Jak čisté je čisté (a jak čistého dosáhnout)

(Tento článek je věnován těm, kteří vstupují do oblasti čištění elektronických sestav, ale i těm, kteří tak již dlouho činí a nejsou si jisti, jaká kritéria pro čistotu vlastně platí, a kdy je elektronická sestava bezpečně čistá).

S rostoucími nároky na elektronické sestavy se otázka čištění, na řadu let potlačená nástupem bezoplachové technologie pájení, znovu vynořuje do popředí. Důvody jsou prosté:

• vyšší nároky na SIR (povrchově izolační odpory) v souvislosti s nižšími používanými úrovněmi signálů v obvodech,
• pronikání elektronických řídicích a kontrolních prvků i tam, kde to dříve bylo s ohledem na prostředí nemožné,
• zmenšující se detaily na elektronických sestavách (malé čipy, BGA, CSP obvody, mikrokonektory SMD).

Zde všude funguje bezoplachová technologie jen podmíněně, hned po zpracování (nedostatečné izolační odpory) nebo v čase. Degradace pryskyřice uvolňuje iontové nečistoty a vytváří spolu s kondenzační vlhkostí a vhodným elektropotenciálem podmínky pro dendritický růst.

Proto se výrobci sestav III. třídy dle IPC, ale v poslední době i nižších tříd, téměř výhradně orientují na technologie, které jsou zakončeny čištěním.

Právě v oboru čištění DPS je zakořeněno mnoho pověr, pramenících ze závažných nedostatků v přehledu a znalostech těch, kteří technologii provozují nebo pořizují.

Řada výrobců a jejich zákazníků pokládá za čisté vše, co je čisté pohledově. Tento přístup má oprávnění tam, kde v podstatě o nic nejde, tj. tam, kde sestava má jen působit dojmem pořádku a pečlivosti při zpracování, zakrýt zásahy po opravách nebo přepracování. Pokud takové sestavy nejsou vystaveny tzv. kondenzačním stavům (přechodům teplot, vlhkostním šokům) a nemůže se na nich nikdy srážet vlhkost, nejde o žádný závažný problém a taková sestava má naději na dlouhou odolnost a životnost. Je třeba si jen klást poctivě otázku, kdy jsou kondenzační stavy zcela vyloučeny.

Ti, kteří přistupují k výrobě s větší závažností (protože jejich sestavy jsou náročnější, již se s korozí DPS u zákazníka setkali nebo jejich zákazníci mají jasná kritéria), žádají iontovou čistotu.

Co je to iontová čistota, jak se měří a jaké jsou hranice?

Přímé metody měření:

Pojem iontová čistota znamená, že na povrchu sestavy nebo v jejích povrchových i hloubkových vrstvách nejsou látky, které mají elektronovou aktivitu a mohou se uvolnit.

Mohou to být disociované kyseliny, zásady, soli i organické radikály (např. z nedokončené polymerace). Všechny tyto látky mohou s vlhkostí vytvářet dielektrika a způsobit pohyb iontů kovů, které finálně, hnány rozdílem potenciálů, postaví vodivé můstky mezi elektrodami (vodiči) na elektronické sestavě.

Jak se iontová nečistota měří?

Téměř všichni si vzpomenou na pojem ionograf nebo kontaminometr. Ne všichni dovedou definovat, jak takový systém pracuje a co vlastně měří.

Skutečnost je podstatně složitější.

V normách je zakotveno 7 metod, založených na různých přístrojích nebo i jen laboratorním vybavení:

1. ROSE (Resistivity Of Solvent Extract) metoda – laboratorní metoda měření

DPS je omyta přesným množstvím přesně připraveného roztoku DI vody a izopropanolu. Existují dvě normy na koncentraci IPA: 75 hmotnostních % ve vodě a 50 hmotnostních % ve vodě. DI voda musí mít min. 6 MΩ/cm–25 MΩ/cm. Po stanovené době se měří vodivost roztoku a srovnává se s kalibračním měřením, kdy se stejná testovací lázeň kontaminuje přesným množstvím NaCl (odtud údaje iontové nečistoty v ekvivalentu μg NaCl /sq inch resp. na cm2).

