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<洗涤剂> <印刷电路板安装用设备> <清洗机>
 6.1 金属掩模清洗剂  6.2 助熔剂清洗剂  首先
  首先   首先  2.8.1 清洗工序的设计
  6.1.1 清洗对象物   6.2.1 助熔剂清洗剂的变迁  2.8.2 冲洗工序的设计
  6.1.2 清洗目的   6.2.2 焊剂清洗导入的目的  2.8.3 干燥工序的设计
  6.1.3 金属掩模清洗剂的要求特性    (1)接合不良  2.8.4 回收・净化工序的设计
  6.1.4 清洗剂的种类    (2)树脂的涂布性・固化阻碍   (1)利用过滤器回收异物
   (1)乙二醇醚系清洗剂    (3)焊球   (2)通过油水分离回收洗涤剂
   (2)醇系清洗剂    (4)绝缘可靠性的降低   (3)洗涤剂的蒸馏再生
   (3)烃类清洗剂    (5)接点连接不良   (4)漂洗剂的蒸馏再生
   (4)酮及酯系清洗剂    (6)检查精度的降低  2.8.5 典型的清洁系统
   (5)溴系清洗剂   6.2.3 焊剂清洗本来的意义   (1)水平系统清洗系统
   (6)水系清洗剂   6.2.4 焊剂清洗剂的设计点   (2)水醇冲洗系统
  6.1.5 清洗方式   6.2.5 乙二醇醚系清洗剂   (3)烃类洗涤系统
   (1)淋浴清洗方式   6.2.6 与冲洗方式相应的清洗剂设计   (4)共溶剂清洁系统
   (2)浸渍式超声波清洗方式   6.2.7 助焊剂清洗剂的今后课题  2.8.6 焊剂清洗机的清洁度管理
   (3)非浸渍式超声波清洗方式   参考文献  今后的展望
  6.1.6 干燥方式  参考文献
  随便
  参考文献

 

第一部分

6.1 金属掩模清洗剂

首先

作为电子安装中的焊膏的供给方式,可以举出分配方式、印刷方式(金属掩模)、针转印方式。其中,使用生产效率高的金属掩模的印刷方法成为主流1)。近年来,由于高密度安装中的电路图案的细间距化和安装部件的小型化(搭载0603 芯片或0402 芯片),印刷工序中使用的掩模的开口部越来越微细狭小化。而且,随着微细狭小化,残留在开口部端面的焊膏或微细的焊料粒子成为印刷不良或安装不良的原因的现象变多,金属掩模的清洗被重视并重新评价。
在本项的前半部分中,关于金属掩模中的清洗剂的要求特性、各种清洗剂的特征,在后半部分中对代表性的金属掩模的清洗方式进行说明。

6.1.1 清洗对象物

成为清洗对象的污垢的是附着在反复使用的金属掩模上的焊膏。从印刷精度、品质方面考虑,金属掩模不仅在使用后,还需要每隔一定的印刷处理次数进行清洗,除去在掩模的开口部蓄积的焊膏成分(图6.1.1)。

所使用的焊膏,为了通过无铅化改善高温特性(防止热引起的流挂),触变剂的种类变为高熔点的材料,为了提高润湿性、确保印刷时的稳定性,进行了活性剂的改良。此外,为了应对近年来的无卤化、金属掩模的细间距化,这些触变剂、活性剂进一步改良、增量,清洗变得更加困难的情况较多。因此,即使是以往能够没有问题地清洗的清洗剂,在变更焊膏时,也必须确认清洗性。

图6.1.1 附着到金属掩模开口的焊膏

6.1.2 清洗目的

在印刷工序中,为了避免以下问题的发生,对附着在金属掩模上的焊膏进行清洗。

①焊膏的供给不良
通过在掩模开口部端面残留固化焊膏而产生堵塞,供给量不足或混入固化的焊膏而大量供给等,不能进行稳定的焊膏的供给。

②焊膏附着在不需要的部位
如果堵塞的焊膏绕到掩模背面(基板侧),则会附着在不需要的部位,成为导致桥接发生等焊接不良的原因。

③焊膏的其他品种混入
如果在所使用的焊膏的品种变更时残留在掩模中,则会产生铅混入到无铅对应的机种中的危险性。

6.1.3 金属掩模清洗剂的要求特性

为了避免上述问题的发生,金属掩模清洗剂要求满足以下要求和条件。

①对焊膏的溶解性高
金属掩模的清洗也可以在使用异丙醇(以下称为IPA),通过刷子或擦拭等进行擦拭的清洗的现场观察到。在手巾的情况下,即使如IPA 那样对焊膏的溶解力低,由于物理作用强,因此在外观上也能够清洗的情况较多。但是,随着掩模开口部的微细狭小化,在使用溶解力低的清洗剂的情况下,难以充分得到擦拭的物理作用的效果,焊膏残留在开口部等清洗品质的偏差变多。
在使用清洗机的情况下也同样,有时由于溶解力低而导致清洗品质降低、需要过多的清洗时间。

