Магистр Георгий
Главный инженер компании ProSMD
Мыть платы – надо
Пренебрежение мытьем может превратить оргастично разведенную, геометрически совершенную плату в шедевр абстракционизма. Подобное случилось с моими преподавателями в пору, когда мы еще не ведали слова «стартап». Поскольку выжить и сохранить достоинство на зарплату преподавателя в провинциальном университете невозможно, а настоящий коньяк, классическая опера и благосклонность юных дев редко бывают бесплатными, те решили подрядиться на изготовление табло с бегущей строкой для муниципального пассажирского предприятия – попросту, в автобусы. Каково было их удивление, когда через 3 месяца табло начали гореть одно за другим, являя при разборке порыжевший трухлявый текстолит и черные, приобретшие лавкрафтиански невыразимые очертания дорожки. Применяемый флюс был очень хорош – обеспечивал безупречную смачиваемость, не вонял и не оставлял остатков. Видимых остатков…
Итак, мыть – надо. Перед пайкой – поскольку веры производителю плат нет: на них полно жира и грязи, и текстолитового крошева после сверления. После пайки – потому что коррозионногенные остатки корродируют, а пленки с мегаомными показателями сопротивления сосут воду и начинают травить ток и все это вместе совершенно не способствует адекватной адгезии защитных покрытий. И если за состав флюсовых остатков производитель, условно, отвечает, то о составе продуктов взаимодействия флюса с загрязнениями зачастую можно лишь предполагать.
Мыть – надо. Но чем?
Опытные читатели Хабра, вероятно, помнят ванночки со спирто-нефрасовой смесью. Нефрас… на что только не шли коммунисты, чтобы забрать у русского человека счастье отлить немного спирта. К сожалению, строгий учет, пожароопасность и вред паров поставили крест на заводской токсикомании.
Рискуя подвергнуться порицанию, выскажу мнение, что за исключением случаев, когда среда использования предполагает специфические требования, универсальные решения одинаково применимы, невзирая на тип применяемых паяльных материалов. Несмываемые? Если это не те легендарные флюсы, которые дают тончайшую защитную пленку, то все понимают, что смывать их все же потребуется.
Водосмывные? Быстрее и эффективнее смывать их не чистой водой, а щедро, но в пределах мануала сдобренной (2-5%) отмывочной жидкостью. О причинах этого, помимо очевидной пользы мыла, стоит рассказать отдельно:
Простая вода плохо смывает комбинированные загрязнения, включающие жиры. Мотаем на ус и свои пальчики с ножа хорошо смываем с отбеливателем.
Воде присущ печально высокий (72 дин/см) показатель поверхностного натяжения, из-за которого вода не может затечь в зазор между компонентом и платой. Чтобы обеспечить затекание и просто эффективное смачивание, моющая среда должна иметь поверхностное натяжение ниже, чем у отмываемого изделия. Который у пластиков составляет 30-70 дин/см, а у органических растворителей – 10-30 дин/см – так они и попадают в состав в безопасной концентрации, наряду с пеногасителями, гидротропными присадками и нейтрализующими кислоты компоненты.
Немало водосмывных материалов – изначально заточены под применение в техпроцессе с отмывочными средствами. Они могут быть растворимы в воде до пайки, что не гарантирует растворимости ПОСЛЕ. К примеру, не отмываются чистой водой составы, обеспечивающие временной буфер (паузу) между пайкой и отмывкой, ибо предназначены оставлять негигроскопичные остатки, дабы исключить диссоциациативные процессы в активаторах и корродирующее действие их на плату. Чтобы не стать жертвой надмозговой русификации даташитов и не удивляться неотмытым коростам на платах – всегда изучайте спецификации производителя в оригинале.
Водосмывные материалы, в принципе съедают много внимания. Вода для мытья настойчиво требует подготовки – содержащиеся соли и микроскопические загрязнения оседают на плате и снижают моющую способность раствора. А после отмывки в моющем растворе, рекомендуется смыть уже ее. Еще более чистой водой, хорошо бы деионизированной – та не только удаляет ионные загрязнения, но и не способствует протеканию электрохимических реакций, типа роста металлических дендритов, являющихся источниками замыканий.
Мало геморроя с мытьем после мытья – отдельные часто применяемые кислоты в составе водорастворимых флюсов имеют нелинейную зависимость растворимости от температуры – проще говоря, горячей водой смываются хуже. Соблюдая рекомендации по мытью при 60℃ для одной паяльной пасты, можно крупно напортачить при очистке после пайки другой. Другая каверза – применение в качестве структурных (стабилизатор/ пластификатор/модификатор реологии) добавок неионнных полярных соединений. Эти требуют внимательного отношения, поскольку по стандартной нижеописанной процедуре тестирования не обнаруживаются, а оставшись незримой пленкой на поверхности, ненасытно сосут воду, провоцируют все явления, которые я перечислял во вступлении.
За приземленно-технологическим трепом пропадает волшебство химии ПАВ. Собственно магия отмывки происходит по формуле с участием карбоновых кислот:
MO + 2RCOOH = M(RCOO)2 + H2O
Либо алканоламинов, чьи амины реагируют с оксидами с образованием аминокомплексов:
MO + R – NH2HY = [Me(RNH2)x]Y2 + H2O
где:
M — окисленный металл контакта;
RCOOH — карбоновая кислота;
R-NH2 — органический амин;
Y — гидроксидный/галогенидный ион.
