Čištění DPS – není všechno jen černé a bílé

Jak moderní čisticí prostředky a testování mohou garantovat spolehlivost elektronického zařízení

S tím, jak se technologie zlepšují a požadavky na menší a inteligentnější elektronické systémy zvyšují, roste také tlak na miniaturizaci součástek, eliminaci jejich selhávání a zajištění jejich dlouhé životnosti. Dnešní DPS jsou vícevrstvé komplexní sestavy. Garantování jejich čistoty je klíčem ke spolehlivosti moderních součástek. Jejich selhání způsobené kontaminací je dnes poměrně běžné. Stále se zmenšující mezery mezi plošnými spoji činí efektivní čištění velmi obtížným procesem. Jakým typům kontaminací musí výrobci čelit a jaká míra čistoty je potřebná k zajištění spolehlivosti elektronických součástek?

Příčiny kontaminace

Podívejme se nejdříve na to, jak může kontaminace ovlivnit DPS a odkud se na desku dostává. Jsou dva typy kontaminace, iontová a beziontová (ostatní). Iontová kontaminace je většinou způsobena zbytky tavidla a je obvykle tvořena anorganickou solí nebo kyselinou. Tyto iontové zbytky obsahují molekuly, které jsou vodivé (pokud jsou v roztoku). Když jsou zbytky vystaveny působení určité úrovně vlhkosti, mohou se rozpadnout na ionty nabité kladně nebo záporně, čímž se zvýší celková vodivost roztoku. Pokud se s takovým roztokem nic neudělá, bude degradovat a může způsobit korozi a růst dendritů, které způsobují svody a krátká spojení. Výsledkem je selhání správné funkce desky.

Beziontovou kontaminaci představuje nevodivá molekula, která může zůstat na povrchu desky po jejím osazení součástkami. Mezi hlavní znečištění tohoto typu patří oleje, inertní zbytky tavidla, pryskyřice a tuky.

Iontová kontaminace způsobuje vyšší procento selhání elektronických součástek i desky, přičemž bývá nesnadné ji eliminovat. Jednou z nejrozšířenějších forem iontové kontaminace jsou tzv. white residue neboli bílé skvrny. Tyto skvrny jsou obvykle (ale ne vždy) kovové soli, které fungují jako aktivátory v tavidlech a pastách díky nedostatečnému čištění.

Bílé skvrny představují jednu z největších obtíží při výrobě elektroniky, protože jsou velmi problematické. Možných zdrojů je více – desky plošných spojů, čisticí kapalina, tavidla, lidský faktor, pracovní postupy, způsob skladování tavidla a pájecí pasty, dokonce i počasí. Je velmi obtížné přesně určit, co může tento problém způsobit, ale pravděpodobně to je kontaminace, čisticí kapalina a také samotný proces čištění.

Při identifikování zdroje je nejdůležitější podívat se nejdříve na jakoukoliv změnu ve výrobě, která proběhla oproti předchozímu stavu. Tak například – přešlo se zrovna na bezolovnaté pájení? Změny použitého materiálu mohou způsobit nepředpokládaný výskyt zbytků a problémů při čištění.

V dalším kroku je dobré se podívat na jakýkoliv nepoměr mezi čisticí kapalinou a kontaminací. Pokud zbytky tavidla vytvoří rovnoměrnou hladkou vrstvu bílého filmu na větší ploše, indikuje to nevhodné rozpouštědlo pro dané tavidlo. Je také možné, že kapalina reaguje s tavidlem, které nevyžaduje čištění (no clean flux) a vytvoří bílé skvrny.

Nakonec je dobré přezkoumat používaný čisticí proces. Často jsou problémy s bílými skvrnami způsobeny právě čištěním. Jsou na desce proužky nebo plošky bílých skvrn? Ty indikují nevhodnou techniku čištění.

Ověřte správnost procesu čištění inspekcí

Existuje více způsobů, jak zjistit úroveň kontaminace a stanovit optimální čisticí proces. Někdo používá jako základní metodu vizuální zhodnocení situace, zatímco jiní používají analytické testy za pomoci iontových chromatografů. Vždy se jedná o unikátní proces, který závisí na konkrétních požadavcích čištění daného typu kontaminace.