②对构件的影响小
金属掩模是将实施了不锈钢或镀镍的金属版通过组合物用胶带贴合固定在铝等金属框架上的结构(2)。除了使用清洗剂仅与掩模开口部接触的清洗方式的清洗机的情况以外,需要选定既确保对焊膏的溶解性,又兼顾对组合、版框和固定带的粘接层的影响小的相反条件的清洗剂。如果清洗剂向版框和固定带的粘接层浸透而粘接强度降低,则会引起版的张力降低引起的印刷不良、版剥离的故障。

③对人体、环境的负荷低
在满足上述①、②的基础上,重要的是对人体、环境的负荷更低,但洗净剂中所含的水以外的化学物质,从低臭气到刺激臭气,分别具有特有的臭气。一般而言,清洗剂在作业环境上要求无臭或低臭气的清洗剂,但由于无臭或低臭气成分对人体、环境的负荷不一定低,因此特别是无臭的清洗剂在安全对策上不优选。

④不符合各种法令
符合劳动安全卫生法实施令有机溶剂中毒预防规则(以下,称为安卫有机法则)、化学物质管理促进法(以下,称为PRTR 法)等各种法令时,需要进行各种申报和管理。在符合安卫有机法则的情况下,由于局部排气装置的设置等清洗以外的成本负担变大,因此优选选定不符合各种法令的清洗剂。

⑤总成本低廉
不仅是洗涤剂的价格,还包括由洗涤剂的寿命(污垢混入引起的溶解性的降低)引起的液体交换频率和再循环性,需要进行总成本评价。

6.1.4 洗涤剂的种类3)

金属掩模清洗剂根据主要成分中使用的化学物质的种类分类如下,各自具有特征,因此以下进行说明。

(1)乙二醇醚系清洗剂

在金属掩模清洗剂中,市场实绩最多的是二醇醚系清洗剂。
图6.1.2表示二醇和二醇醚类的结构式。这些溶剂在分子内具有作为疏水基(亲油基)的烷基和作为亲水基的醚基或羟基。对于焊膏中的助焊剂成分中所含的松香树脂等非极性(亲油性)化合物和活性剂等极性(亲水性)化合物两者都具有适当的溶解性。

一般而言,乙二醇系气味较低,使用实绩也较多。但是,对于低沸点的一部分乙二醇系,担心在生物体内代谢时的生殖毒性、致畸性等4)、有严格限制作业环境下的允许浓度的乙二醇系,或符合PRTR法的乙二醇系(表6.1.1)。丙二醇系虽然气味稍强,但与乙二醇系相比,生殖毒性、致畸性等毒性低,因此需求增大。二烷基二醇系的溶解力比其他2 种高,臭味低,但由于比较昂贵,因此作为溶解助剂使用5)

以这些二醇醚系溶剂为主要成分,分为由于具有闪点而受到消防法规制的危险物型的洗涤剂、和配合水而成为消防法上的适用除外的非危险物型的洗涤剂。

危险物型的二醇醚系清洗剂的沸点为120~170℃左右,干燥性比较好,大多可以一液使用。

非危险物型的二醇醚系清洗剂由于配合水而消除闪点,因此高沸点溶剂的配合量多,清洗剂的干燥困难,因此需要在充分进行水漂洗后进行干燥。如果清洗剂渗透到金属掩模的版框粘接剂层中,高沸点成分不挥发而残存,则有可能侵入粘接剂而引起版剥离,因此需要注意。也有不需要使用比较低沸点溶剂的水漂洗的清洗剂,但为了消除闪点而大量配合水,溶解性差的清洗剂较多。在这两种情况下,如果洗涤剂中的水分挥发,则会出现闪点,有可能成为消防法上的危险物,因此,洗涤剂的水分浓度管理是重要的6)

图6.1.2 二醇和二醇醚的结构式
表6.1.1 作业环境内容许浓度限制严格的二醇醚系溶剂
化学名称和结构式 别称 日本产业学会允许浓度(2010年度版) ACGIH*允许浓度(2010年度版) PRTR法 安卫法
有机定律
乙二醇单甲醚
CH3-O-CH2-CH2-OH
2-甲氧基乙醇,甲基溶纤剂 0.1ppm 0.1ppm 第一种指定化学物质 第2种有机溶剂
乙二醇单乙醚
C2H5-O-CH2-CH2-OH
2-乙氧基乙醇、溶纤剂 5ppm 5ppm 第一种指定化学物质 第2种有机溶剂
乙二醇单甲醚乙酸酯
CH3-O-CH2-CH2-O-CO-CH3
2-甲氧基乙基乙酸酯、乙酸甲基乙二醇 0.1ppm 0.1ppm 第一种指定化学物质 不符合
乙二醇单乙醚乙酸酯
C2H5-O-CH2-CH2-O-CO-CH3
2-乙氧基乙基乙酸酯、溶纤剂乙酸酯 5ppm 5ppm 第一种指定化学物质 第2种有机溶剂
乙二醇单丁基醚
C4H9-O-CH2-CH2-OH
2-丁氧基乙醇、丁基溶纤剂 未设定 20ppm 不符合 第2种有机溶剂

