Bevezető
A fehér maradvány széles körben előfordul az elektronikai gyártás során. A gyártók a folyasztószerek széles skáláját használják, és bármelyik hozzájárulhat a fehér maradvány létrejöttéhez. Nem kellően kikeményített panelbevonat vagy a nem megfelelően kiválasztott tisztítási eljárás hagyhat hátra áttetsző felületi szennyezőréteget.A fehér maradvány egy nagyon komplex kémiai összetételű sókiválás, amely származhat a folyasztószerek nem-illékony összetevői révén; a folyasztószerben található aktivátor által kiváltott fém-oxidáció-redukció nyomán; lúgos szappanosítóanyagoktól; hőhatástól; forrasztómaszk kikeményedéséből adódóan, és akár a folyasztószer-tisztítószer egymásra hatásának eredményeként. A fehér kiválás a forrasztást követően az egyik legösszetettebb probléma az elektronikai összeszerelő iparban. A folyasztószer-maradvány vizuális megjelenése leginkább a folyasztószer összetételétől és a forrasztási hőprofiltól függ. A fehér maradvány okozója nagyon sokféle lehet, mint például a folyasztószerek, a tisztítószerek, a maszkolóanyagok és maguk az alkatrészek is. Az ideális állapot - kimondottan a tisztítást nem igénylő folyasztószerek esetében - tiszta, átlátszó, szilárd, az oxidáló összetevőit tekintve pedig inaktivált, nem káros folyasztószer-maradvány. A tisztítást követően megjelenő fehér maradvány általában annak a következményeként léphet fel, hogy a tisztítás során a folyasztószer nek csak bizonyos oldható részét távolítjuk el, és hátramarad egy nem oldható, fehér, porszerű szennyeződés.
A fehér maradvány kialakulásának okai
A fehér maradvány keletkezésének több oka lehet, ebből soroljuk fel a legáltalánosabbakat.
1. ábra. Hőoxidáció
♦ A gyanta a 200 °C-nál magasabb hőmérsékleten keresztülmehet az ún. hőoxidáción, amelynek során a telítetlen abietinsav kettős kötés mennyisége csökken. Ez glikolok, ketonok és különböző molekulatömegű észterek kialakulását eredményezi, amely kicsapódik, és egy fehéres, nagyon ellenálló szennyeződést hoz létre (lásd 1. ábra).
2. ábra. Folyasztószer maradvány a sűrű, alacsony fekvésű alkatrészek alatt
Az esetlegesen alkalmazott magasabb reflow-hőmérséklet esetén pl. a földelő-réteghez csatlakozó pontoknál, nagy hűtőfelületű chipeknél és nagyméretű chipkapacitásoknál, vagy a kisméretű, szorosan a panelhez illeszkedő alkatrészeknél fellelhető folyasztószer esetében szokatlan formájú oxidáció és fokozott kiégés alakulhat ki a koncentrált hőhatás miatt (lásd 2. ábra).
3. ábra. Folyasztószer polimerizáció
♦ A 200 °C-nál magasabb hőmérséklet a természetes és a szintetikus gyanta esetében is polimerizációhoz vezet (lásd 3. ábra).
4. ábra. Forrasztási maszkolóanyag nedvességfelvétele
♦ A maszkolóanyag vízben oldódó folyasztószerrel párosítva: a forrasztási maszkolóanyag, nedvszívása révén, a vízben oldódó folyasztó- és tisztítószerekkel végzett műveletek során a folyasztószer és a nedvesség behatolhat a száraz rétegű maszkolóanyag porózus szerkezetébe. Ezek a folyasztószerek reakcióba lépnek az ón- és ólom-oxidokkal. Nagy mennyiségű fémes só, körülvéve egy kevés vízben oldódó folyasztószer-hordozóval, a forrasztóanyaghoz keveredik, és a kártya felületére tapadhat. A vízbázisú tisztítás alkalmával a folyasztószer elégtelenül eltávolított melléktermékei fehér maradványt képeznek (lásd 4. ábra).
5. ábra. Szárazrétegű nedvszívás alacsony maradványú folyasztószer használatat mellett
♦ Maszkolóanyag alacsony maradékanyag-tartalmú folyasztószerrel párosítva: az illékony összetevők felszívódnak a maszkolóanyagba, és a maszkolóanyag felületi fehér maradványt képez a hullámforrasztás után. Ilyen fehér fátyol egy 400 °C-os hőlégfúvó használatával - a hőhatás aktiválja az alacsony maradékanyag-tartalmú folyasztószert - eltávolítható (lásd 5. ábra).
