摘 要：PCB组件的清洗是宇航电子产品装联中的重要工序，清洗的质量对PCB组件的可靠性影响极大。针对焊丝手工焊接和免清洗焊膏的再流焊接两种焊接方式进行了全自动半水清洗工艺研究。结果显示随着清洗剂浓度增加清洗效果越好，对清洗后的PCB组件进行了表面离子污染测试，离子污染量仅为0.14μg/cm2；同时还对清洗过程对元器件的标识影响进行了分析，研制了新型的固定工装，防止在清洗过程中PCB组件移动，探索出采用聚酰亚胺胶带保护电连接器腔体，防止多余物进入。
关键词：半水清洗；可靠性；清洗剂；免清洗焊膏
PCB组件是航天电子产品中的关键部件和核心部件。PCB组件的产品质量直接影响到电子产品的性能和可靠性。PCB组件的清洗是电子装联中的重要工序，清洗工作的质量，对PCB组件工作的可靠性影响极大。PCB组件在生产和装联的过程中，会受到各种污染，有工作直接带来的污染，也有环境带来的污染。PCB组件在焊接装联的过程中，为了使每个元器件可靠地焊接牢固，就必须使用助焊剂。这种助焊剂的活性成分，就造成了离子污染，降低了PCB组件的表面绝缘电阻，增加了腐蚀性，尤其是在高温、高湿的环境下，会出现严重的腐蚀和泄漏电流，影响到产品的可靠性。因此，焊后必须把助焊剂去除掉。一般助焊作用比较好的助焊剂，其腐蚀性也比较强；而腐蚀性小的焊剂，其助焊效果又不太好，两者矛盾。一些重要的产品，不得不选用活性强的助焊剂，以保证焊接的可靠性。
目前航天电子产品采用的助焊剂有两类，一类是手工焊接时涂抹的松香型助焊剂，另一类是再流焊接时焊膏中存在的焊剂。本研究采用阿尔法公司生产的免清洗焊膏，由于航天产品高可靠、长寿命的特点，航天用PCB组装件在完成焊接后往往要进行三防涂覆和粘固，为了不影响三防涂覆和粘固的质量以及产品的长期可靠性，免清洗焊膏焊接后残留的助焊剂也必须去除干净。
长期以来，宇航用电子产品由于其多品种、小批量的特点，采用手工清洗PCB组件，常用手工清洗方法有两种，即用蘸有清洗剂的棉纱或者棉球逐点擦洗焊点，还可将清洗剂放入容器中，用毛刷刷洗。清洗剂一般使用无水乙醇。
手工清洗不需要专用设备，清洗工艺简单，在手工焊时可边焊接边清洗，此法适用于小批量和单件生产，但随着组装密度的提高，这类方法就表现出明显的缺点，即清洗效果不好，大的集成电路芯片底部不易清洗干净，清洗效率不高，同时由于型号任务的不断增加，手工清洗PCB组件消耗时间过多，严重限制了整体的工作效率，因此有必要采用全自动设备清洗的方法，提高清洗效率，降低清洗时间[1]。
水清洗技术一般分为纯水清洗、溶剂清洗和半水清洗。纯水清洗不言而喻，是采用去离子水完成，因不能溶解松香类助焊剂而不能在要求严格的军品生产中使用；溶剂清洗主要的清洗原理是在一定温度下，溶剂可以和松香型焊剂剩余物发生皂化反应（或者络合反应），形成脂肪酸盐等易溶于水的产物，最终被连续的去离子水漂洗带走；半水清洗则先采用各种乳化液对组件进行浸洗或喷洗，然后再用去离子水漂洗，整个流程需要的时间要比溶剂清洗长一倍以上[2,3]。
本研究针对宇航用PCB组装件的特点，对全自动半水清洗工艺进行研究。
1试验条件及方法
1.1试验材料
基板和元器件：FR-4基板、片式电阻、片式电容、插装电阻、插装二极管、继电器、电连接器等。
焊接材料：选择航天常用的的焊锡丝和焊膏，其中焊膏为免清洗焊膏，规格和成分见表1，助焊剂采用本单位自制的松香型助焊剂。
清洗剂技术参数见表2。
1.2试验设备