Vizuální kontrola je tou nejjednodušší metodou. Když nejsou na desce viditelné zbytky tavidla ani bílé skvrny, je to většinou chápáno tak, že je deska dostatečně čistá. I když nejsou k dispozici žádné kvantitativní výsledky, je to důležitá metoda, která by se ale měla používat paralelně s dalšími způsoby. Některá iontová kontaminace není optickou inspekcí viditelná, a tak může zůstat kolem součástek na desce nepovšimnuta. Z tohoto důvodu je důležité nespoléhat výhradně na tuto metodu inspekce.

Jinou možností inspekce je testování odporu povrchové izolace (Surface Insulation Resistance − SIR), které se zaměřuje zejména na skutečný výsledek provedeného čištění, nikoliv na vlastní proces čištění. Test SIR se zaměřuje na určení spolehlivosti elektrických součástek tím, že sleduje sílu a kvalitu signálu procházejícího součástkou po čištění.

Úplný test SIR trvá 28 dní a obvykle se provádí ve výzkumné laboratoři. Spočívá v měření rozdílu elektrického proudu v závislosti na čase, různých teplotách a úrovních vlhkosti po čištění. SIR také měří úroveň koroze zbytků tavidla, a to vizuálním vyhodnocením formací dendritů. Jakákoliv kontaminace snižuje odpor elektrického proudu. Pokud je jeho hodnota vysoká, znamená to, že je deska čistá.

Méně přesným, ale rychlejším a rozhodně i uživatelsky příjemnějším měřením čistoty desky je použití iontografu neboli testování odporu vzorku rozpouštědla − Resistivity of Solvent Extract (ROSE). Tato metoda měří iontovou kontaminaci. Během procesu měření je deska ponořena v lázni deionizované vody zhruba na 15 minut. Poté, co voda měla možnost cirkulovat kolem součástek, je testována na iontovou kontaminaci. Protože deionizovaná voda rozpustí ionty z desky, jakákoliv změna v odporu vody bude indikovat relativní znečištění nebo vyčištění dané desky.

I když je ROSE ve výrobním průmyslu hlavní metodou testování, nemůže zaručit, že pod hustě osazenými a současně nízko položenými součástkami na desce znečištění není nebo že všechny zbytky tavidla byly odstraněny.

Úplně nejlepší dostupný způsob měření je vyhodnocení kontaminace pomocí iontové chromatografie (IC), která je v současné době „zlatým“ standardem pro ohodnocení čistoty desek plošných spojů. IC je jediným testem, který detekuje a měří slabé organické kyseliny a jednotlivé ionty. Je to výborný proces k rychlému zjištění zdroje kontaminace a odhadu vlivu každého typu iontu. Kvůli vysokým nákladům však zjišťuje kvalitu čištění pomocí IC testů pouze malá část výrobců.

Metody SIR a IC jsou sice časově náročnější a dražší, zároveň jsou ale jediným způsobem, jak se opravdu spolehlivě ujistit, že je deska čistá.

Ujistěte se, že používáte správnou čisticí kapalinu

Výběr správné čisticí kapaliny je klíčovým faktorem. Existují firmy, které vyvíjejí moderní čisticí ředidla, která výrazně přispívají k lepšímu čištění, vyšší spolehlivosti a dlouhé živostnosti elektronických součástek.

Všechna tato nová čisticí ředidla mají potřebné vlastnosti − jsou nehořlavá, mají nízkou viskozitu a povrchové napětí, zatímco vysoké hodnoty Kb umožňují zbavit desku tavidel velmi účinně, dokonce i pod velmi těsně položenými součástkami. Tyto čisticí prostředky zaručují, že celý povrch desky bude důkladně vyčištěn a bez bílých skvrn. Tato garance znamená, že pak není nutné náročné testování.

Pokroky v čisticích kapalinách a použitých technologiích přinášejí nejen výborné výsledky čištění, ale také ekonomické benefity. Moderní čisticí procesy nabízejí nová řešení pro vývojáře elektroniky, protože pokročilé možnosti čištění umožňují vyrábět kvalitnější DPS.