6. ábra. Alacsony illékony szerves anyagú halogén-só
♦ Az alacsony illékony szervesanyag-tartalmú folyasztószerek általában kevésbé stabilak hővel szemben. Ezeket az anyagokat nagyobb mennyiségű és agresszívebb folyasztószerrel készítik. A halogén aktivátorok nagyon elterjedtek ezekben a fluxokban, növelve a szer hatékonyságát a fém-oxid réteg eltávolításakor. A nagy aktivitású folyasztószerek fémhalogén sókat hoznak létre, amelyek kémiailag aktívak maradnak, ha nem távolítják el őket. Ennek a tulajdonságának köszönhetően a folyasztószer-maradványt közvetlenül a forrasztást követően el kell távolítani (lásd 6. ábra). Az ilyen típusú maradványok eltávolítása magas szappanosító hatású tisztítószereket igényel.
7. ábra. Vízbázisú folyasztószer oldószeres tisztítást követően
♦ Fehér maradvány keletkezhet, ha a tisztítás során nem távolítjuk el teljesen a folyasztószer maradványokat, például vízbázisú fluxot oldószeralapú szerrel próbálunk tisztítani. Ezért a tisztítási folyamatot mindig úgy kell megválasztani, hogy figyelembe vesszük az alkalmazott folyasztószer típusát (hasonló a hasonlót oldja) (lásd 7. ábra).
8. ábra. Nem tökéletes tisztítási eredmény
♦ Gőzfázisú tisztításnál például egy tisztítószer kiválóan teljesíthet egyik és épp csak kielégítően egy másik folyasztószer esetében. Ezt leggyakrabban a sűrű lábkiosztású (ún. fine pitch) alkatrészeknél és az alkatrészek alatt eltávolítatlanul maradt fehér, sószerű maradványból észlelhetjük (lásd 8. ábra).
9. ábra. Vízbázisú, aktív maradvány
♦ A vízbázisú folyasztószerek esetében ajánlatos a tisztítást a forrasztást követően a lehető legrövidebb idő alatt (maximum 8 órán belül) elvégezni. Nem ritka, hogy a vízbázisú folyasztószer esetén jobb tisztítási hatékonyságot lehet elérni alacsonyabb hőmérsékleten végzett tisztítással. A kockázat az, hogy a folyasztószer-maradvány aktív marad, és korrodáló hatású sóvá alakul, és az idő előrehaladásával egyre nehezebb eltávolítani (lásd 9. ábra).
10. ábra. Példa a gőzkicsapódásra
♦ Az átmunkálásra vagy gőzfázisú tisztításra használt illékony oldószerek - például az izopropil-alkohol - gyorsan párolognak, ezért csak részlegesen tudják kifejteni hatásukat. Az ilyen oldószerek oldják ugyan az oldható gyantavegyületeket, de oldhatatlan sókat hagynak hátra, fehér maradvány formájában. A fehér maradvány potenciálisan hordozza azt a lehetőséget, hogy maga vezetőként viselkedik, és magába zárja a levegő páratartalmát. Ha egyszer oldhatatlan sóval találkozunk, akkor a fehér kiválást oldószerrel tisztítani már nagyon nehezen vagy egyáltalán nem lehet (lásd 10. ábra).
A fehér maradvány eltávolításának stratégiái
A fehér maradvány megjelenésének valószínű okait ismerve, nézzük az eltávolítás lehetséges stratégiáját! Az elhárítását a tisztítási folyamat megfelelő tervezésével kell kezdeni, amelynek során a következő tényezőket kell figyelembe venni:
- a tisztítószert,
- a hordozót (beleértve az alkatrészfajtákat),
- a folyasztószer összetételét,
- a gyártási folyamat tisztítást megelőző lépéseit,
- a tisztítógép típusát,
- a tisztítás paramétereit (idő, hőmérséklet, koncentráció, alkalmazott energia),
- a folyamatszabályozást.
A legfontosabb a tisztítószer megfontolt kiválasztása, amelyet a tisztítandó folyasztószert ismerve és ahhoz igazítva kell alkalmaznunk. A szennyeződés gyenge oldhatósága kompenzálható a tisztítási paraméterek változtatásával, mint a hőmérséklet, idő vagy energia, de az eredmények eltérők lehetnek. A tisztítószernek meg kell felelnie a tisztító-berendezés típusának is, ellenkező esetben az összeférhetetlenség instabil eredményt hozhat.
