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 1. ábra. Hőoxidáció](/images/stories/cikkek/old/aktualis/technologia/e-tronics/10_3/kep1.jpg)
♦ 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 2. ábra. Folyasztószer maradvány a sűrű, alacsony fekvésű alkatrészek alatt](/images/stories/cikkek/old/aktualis/technologia/e-tronics/10_3/kep2.jpg)
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 3. ábra. Folyasztószer polimerizáció](/images/stories/cikkek/old/aktualis/technologia/e-tronics/10_3/kep3.jpg)
♦ A 200 °C-nál magasabb hőmérséklet a természetes és a szintetikus gyanta esetében is polimerizációhoz vezet (lásd 3. ábra).
![4. ábra. Forrasztási maszkolóanyag nedvességfelvétele 4. ábra. Forrasztási maszkolóanyag nedvességfelvétele](/images/stories/cikkek/old/aktualis/technologia/e-tronics/10_3/kep4.jpg)
♦ 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 5. ábra. Szárazrétegű nedvszívás alacsony maradványú folyasztószer használatat mellett](/images/stories/cikkek/old/aktualis/technologia/e-tronics/10_3/kep5.jpg)
♦ 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 6. ábra. Alacsony illékony szerves anyagú halogén-só](/images/stories/cikkek/old/aktualis/technologia/e-tronics/10_3/kep6.jpg)
♦ 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 7. ábra. Vízbázisú folyasztószer oldószeres tisztítást követően](/images/stories/cikkek/old/aktualis/technologia/e-tronics/10_3/kep7.jpg)
♦ 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 8. ábra. Nem tökéletes tisztítási eredmény](/images/stories/cikkek/old/aktualis/technologia/e-tronics/10_3/kep8.jpg)
♦ 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 9. ábra. Vízbázisú, aktív maradvány](/images/stories/cikkek/old/aktualis/technologia/e-tronics/10_3/kep9.jpg)
♦ 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 10. ábra. Példa a gőzkicsapódásra](/images/stories/cikkek/old/aktualis/technologia/e-tronics/10_3/kep10.jpg)
♦ 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.