采用全自动水清洗机进行水清洗，清洗方式为喷淋式。该清洗机为直排式清洗机，清洗剂不能重复利用，因此应在保证清洗干净的前提下，使用少量的清洗剂以达到节约成本的目的。如图1所示。
清洗机使用的水为电阻率超过15MΩ·cm的去离子水，该去离子水采用全自动控制的去离子水制水机生产，如图2所示。
1.3试验方法
1.3.1焊接
采用手工焊接的方式将两种焊锡丝在涂抹过助焊剂的焊盘上进行焊接，为了验证清洗能力，涂抹的助焊剂比正常焊接产品时用量要大，焊接时烙铁停留时间比正常焊接产品时间要长。采用丝网印刷后再流焊接的方式将焊膏和元器件焊接到相应的印制板焊盘上。
1.3.2清洗
水清洗的工艺流程如图3所示。清洗前预先编制好工艺参数，其可调的工艺参数有去离子水体积、清洗剂浓度、清洗温度、漂洗次数和清洗时间。本研究在设备推荐的典型清洗参数的基础上，选择最多的漂洗次数5次，调整清洗剂浓度以追求最优的清洗效果。
1.3.3表面离子污染量测试
参照标准GB/T-印制板测试方法10试验22a：印制板表面离子污染的要求进行表面离子污染量测试，宇航用PCB组件清洗后应满足其要求的小于1.5μg/cm2。
1.3.4清洗可靠性研究
1.3.4.1标识牢固性
对于宇航电子产品清洗，不仅要清洗干净，同时要保证清洗过程中元器件和印制板不能由于清洗造成任何损伤，尤其是标识的损伤。元器件和印制板上的标识有多种，包括激光打标、油墨印刷、标识漆等。需要确保清洗前后标识不受损伤，不影响产品的可追溯性。本研究对宇航电子产品常用的元器件进行了标识耐清洗研究，采用的元器件见表3。
1.3.4.2工装固定
在清洗过程中，清洗机的喷淋压力是一定的，不可调节，即其对印制板组装件造成的冲击力不可调节，需要保证印制板组装件在清洗过程位置的稳定，防止其在水流的冲击下造成元器件或焊点的损伤。因此需要采用工装固定待清洗的PCB组装件后方可进行清洗。
1.3.4.3多余物控制
在清洗过程中，附着在印制板组装件表面的锡珠以及其他多余物会被清洗掉进入清洗机内腔，因此存在清洗过程中锡珠等多余物进入电连接器针孔中的可能性，一旦有锡珠进入电连接器腔体内，将造成多余物的残留，且不易被检验，从而造成多余物风险，因此需要防止多余物在清洗过程中进入电连接器腔体中[4]。
2试验结果与分析
2.1清洗液浓度对清洗效果的影响
清洗液厂家推荐的浓度范围为体积分数5%~25%，考虑试验用清洗机为直排式清洗机，（即只能清洗一次产品，不可循环利用），尽量选择较小的浓度，以便节约清洗剂用量。同时，由于未经过循环使用，清洗效果将比相同浓度循环使用要好。采用体积分数5%的清洗剂时，其他工艺参数采用厂家推荐参数，清洗效果如图4、图5、图6所示。采用Sn63Pb37焊丝、松香焊剂和采用Sn60Pb40焊丝、松香焊剂PCB组装件的清洗效果十分明显，焊点表面光亮、无助焊剂残留，而采用Sn63Pb37免清洗焊膏PCB组装件在清洗后，焊点四周的透明助焊剂被清洗掉了，但是焊点表面有鱼鳞状的残留物，焊点表面光洁度不足。因此，对于焊丝和松香助焊剂的焊接组合采用体积分数5%的较低浓度的清洗液即可将焊点清洗干净，而对于免清洗焊膏的焊点则需要进一步的探索。
经过反复的试验发现，随着清洗液浓度的提高，清洗效果越好。将清洗液的体积分数提高到16%后，免清洗焊膏再流焊焊点的清洗效果可满足要求，如图7所示，贴片电容本体和焊点四周的助焊剂被清洗干净、无残留，且焊点变得光亮。因此，对于免清洗焊膏的再流焊焊点，当清洗液体积分数大于16%时，可清洗干净。
2.2表面离子污染量测试结果