A tisztítási folyamat tervezésének második fontos tényezője a hordozó. Kritikus fontosságú a tisztítószer és a terméket alkotó anyagok kompatibilitása. Az agresszív tisztítószerek megtámadhatják a fémeket, műanyagokat, a laminált paneleket, az eloxált bevonatokat, a fekete oxidokat, az alkatrészek jelöléseit, címkéket, védőlakkokat és ragasztókat.
Szintén fontos szempont a kártyán lévő alkatrészek komplexitása. Különösen bonyolult az alkatrészek alatti maradványok tisztítása, ahol a részlegesen eltávolított maradványok jelentős megbízhatósági kockázatot jelentenek. Ezek a helyek fokozott jelentőséggel bírnak a tisztítás és a megfelelő berendezés kiválasztása során. A tisztítószernek magas oldhatóságot kell biztosítania a szennyeződéssel szemben, a tisztítóberendezés pedig a megfelelő helyre kell, hogy szállítsa azt, ezzel biztosítva a maradványok 100%-os eltávolítását.
A folyasztószer összetétele meghatározza a kártyák gyártási folyamatában a megelőző műveleteket. Már a forrasztópaszta vagy a hullámforrasztóban alkalmazott folyasztószer kiválasztásakor ennek a maradványnak a tisztíthatósága fontos tervezési szempont.
Mivel a kártya beültetési sűrűsége és az alacsonyan ültetett alkatrészek száma növekszik, egyre nehezebbé válik a hozzáférés a maradványokhoz. A könnyen oldódó, lágy folyasztószer-maradványok javítják az áramköri kártyák tisztíthatóságát.
Minden - a tisztítást megelőző feldolgozási művelet - hatással lesz a folyasztószer-maradványunk tisztíthatóságára. A tisztítást megelőző többszöri reflow-folyamat a folyasztószer-maradványt keményebbé és egyre nehezebben eltávolíthatóvá, a túlmelegítés, a "kiégetés" pedig akár eltávolíthatatlanná teszi az éppen alkalmazott tisztítási eljárásunkkal.
A tisztításhoz használt gépnek képesnek kell lennie a megfelelő energiát közölni a tisztítandó termékekkel és eljuttatni a tisztítószert a szennyeződéshez. A tételes tisztításnál alkalmazott eszközök többnyire alacsonyabb ütközési energiát közölnek, itt a folyasztószer oldhatósága még kritikusabb. A sorozatgyártás közbeni (in-line) tisztítógépek képesek magas ütközési energiát közölni. A tesztek azt mutatják, hogy az ütközési energia, az irányított erejű és nyomású sugár nagyban javítja a tisztíthatóságot az alacsonyan álló alkatrészek alatt.
A tisztítási folyamat paraméterei szintén nagyon kritikusak a 100%-os eredmény szempontjából. A vízbázisú tisztítási eljárásoknál a tisztítószer koncentrációját aszerint kell megválasztani, hogy milyen a folyasztószer típusa, amely tényező a tisztítás idejét is erősen befolyásolja, csakúgy, mint az alkatrészek geometriája, vagy a nyomtatott áramkör sűrűsége.A nagy sűrűségű, miniatürizált, komplex technológiát alkalmazó áramkörök esetén hosszabb mosási ciklusra van szükség a teljes maradvány eltávolításához. A legtöbb mosási eljárásnál az elpárolgási és a termékek által kivett veszteséget pótolni kell. A mosófolyadék karbantartását illetően a fürdő élettartama meghosszabbítható, amennyiben folyamatosan pótoljuk a tisztítószert, és a szennyezőanyag szintje is alacsonyabb mértéken tartható.
Folyamatszabályozási technikák feltétlenül szükségesek a szigorú folyamatablakok betartásához. Ha megengedjük, hogy a mosószerkádban a koncentráció a meghatározott érték alá csússzon, akkor megnő a fehér maradvány előfordulásának esélye.
Ha a fehér maradvány kiküszöbölésére gondolunk, akkor tanulmányoznunk kell a tisztítószerre vonatkozó előbb említett 7 tényezőt, és figyelembe kell vennünk ezeket. Sohase minősítsünk (le) egy tisztítószert egyetlen összehasonlító teszt alapján! Nagyon sok probléma a rövid távú teszteknél nem is tapasztalható. Ha időt szánunk ezen 7 tényező kiismerésére, és figyelembe vesszük őket, akkor nagy segítségünkre lehet abban, hogy olyan tisztítási folyamatot alakítsunk ki, amely csökkenti a fehér maradvány előfordulásának lehetőségét.
Forrás: Mike Bixenman: White Residue on Printed Wiring Boards Post Soldering/Cleaning.
