Vítejte, dnes je
neděle
17.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Problematika čištění DPS představuje už řadu let rozsáhlé téma, obzvláště od zákazu freonů CFC a HCFC. Tyto produkty nabízely rozpouštěcí intenzitu, nízké povrchové napětí rozpouštědla a odstraňování a sušení během několika minut z jakékoliv části desky. Elektronický průmysl se od 80. let minulého století rozrostl natolik, že téměř 50 % všeho, s čím přijdeme do styku, obsahuje elektroniku: např. mobilní telefony, dálková ovládání, televize, rádia, auta, iPody, počítače, HiFi soustavy, pevné disky, paměťové karty, fotoaparáty, videa, ledničky, myčky na nádobí, pračky, letadla, implantáty atd.
Od 90. let rostla křivka vývoje elektroniky exponenciálně a úměrně tomu také rostla miniaturizace. Používání stále menších částí přineslo problémy nejen v konstrukci, ale také z hlediska manipulace a spolehlivosti. Mezitím museli výrobci pájecích past a tavidel vyvinout nové preparáty odpovídající novým požadavkům a normám.
Výrobci elektroniky přizpůsobili svoji produkci spotřební elektroniky požadavkům zákazníků s použitím čistitelných, ale nečistých tavidel. Zbývající část elektroniky, jako jsou např. zdravotnické implantáty, vojenská zařízení, satelity, bezpečnostní součástky pro auta a vlaky, zdravotnické vybavení a mnoho dalších produktů, by měla být spolehlivá, a tudíž čistá. Abychom dosáhli dobrého vyčištění, je důležité porozumět několika parametrům a fyzikálním zákonům, které řídí chemickou operaci čištění.
Dnes je miniaturizace mnohonásobně větší, než bývala v 80. letech. Toto zmenšení velikosti znamená také zmenšení pájecích plošek a množství zbytkového tavidla. Také to ale znamená redukci prostoru mezi vývody a deskou/součástkou. Současná velikost součástek klesla až k 0,1 mm, ale spolehlivost těchto součástek by se měla stále zvyšovat. Miniaturizace by neměla být příčinou nestability a nespolehlivosti. Měla by být dodržena čistota podle určitých standardů.
Nečistoty na deskách plošných spojů sestávají hlavně z organických přírodních nebo syntetických kalafun, iontů, kyselin, kuliček pájky, otisků prstů a částeček DPS (obr. 1). Bezolovnaté slitiny potřebují vyšší pájecí teploty než klasické SnPb slitiny, které měly velký vliv na vývoj používaných tavidel. Tato tavidla jsou většinu času aktivní a musí vydržet i pájení přetavením při vyšších teplotách. Představují více rizik než tavidla užívaná dříve a svádějí k volbě výrobních parametrů produkujících lesklé pájecí plošky. Iontové čištění DPS je důležitější před tropikalizací, ale také napomáhá kontrole osazovacího procesu a pomáhá stanovit celkovou životnost osazení. Iontové nečistoty jsou dobrým indikátorem kvality dlouhodobé spolehlivosti.
Obr. 1 Příklad nečistot na desce
Každý uživatel má své vlastní typické specifikace, které závisí na něm nebo na jeho zákaznících. Pro tuto studii byly zvoleny specifikace popsané v tabulce 1. Na zkoušku bylo vyrobeno 600 desek (obr. 2). Každá zkouška zahrnovala 30 kusů. Všechny usazeniny musely zmizet, včetně nečistot pod součástkami. Nesměl zbýt žádný otisk prstu, částice nebo prach, včetně zbytků čisticích prostředků. Součástky, kalafuna, podložky a nepájivá maska nesměly být čisticím procesem poškozeny. Desky by měly být po skončení čisticího kroku vysušeny, natisknuté značky by měly být mytí odolné.
Obr. 2 Zkušební DPS, pevná a ohebná
Nejdůležitější je při výběru čisticích prostředků pamatovat na to, jaké jsou na trhu dostupné chemické třídy. Dostupné čisticí prostředky jsou klasifikovány do pěti tříd: saponáty, lehká benzínová čistidla, uhlovodíková čistidla, brómovaná rozpouštědla, glykoly a fluorovaná rozpouštědla (tabulka 2).