Причем, именно алканоламины считаются наиболее эффективными, химически взаимодействуя как с остатками флюсов, так и с активаторами. Содержащие их жидкости смывают остатки любых флюсов, кроме некоторых синтетических. Весомым преимуществом является возможность их применения в автоматизированном оборудовании(кроме струйной отмывки), также они долго (рабочий день точно) сохраняют моющую способность, не вызывают помутнения олова – в отличие от традиционных моющих составов для канифоли, например, смываются водой, и позволяют обеспечить высокую чистоту поверхности. Что, наверное, все же основной фактор. Настолько высокую, что иногда смывают маркировку с плат и компонентов. Впрочем, импортные компоненты, за редким исключением, способны такое пережить.
Что интересно, RoHS и здесь умудрился подгадить: мытье флюсовых остатков после пайки с бессвинцовыми пастами, как правило, требует больших усилий: увеличение концентрации моющего средства, времени мойки, температуры и интенсивности циркуляции. Все потому, что возрастает количество остатков и их стойкость к воздействию отмывочных составов.
Мыть надо. Как?
На стадии прототипа допустимо, все же, поболтать плату в тазу со спиртом и потереть кистью. Но в промышленном производстве востребованы таки автоматизированные методы отмывки, среди которых наиболее популярны:
ультразвуковая;
струйная;
барботаж.
Для отбора станков и оценки качества отмывки применяют эталонную плату, при изготовлении которой паяльная паста заменяется на клей. Подобные нам предлагает промышленность, но можно изготовить и самостоятельно.
Первым делом нужно достать где-то дозатор, после чего компоненты – в общем случае 0805, а в случае обильного применения микросхем, особеннно BGA, их тоже – монтируются на стекло. Именно на прозрачное стекло, с минимальным применяемым зазором как от платы, так и между компонентами.
Потом плата как следует мажется применяемым флюсом и отправляется на запекание с последующей промывкой. Далее можно цитировать IPC: «Для сборок признак визуальной чистоты удовлетворителен по косметическому критерию, но не удовлетворителен, чтобы гарантировать работоспособность». Особенно актуально для активных материалов. Посему проводится мониторинг процесса с использованием таких материалов: наносимый флюс-тест и тест на сопротивление водно-спиртового экстракта по IPC-TM-650, 2.3.25 (количественно).
Отмывка в ультразвуке
Разрушительное действие ультразвука обусловлено кавитацией – множеством обратных взрывов на поверхности изделия. Мириады пузырьков вскипают и схлопываются, дробя все, мягкое чуть сильнее, чем твердое. Если на вашем производстве диктатура ретро-фанатов спирто-нефраса – критически важно объяснить им, что в УЗ-ваннах жидкость подверхается нагреву, со всеми неизбежными опасностями нагрева горючих жидкостей.
Также, как знают многие, некоторые компоненты, особенно касается кварцевых генераторов, подвержены порче при воздействии ультразвука. Такая информация должна содержаться в даташите, за неимением оного проводится тестирование согласно IPC-TM-650.
Струйная отмывка
Энциклопедически настроенные коллеги заметят, что мыть струями можно как воздушным распылением, так и в объеме воды. Пока мы рассматриваем первый и наиболее частый случай: плата устанавливается внутрь моющего агрегата, где его через форсунки поливает то моющим раствором, то водой.
Важное преимущество перед УЗ – большая номенклатура отмываемых компонентов. То есть, что нельзя мыть в ультразвуковой ванне, можно в струйной машине. Если пуристы от традиционных спирто-бензиновых ценностей досаждают и здесь – установка закупается во взрывозащищенном исполнении, в отдельном помещении с вытяжкой, а в камеру, где проводится отмывка, нагнетаются инертные газы – аргон, азот, жидкий вакуум. При отсутствии бюджета на подобные ухищрения будем считать, что выбор моющих средств ограничен. Другой недостаток, особенно на старых моделях – зоны затенения, где отдельные участки плат моются хуже других.
Любопытное и очень распространенное решение – закуп на производство обычной посудомоечной машины на таблетках. Получается дешево, доступно, не подвержено санкциям. Если не смущают потемневшая медь и серое олово на плате – прекрасный вариант
Барботаж
Редко используется как самостоятельный метод, чаще для смывания растворов после основного мытья. Также интегрируется в УЗ-ванны, на случай образования противной пены на изделиях.
По сути метод – джакузи для плат. Вам приятно? Платам приятно тоже, способ щадящий, пусть и наименее эффективный из перечисленных, требующий обычно подбора слабопенящихся реагентов (много раз мной восхваленный спирт, неважно, этанол/изопропанол служит неплохим гасителем пены). А еще он дешев, и если Вам не требуется мыть платы с малыми зазорами, он эффективен достаточно.
С Вами был Магистр Георгий, прошу делиться опытом.
Источники
IPC-CH-65A
IPC-AC‑62A
IPC-TM-650
Медведев А. Монтажные флюсы. Смывать или не смывать // Компоненты и технологии. 2001. № 4.
Смирнов А. Испытания на устойчивость электронных компонентов к воздействию. Поверхностный монтаж. 2007. № 3.
Уразаев В. Влагозащита печатных узлов. М.: Техносфера, 2007.
Schweigart H. Do coatings need to be cleaned? // OnBoard technology. June 2004.