根据GB/T-印制板测试方法中试验22a：印制板表面离子污染，经信息产业部印制电路板质量监督检验中心采用仪器萃取法对按上述浓度清洗后的6块PCB组装件进行测试，检测结果显示离子污染量为0.14μg/cm2。该数据远低于航天器用印制板组装件清洗规范要求的1.5μg/cm2，因此满足清洗要求。
2.3半水清洗对元器件标识牢固性的影响
宇航用PCB组装件具有高可靠性要求，同时对产品的可追溯性要求很高，对表3中元器件进行了清洗剂体积分数16%的全自动半水清洗试验，试验结果显示绝大部分的元器件标识在清洗前后未出现破损、减弱等现象。但是对于标识较弱的二极管（如图8所示）在清洗后出现了标识减弱的现象，对于油墨印制的继电器（如图9所示）在清洗后出现了标识脱落的现象。
经过进一步的试验，这些元器件标识被清洗掉的主要原因在于元器件本身质量等级低，标识牢固性不够，因此在后续的生产应用中，应针对此类标识较弱的器件采取保护措施，防止标识被清洗破坏。
2.4清洗固定工装研究
本研究采用的清洗为喷淋式清洗机，喷淋压力由厂家设置，不可调节。即其对印制板组装件造成的冲击力不可调节，需要保证印制板组装件在清洗过程位置的稳定，防止其在水流的冲击下造成元器件或焊点的损伤。图10为厂家制作的工装，该工装对于尺寸较小的印制板不能实现良好的固定，试验过程中发现有PCB组件在水流冲击作用下产生移动，脱离工装掉落到水清洗腔体底部的现象，造成了元器件的磕碰，形成质量隐患。
图11为针对PCB组件在清洗过程中产生移动的现象制作的固定工装，该工装通过螺纹柱、固定块、支撑板等配件组合而成，可以实现PCB组件3个放置角度的条件和稳定固定，具备很好的可操作性和可靠性。
2.5针孔型电连接器的清洗保护
根据QJ-96《航天产品多余物预防和控制》，多余物的定义是产品中存在的由外部进入或内部产生的与产品规定状态无关的一切物质。在清洗过程中，PCB组件残留的很多锡珠都会被清洗掉如图12所示，因此必须防止这些锡珠进入产品内部形成多余物。
一般的胶带在清洗过程中往往被水冲洗掉，经过试验，选择粘接力比较强且耐清洗的聚酰亚胺胶带保护电连接器的针孔可以有效防止外部多余物在清洗过程中进入到电联器件腔体内部。如图13所示。
3结论
（1）对于焊丝和松香助焊剂手工焊接的焊点，体积分数5%的清洗液可以将焊点清洗干净。
（2）对于免清洗焊膏的再流焊接焊点，体积分数5%的清洗液清洗后焊点表面有残留物，随着浓度的升高，清洗效果变好，体积分数16%的清洗液可以将其清洗干净。
（3）经过半水清洗的PCB组件其表面离子污染量为0.14μg/cm2，低于宇航标准要求的1.5μg/cm2。
（4）质量等级低的二极管和油墨标识的继电器在清洗后有出现标识破损的可能，需要在生产过程中采取保护措施。
（5）经过改进的新型工装，可以满足全自动清洗的要求，保证PCB组件在清洗过程中不产生移动，无掉落风险。
（6）采用聚酰亚胺胶带保护电连接器的针孔可以有效防止外部多余物在清洗过程中进入到电联器件腔体内部。
参考文献：
[1]张玲芸.印制电路组件的清洗工艺[J].电子工艺技术，，（04）：-.
[2]吴民，孙海林，陈兴桥.印制板半水清洗技术研究.电子工艺技术，，31（4）：-.
[3]刘建国.PCB清洗工艺及半水清洗工艺的应用[J].电子工艺技术，，32（4）：-.
[4]中国航天工业总公司七O八所.QJ-航天产品多余物预防和控制[S].北京：中国航天业总公司，.
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