Saponáty jsou většinou dobré, ale musí se vybírat podle typu odstraňovaného tavidla. Koncentrace ve vodě je velice důležitá a může se v některých případech pohybovat mezi 3 až 50 %. Teplota pro použití se může pohybovat v rozmezí 20–90 °C a dále by měl být zvážen použitý poměr a způsob nanášení – sprejem, ponořením nebo ultrazvukem. Jedná se o čištění na vodní bázi. Nevýhody těchto saponátů jsou: odstraňování zbytků pod součástkami kvůli špatnému/ vysokému povrchovému napětí v rozmezí 40–50 mN/m, agresivita těchto preparátů a jejich kompatibilita s materiály, oplachování užitkovou nebo destilovanou vodou (vysoké povrchové napětí 70–80 mN/m), sušení, voděodolnost a odstranění znečištěné směsi. Dále by měla být brána v úvahu celková nákladovost saponátů.
Benzínová čistidla, tak jako alkoholy a ketony, jsou nejčastěji používána pro čištění za studena, ale přesto jsou občas používána i při vyšších teplotách. Není potřeba zmiňovat, že tyto produkty jsou vysoce hořlavé při pokojové teplotě a použití při vyšších teplotách je velice riskantní. Výdaje jsou přijatelné, ale likvidace a roční náklady mohou být ve výsledku značné.
Uhlovodíková čistidla byla vyvinuta hlavně po éře freonů, a pokud jsou dobře namíchána, lehce překonají jakákoliv ostatní čistidla. Díky nízkému povrchovému napětí (cca 20 mN/m) zvládnou odstranit pevné částečky, soli i zbytky tavidla pod jakýmkoliv typem součástky. Musí být smývány k tomu určenými prostředky, kterými může být voda nebo rozpouštědlo (fluorované). Při omývání vodou se mluví o systému na polovodní bázi a při omývání rozpouštědly hovoříme o systémech rozpouštědlo-rozpouštědlo (co-solvent). Při čištění na vodní bázi se setkáváme se stejnými nevýhodami jako při čištění saponáty. Při čisticím procesu rozpouštědlo-rozpouštědlo je deska velmi dobře omyta a vysušena během fáze odpařování. Omývané rozpouštědlo může být recyklováno destilací a uhlíkové čistidlo se jednoduše zneškodní. Životnost daného uhlovodíku je velmi dlouhá a jeho celková cena je nejnižší ze všech typů čisticích systémů. Povrchová napětí u obou typů (uhlíková čistidla a fluorovaná rozpouštědla) splňují předepsané normy a jsou to jedny z nejlepších čistidel jak pro uživatele, tak pro životní prostředí.
Použití preparátů brómovaných rozpouštědel v plynovém odmašťovači je velmi snadné, avšak tato rozpouštědla se potýkají s jistými problémy s kompatibilitou a žíravostí, proto se musí kompatibilita zkoušet pro všechny materiály, se kterými přijdou do kontaktu. I přes velmi nízké povrchové napětí (20–30 mN/m) nemusí vždy odstranit úplně všechny ionty a nesplňují tedy normy. Cena je celkem nízká, ale je třeba brát zřetel na ohrožení životního prostředí a zdraví uživatelů. Tyto produkty jsou v Evropě přísně zakázány.
Sloučeniny glykolů nebo modifikovaných alkoholů se používají stejně jako sloučeniny uhlovodíků s povrchovým napětím mezi 25 a 35 mN/m, ale nerozpouští některé nečistoty, pokud nepoužíváme sloučeniny. Ve většině případů však mají dobré rozpustné vlastnosti, ale nevýhoda těchto produktů spočívá v omývání vodou nebo destilovanou vodou (vysoké povrchové napětí), v sušení, nekompatibilitě s voděodolnými částmi a likvidaci znečištěné směsi. V neposlední řadě je potřeba zvážit poměrně vysokou cenu.
Fluorovaná rozpouštědla a směsi nedokážou rozpustit všechny nečistoty, pokud jsou použity čisté. Jejich rozpouštěcí intenzita je malá i přes nejnižší povrchové napětí ze všech typů rozpouštědel (zhruba 8–15 mN/m). Avšak při smíchání s určitými uhlovodíky je čisticí proces natolik dobrý, že splňuje i nejpřísnější normy. Tyto produkty by se měly používat v nejnovějších plynových odmašťovačích.