K tomu perlička: Mnozí z nás si vzpomenou na magickou hodnotu 1,56 μg/cm2, nebo 10 μg/sqinch. Jak tato mez vznikla? Traduje se historka, že komise pro tvorbu MIL norem tehdy (někdy v r. 1927) zasedala u jednoho ze členů na chatě v horách. Pánové se dlouho radili a pak se shodli na tom, „že s takovou hodnotou to většinou dobře vychází.“ Nic proti tomu, v podstatě jsou všechny podobné meze založeny na zkušenostech. Uvádíme to jen proto, aby bylo jasné, že to není nějaká mez seslaná absolutně shůry, a je nutné se zabývat i náročností sestav a jejich aplikací, než se jakákoli hranice stanoví. Ony ty sestavy v roce, kdy se taková mez přijala, přece jen vypadaly asi poněkud odlišně od těch dnešních. Doporučujeme tedy být přeci jen obezřetní!

2. Ionograf (viz obr. 1, 2, 3) – dynamická měřící metoda

Obr. 1 Ionograf

Testovací roztok je kontinuálně regenerován. Z rychlosti regenerace roztoku se vzorkem a konečné hodnoty vodivosti roztoku počítá ekvivalent solnosti.

Obr. 2 Charakteristická křivka měření Ionografu

Ionografická měření se provádějí buď za studena, nebo při zvýšené teplotě pro větší citlivost.

Obr. 3 Schéma Ionografu

3. Omegametr (viz obr. 4, 5, 6) – statická měřící metoda

Obr. 4 Omegametr

Statická metoda při níž se roztok DI vody a izopropanolu připraví v přístroji cirkulací přes speciální vysoce výkonné iontoměniče (hodnota cca 20 mΩ.cm). Po dosažení požadované hodnoty se iontoměničové kolony oddělí z okruhu a roztok se vystaví působení vzorku. Hodnota vodivosti postupně klesá (typicky asymptoticky k nějaké ustálené hodnotě, která je výsledkem měření). Kalibrace je opět pomocí NaCl, výsledky v ekv. μg NaCl/plochu.

Obr. 5 Typická křivka měření omegametru a kontaminometru	Obr. 6 Schéma kontaminometru a omegametru

4. Kontaminometr (viz obr. 7) – Statická metoda pracující na téměř stejném principu, jako Omegametr.

Obr. 7 Kontaminometr

5. Ionex 2000 – dynamické měření

6. Zero Ion – dynamické měření

Z výše uvedeného vyplývá, že s ohledem na rozdílná uspořádání měření nelze výsledky z jednotlivých přístrojů přesně srovnávat. Všechny jsou sice kalibrovány stejně pomocí NaCl, ale postupy měření tj. koncentrační gradienty a rychlosti omývání vzorku jsou rozdílné. U některých metod se extrakce provádí za zvýšené teploty, což v praxi znamená, že výsledky jednotlivých měření nejsou ani lineárně závislé a prakticky se nedají porovnávat.

NAWC – Naval Air Weapon Center USA uvádí následující hranice přijatelných výsledků měření:

Metoda ROSE má hranici 10 μg/sqinch

Zero Ion 37 μg/sqinch

Ionograph 20 μg/sqinch

Omegameter 14 μg/sqinch

Je tedy velmi praktické zeptat se vždy na metodu, kterou se měřilo, pokud se hodnoty ekvivalentu solnosti kdekoli v kritériích objeví.

Další omezení všech těchto metod je, že měří jen průměrnou hodnotu kontaminace. V praxi jsou kritická místa převážně pod součástkami a konektory; volná plocha DPS tak kritická není. Zda čisticí metoda funguje i v kritických místech, zjistíme měřením iontové kontaminace jen velmi omezeně.

Poznámka: V ČR existuje ještě specifická, historická metoda, která byla před cca 40 lety zavedena v n. p. Tesla. Je to měření podobné jako ROSE metoda, ale pouze výluhem DI vody. Tehdy se tato metoda používala pro indikaci nečistot po kyselém procesu pájení (v podstatě ZnCl roztokem) a měla své opodstatnění, protože většina iontových nečistot byla po procesu volná, ve vodě rozpustná. Použití takové metody pro dnešní technologii (tj. pryskyřičnou, resp. technologii na bázi syntetických pryskyřic pájenou sestavu je však zcela zcestné. Izopropanol, který je bez výjimky u všech ostatních metod používán, je rozpouštědlo pro nepolární složku nečistot a teprve jeho působením se iontové nečistoty mohou v měření zobrazit po uvolnění z vazby v pryskyřici.

