產(chǎn)情況確定離子殘留物測試頻率。
- 再次進(jìn)行相同的離子測試（同時間段或同類型樣品）；
- 再次的測試結(jié)果合格，不需要采取工藝措施；
- 再次測試超出控制ROSE閾值，進(jìn)行隨機(jī)抽樣測試并查找問題并記錄或重新評估鑒定。
由于制造材料或工藝參數(shù)的變化可能對最終產(chǎn)品殘留物狀況和產(chǎn)品可靠性產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致需要從新鑒定。變更分為兩類：主要變更和次要變更。主要變更需要按新材料組合重新進(jìn)行一次SIR驗證，次要變更需要提供客戶同意的證據(jù)（或試驗）。對清潔度影響的主要及次要變更見下表4：
PCBA清洗工藝生產(chǎn)控制實例
以下圖表為我公司產(chǎn)品在清洗工藝中每天對PCBA離子殘留物檢測的SPC統(tǒng)計表。PCBA的a類與b類，按照PCBA元件間的最小間距、BTC器件與PCB板最小間隙及密集程度來分類測試，PCBA面積也盡量按相近選擇分類測試。從圖4的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，離子殘留物測試結(jié)果對相似組裝方式的PCBA是有規(guī)律的，對超出規(guī)律值的測試我們會考慮哪些因素變化會導(dǎo)致測試值異常。所以離子殘留物測試對于監(jiān)控合格的清洗工藝生產(chǎn)是切實可行的一項監(jiān)控方法。
建立合格可控的清洗工藝才是保證產(chǎn)品清潔度的關(guān)鍵所在。無論是基于萃取測試的離子殘留物測試，還是SIR測試，都是為了建立生產(chǎn)過程中對清洗工藝的監(jiān)控的一種或幾種測試手段。流程如下圖5。
對印制板組件的清潔度最可靠的是SIR測試。但實際生產(chǎn)過程進(jìn)行每批次或每天的SIR測試是不現(xiàn)實的。
我們通過SIR測試找到產(chǎn)品的Rose控制閾值，需要工藝工程師清醒的認(rèn)識到，并不存在一個確定數(shù)值可以滿足所有清潔度要求。電子產(chǎn)品的密度和使用環(huán)境決定了Rose測試不應(yīng)是一個數(shù)值。Rose測試方法是一種切實可行的生產(chǎn)過程控制工具，用于測量組件上平均的離子污染度。對于測試超出閾值的PCBA，我們重點(diǎn)關(guān)注的是生產(chǎn)過程中到底是哪出現(xiàn)變化導(dǎo)致測試值超標(biāo)。工藝或質(zhì)量人員在理解離子污染度測試值的實際意義后，那在生產(chǎn)中更需要我們加強(qiáng)生產(chǎn)過程控制監(jiān)控，才能更好地保證產(chǎn)品的電化學(xué)可靠性。
公司的主要產(chǎn)品包括在PCB組裝、半導(dǎo)體、新能源汽車、軍工、高鐵動車和地鐵、安防等行業(yè)里廣泛應(yīng)用的清洗劑產(chǎn)品（水基型清洗劑、溶劑型清洗劑），PCB三防涂層（聚氨酯、有機(jī)硅和UV等）、導(dǎo)電銀漿、遮蔽膠(阻焊膜)、研發(fā)和維修用吸錫編帶等產(chǎn)品。