Rozpustnost je nejjednodušší způsob, jak vyjádřit vlastnost a sílu rozpouštění nečistot. Nicméně pro celkovou klasifikaci se používá Hansenova parametru, který definuje pro každou látku hodnoty polárních, nepolárních a vodíkových vazeb. Rozpustnost je stanovena trojrozměrným grafem. Tento graf se dá použít pro teoretické výpočty, ale pro praktické účely a reálné sloučeniny se určuje rozpustnost kalafuny Kauri-butanolovou metodou.
Povrchové napětí je klíčová vlastnost pro pochopení čištění DPS. Je to tolik důležitá vlastnost, protože souvisejícím parametrem je miniaturizace. Čím jsou DPS menší, tím by mělo být menší povrchové napětí čističe. Jakmile je splněno toto pravidlo, je polovina čištění hotová.
Uvažujme destilovanou vodu, která má povrchové napětí okolo 80 mN/m. Křivka povrchového napětí klesá v závislosti na teplotě. Odchylka je asi –10 mN/m. Jediný důvod, proč se čističe před vpuštěním do mycích jednotek zahřívají, je snížení povrchového napětí a jednodušší proniknutí do dutin a pod součástky. Stejně to je s užitkovou vodou, jejíž povrchové napětí začíná na 70 mN/m při pokojové teplotě.
Když jsou do vody přidány saponáty, povrchové napětí média klesne v závislosti na teplotě na 45–35 mN/m. Přesto zůstává důležitá otázka, jak může být vodou smyt čistič, který má menší povrchové napětí než voda? Kvůli tomu používá mnoho výrobců aditiva nebo jednoduchý isopropanol na lepší omytí a sušení součástí.
Glykoly nebo uhlovodíkové čističe se používají pro čištění pod součástkami. Jejich povrchové napětí je nižší než u vody a saponátů. U glykolů je povrchové napětí mezi 25–35 mN/m a u uhlovodíkových čističů je povrchové napětí kolem 20 mN/m. Objevuje se zde stejný problém s omýváním těchto produktů vodou, proto je lepší použít vybraná rozpouštědla s menším povrchovým napětím, než mají tyto čističe, a které zároveň vysoušejí DPS.
Po odpaření rozpouštědel a jejich zkondenzování na stěnách vysoušeče nezůstanou na povrchu DPS ani pod součástkami žádné zbytkové nečistoty.
Existuje mnoho typů strojového čištění: sprejováním, ponořením, ultrazvukově, mícháním, otáčením atd. Mícháním dosahujeme dodatečného čisticího účinku, který pomáhá proniknout, rozpustit a uvolnit nečistoty. Tato práce hodnotí všechny typy strojového míchání a porovnává jejich účinnost. Častokrát se průmysloví výrobci DPS vyhýbají ultrazvukovému čištění, protože se obávají o součástky na DPS, speciálně o krystaly. Výzkum, který byl prováděn na šedesáti různých krystalech podle normy IPC-TM-650, prokázal, že žádný krystal nebyl nijak ovlivněn nebo poškozen. Výhody ultrazvukového čištění jsou vidět na obr. 3.
Obr. 3 Nečištěno ultrazvukem (vlevo) a čištěno ultrazvukem (vpravo)
Tabulka 3 zobrazuje zhodnocení porovnávání různých čisticích metod. Porovnávací čištění bylo provedeno třikrát pro zbytky jednotlivých tavidel. Všechny DPS byly sledovány a byly z nich pořízeny fotografie. Výsledky byly porovnávány jako funkce specifikací popsaných výše. Iontové nečistoty nejlepšího čisticího procesu zůstaly pod 0,2 μg odpovídající na NaCl/cm2.
Tato studie o čištění DPS nám dokazuje, že existuje mnoho parametrů, které ovlivňují efektivitu čištění. Konečné hledisko a produkce DPS závisí na zvládnutí čištění, velikosti osazení, míchání a celkovém čisticím procesu. Když se pečlivě dbá více na rozpustnost, co nejmenší povrchové tření a nejefektivnější čištění než na tušení a domněnky, dá se dosáhnout perfektního výsledku, který obstojí i před nejpřísnějšími normami. Čištění metodou rozpouštědlo-rozpouštědlo a plynovým odmašťovačem s uhlovodíkovým čističem a HFE (hydrofluorether) v kombinaci s ultrazvukovým nebo tryskovým čištěním vykazuje nejlepší výsledky. Znečištění je menší než 0,2 μg odpovídající na NaCl/cm2 stupně 9 a s bezchybnou optickou kontrolou pod součástkami. Během testů nebylo zaznamenáno žádné poškození krystalů.