Pro výše uvedená omezení byla vyvinuta další řada metod na chemických nebo fyzikálních principech.

1. Testování organické povrchové kontaminace (metoda podle IPC TM 650 2.3.38)

Jde o rozpuštění organických nečistot silným rozpouštědlem a jejich depozici na skleněný substrát. V jednoduché podobě se provádí optické hodnocení, lze však provést i refrakční měření pomocí infra spektrometru na tenké vrstvě nečistot (IPC TM 650 2.3.39).

2. Rozpuštění organických zbytků bezvodým izopropanolem a následná chemická detekce kalafuny (IPC TM-650 2.3.27)

3. SEM analýza + RTG spektroskopie

4. Měření povrchového napětí měřením krajního úhlu

Provádí se pod optickým měřicím profiloměrem, který měří kontaktní úhel definované kapaliny na očištěném povrchu

5. Měření povrchového napětí pomocí inkoustů s definovaným povrchovým napětím

Zkouší se postupně skupina inkoustů, až po takový, který se nerozlévá do plochy, ale vytvoří kapky – jednoduchá a rychlá dílenská metoda pro stanovení čistoty při konformním lakování (definuje přilnavost).

Tyto metody jsou užitečné zvláště tam, kde organické zbytkové znečištění povrchu je závažnou vadou pro další procesy (lakování, bondování).

6. Indikace aktivních zbytků na DPS

Chemická indikační metoda pro stanovení zbytků karboxylových kyselin v bílých zbytcích. Podle IPC 610E mohou být bílé zbytky akceptovány, pokud nejsou aktivní. Tato metoda aktivní zbytky indikuje zbarvením regentu, nakápnutého na zkoumané místo. Výhodou je lokální indikace a nedestruktivní metodika, nevýhodou laboratorní manipulace s roztokem. Takovou indikační sadu dodává firma ZESTRON (PBT).

7. Indikace organických zbytků

Chemická indikační metoda na rozpoznání organických zbytků v bílých zbytcích. Dokáže vyčlenit organické polymery od solí. Jedná se o jednoduchou metodu při klasifikaci bílých zbytků. Indikační sadu pro praktické použití dodává firma ZESTRON (PBT).

Nepřímé metody měření

To jsou metody, které sice neměří znečištění v nějakých fyzikálních jednotkách, zato však měří nebo zjišťují jeho účinky. Tím se maximálně přibližují praxi.

Obr. 8 Testovací substrát nasycený tavidlem	Obr. 9 Srovnání obrazu nečištěného a vyčištěného substrátu z AOI testeru

1. Vizuální metody

a) Hodnocení možné delaminace vrstev, adhesních problémů

b) Kalibrační merita čištění pod součást-kami PBT

Na modelech skleněných substrátů + keramických čipů je AOI zařízením přesně vyhodnocován poměrný zbytek pryskyřic pod testovacími čipy. Porovnáním čisticích parametrů při takové kalibraci a čištění skutečné DPS lze s velkou přesností stanovit požadované parametry, stav stroje a čistícího procesu dlouhodobě i při vývoji nových speciálních technologií.

Obr. 10 Výsledek matematické analýzy testu – postupného čištění jednoho substrátu (množství zbytků tavidla pod jednotlivými čipy)

2. Korozivita tavidla

Je-li při laboratorní zkoušce zjištěna velká korozní odolnost tavidla v extrémních podmínkách, je předpoklad, že sestavy budou odolné.

Obr. 11 SIR testovací přístroj	Obr. 12 Princip testovacího hřebínku pro SIR test

3. SIR testy

Testuje se na zvláštních destičkách – hřebíncích, které mohou být buď speciálně připraveny nebo jako součást technologického okraje DPS procházejí celým procesem. Měří se staticky odpor testovacího vzorku.

 Obr. 13 Typická charakteristika měření vzorku s drahami a mezerami 200 μm, pod napětím 200 V. Jsou patrné nárůsty vodivých cest a jejich prohořívání

4. Test elektromigrace (metoda podle IPC TM-650 2.5.27, 2.6.14.1)

Hřebínkové vzorky jsou podrobeny vlhkostnímu testu a odpor měřen po testu nebo i během testu. Toto průběžné měření je důležité zvláště u sestav s bez-olovnatými slitinami SAC, neboť dendrity Ag rostou velmi jemně a v okamžiku spojení většinou přehoří, takže při klasickém testu SIR nebo při testování až po vyjmutí z komory nemusí být indikovatelné.

5. Test povrchového odporu

Testy prováděné čtyřbodovou sondou se většinou používají na kontaktních pozlacených ploškách.

6. Testy pájitelnosti (podle J-STD 003 pro DPS)

Zbytkové nečistoty mohou význačně pájitelnost ovlivnit.

7. Testy kontaktovatelnosti

Provádí se testerem pevnosti kontaktovaných spojů po procesu kontaktování.

Stav normalizace u nás a v EU

V současné době není k dispozici evropská norma, která by uceleně metodiku testování čistoty DPS popisovala. Jediná příbuzná norma z oboru je ČSN EN 61191-1 (Požadavky na pájené elektrické a elektronické sestavy používající povrchové a obdobné montážní technologie) se odvolává na IPC-TM-650 s tím, že metodika podle IPC bude zapracována do norem IEC.

Jediná ucelená metodika, která se k otázce čištění a klasifikace čistoty vztahuje, je IPC, konkrétně metodická příručka TM-650, na kterou navazují konkrétní postupy a popisy metod.

Jak prakticky postupovat

Vzhledem k tomu, že výše popisované metody jsou vesměs náročné na provedení i vyhodnocení a kalibraci, je vhodné svěřit měření kvalifikované laboratoři (u nás pracoviště při Západočeské Univerzitě nebo VUT v Brně, popř. se obrátit na laboratoře v zahraničí).

Pokud jde o orientační vyhodnocení, je k dispozici i pracoviště v PBT v Rožnově p. R., vybavené optickými metodami a kontaminomentrem CM 11. Toto pracoviště úzce spolupracuje s velmi dobře vybavenou laboratoří firmy ZESTRON, vybavenou prakticky vším, co na tomto poli existuje, včetně chromatografu, kterým je nejdetailněji možné povahu resp. složení a tím i původ nečistot analyzovat. Přirozeně, v tomto speciálním případě samotný přístroj nestačí, je nutné mít i odborníky s dlouholetou praxí v oboru, aby měření mělo dostatečnou vypovídající hodnotu.

Pokud se jedná o vážné úkoly v oblasti čistoty, doporučujeme provést vždy zkoušky elektromigrace nebo stárnutí vlastních sestav v klimatických testech a současně nakalibrovat některou z rychlých provozních metod jako např. kontaminometrické měření, měření povrchového napětí nebo SIR test.

Každá metoda, která je založená pouze na nějaké hranici iontové čistoty, bez znalosti, proč je taková, nebo jiná hranice přípustná, je pouze „výstřel do tmy“ s nadějí, že „to vyjde“.

Jak čistoty dosáhnout

Podobně jako v oblasti vlastního měření je informační prostor zaplaven řadou pověr, zde navíc zkreslených nejrůznějšími obchodními slogany. Jelikož jde většinou o to, prodat čisticí zařízení, a to se daří hlavně, pokud je stroj hezký, objevuje se na mnoha reklamách, poskytuje „okem rozpoznatelnou“ čistotu a hlavně „je co nejlevnější a používá co nejlevnější čisticí prostředek“.

K tomu jen několik poznámek:

Cena, kterou uživatel zaplatí, není jen investiční cena a cena za litr čistidla.

Je to celková cena procesu, přepočtená nakonec na cenu do jedné sestavy, která je čištěna.

K tomu nedílně patří takové údaje, jako spotřeba čistidla (závislá na konstrukci stroje, ale i na volatilitě čistidla tj. kolik se čistidla v procesu použije a jak snadno se odpaří).

Spotřeba stroje nepřímo úměrně souvisí s pořizovací cenou stroje. Lze postavit stroj „jednoduchý“, který sice myje (pokud nezkoumáme detailně jak důkladně, jak dlouho, jak pod součástkami a s jakými iontovými zbytky), ale díky zjednodušené konstrukci má limity i v omezení spotřeby.

Podobně levné čistidlo může sice vyjít levně v Kč/litr, ale může se ho spotřebovat v procesu o několik desítek % více. Buď příliš rychlým vyčerpáním nebo odparem nebo vysokým výnosem kvůli neoptimálnímu povrchovému napětí. Jsou i horší vlastnosti – nevhodné čistidlo může poškozovat ultrazvukové měniče přílišnou náchylností ke kavitaci a podobně i sestavy při stejných vlastnostech.

Základní zásady pro efektivní čištění

Obr. 14 Rotační systém trysek a účinky na testovací substrát po 20 min (substrát umístěn v polovině délky ramen	Obr. 15 Maticový systém trysek s oscilací koše a účinky na testovací substrát po 20 min

1. Vhodná volba čistidla

• Dostatečná, ale ne nadměrná „aktivita“ čistidla. Příliš aktivní čistidla sice při srovnávacích testech rychle čistí, ale zpravidla (u technologie na vodní bázi) mají velkou spotřebu, problémy s kompatibilitou některých dílů na DPS i na stroji a vyžadují zvýšené odsávání. Proces je drahý.
• Minimální možný podíl organických rozpouštědel v systému na vodní bázi. Pokud to není splněno, zpravidla vysoké hodnoty oxidovatelných organických zbytků v oplachových vodách nedovolí oplachy vypouštět, ale musí se likvidovat. Proces je drahý.

(Umíme stavět zcela uzavřené stroje, jejich provoz má ale přesná pravidla a režimy, pokud mají fungovat optimálně a s nejmenšími náklady.)

Obr. 16 Optimálně tvarovaná mycí komora se servoventilem odsávání v zadní straně	Obr. 17 Teplotní profil během sušení – Sušený předmět je více zahříván, než stěny komory díky specielní konstrukci vzduchových trysek

2. Vhodná konstrukce stroje

•  Maximální dynamika postřiku nebo postřiku pod hladinou. Dokáže účinně zrychlit čisticí proces a kompenzuje nižší aktivitu čistidel – v sumě zvyšuje hospodárnost.
• Optimalizované postřikové pole – zde je maticové nebo postupné přímočaře oscilující pole trysek podstatně výhodnější než otáčivé rozvodnice (ramena) s tryskami. Ty jsou sice výrobně levné, nemají však šanci na rovnoměrné pokrytí postřikového pole. V důsledku prodlužují cyklus, což není jen otázka energie za čerpání, ale i spotřeby čistidla odparem a možných problémů s kompatibilitou v důsledku příliš dlouhých čisticích časů.
• Optimalizovaný tvar a konstrukce čisticí komory, pro postřik ve vzduchu prakticky hermeticky uzavřené, provedení se servoventily odsávání, nejlépe přímo ve stěně komory tak, že není smáčeno odsávací potrubí.
• Optimalizované sušení – tedy nejen zahřátí sestavy, ale opravdové vytvoření termodynamických podmínek, aby sušení probíhalo co nejrychleji.
• Jednoduché, ale dostatečné řízení procesu. Pokud možno, jsou všechny procesní parametry monitorovány. K tomu patří i tlaky na tryskách (nejen před filtry), teploty, adaptivní řízení trvání procesu, monitorování procesních parametrů a monitorování stavů stroje. Vhodně řešený software umožňuje v daleko větší míře optimalizovat proces při extrémně obtížných úlohách. Dokumentace hodnot tzv. traceabilita se stává u řady výrob běžným požadavkem.

Obr. 18 Přehledová maska SW se všemi důležitými parametry a stavy agregátů	Obr. 19 Udržbová maska SW – ovládání vyčerpání a napouštění lázní

To vše stojí peníze, které se ale za života stroje mnohonásobně vrátí v provozních úsporách. Se zájemci jsme schopni provést detailní propočty nákladovosti procesů a nabídnout optimální řešení.

Obr. 20 Kompaktní čisticí zařízení pro DPS, šablony a další aplikace	Obr. 21 Univerzální výkonné čistící zařízení

Naše téměř 20leté zkušenosti a instalace procesů ve více než 30 zemích prakticky po celém světě i u renomovaných firem v leteckém, zbrojním, lékařském, automobilovém průmyslu i u „obyčejných zákazníků“ jsou důkazem, že zkušenosti získané za tuto dlouhou dobu dokážeme kreativně uplatňovat.