※ACGHI(TheAmericanConferenceofGovermentalIndustrialHygienists:美国产业卫生专家会议)推荐的空气中的化学物的TWA 值(1天8小时、1周40小时的小时负荷平均浓度,即使几乎所有的工人每天反复暴露也不会对健康造成不良影响的浓度)。

(2)醇系清洗剂

作为手巾用清洗,大多使用乙醇、IPA等低级醇。与乙二醇醚系清洗剂相比,虽然溶解性差,但廉价,污染液通过进行蒸馏再生而分离除去污染物质,能够进行液体的再利用,因此运行成本也降低。但是,由于可燃性,闪点低,相当于消防法第4类醇类,需要采取针对闪点的安全对策。(IPA的闪点;11.7℃/密闭式测定法)

另外,IPA相当于安卫有机法则的"第2种有机溶剂",需要在管理作业环境浓度的同时采取局部排气等措施。

(3)烃类清洗剂

烃系清洗剂从化学结构分类为链烷烃系、环烷烃系、芳香族系。对于焊膏的溶解力,以芳香族>环烷烃>链烷烃的顺序。臭味的减少顺序为:链烷烃≧环烷烃>芳香族。干燥性由各自的分子量·沸点范围决定。虽然与甘醇醚系清洗剂相比价格便宜,但根据焊膏的种类的不同,有时会产生溶解力不足。另外,由于具有闪点,而且即使是高闪点,也具有容易带电的性质,因此需要采取对抗静电爆炸的对策。对版框粘接剂的影响也与溶解力成比例,成为芳香族>环烷烃>链烷烃的顺序,与二醇醚、醇相比影响大。

对于溶解力高的芳香族系烃,大多成为甲苯、二甲苯、1,3,5-三甲基苯(均三甲苯)等PTRT法的对象物质,但从2010年10月开始,在实施的修正PRTR法中,新追加异丙苯、1,2,4-三甲基苯(假异丙苯)等,大部分物质成为限制对象。

(4)酮及酯系清洗剂

丙酮、甲基乙基酮(MEK)、环己酮等酮系溶剂、乙酸乙酯、乙酸正丁酯、乳酸乙酯等酯系溶剂多配合单体或多种成分作为擦拭用清洗剂使用,合成树脂的溶解力优异。但是,具有特有的臭气,挥发性高,极其易燃。另外,版框粘接剂的影响也大。

PRTR法、安卫有机法则的"第2种有机溶剂"或符合消防法的有机溶剂较多,需要按照各种法令适当地进行使用管理。

(5)溴系清洗剂

目前市售的溴系清洗剂以1-溴丙烷(正丙基溴)为主要成分。以前使用了结构异构体2-溴丙烷(异丙基溴化物),但由于担心生殖功能障碍等而成为社会问题,目前几乎没有使用。以1-溴丙烷为主成分的溴系清洗剂是比水重的无色透明的液体,与1,1,1-三氯乙烷(氯系溶剂)同样具有不燃性、可再循环的优点。另一方面,相当于PRTR法第一种指定化学物质,必须在作业环境浓度基准以下运用,需要注意管理和处理。

(6)水系清洗剂

水系清洗剂有在水中添加了表面活性剂、碱剂的水系清洗剂、电解水等功能水。

具有没有燃烧的危险性、不含VOC成分、没有臭气的优点。另一方面,根据焊膏的种类,溶解性与溶剂系的清洗剂相比较差的情况较多,因此需要并用超声波照射或清洗剂的高压喷射等物理力来确保清洗性。

含有氢氧化钠、氢氧化钾等无机碱的碱性清洗剂,在防止对皮肤、眼睛的附着等处理时,需要采取安全对策。另外,为了提高焊膏的脱版性等印刷性,在对实施了电解、蒸镀、树脂涂敷等表面处理的金属掩模进行清洗的情况下,有时会因碱的作用而侵害这些表面处理,因此必须注意。另外,在水漂洗不充分的情况下,残留在掩模表面的碱剂向基板侧附着,带来基板的电路特性的降低、金属腐蚀等不良影响的可能性高。

6.1.5 清洗方式

金属掩模的清洗有时在安装生产线的印刷工序附近,使用IPA等挥发性高的清洗剂用手巾进行清洗,有时使用手动式或自动式的清洗机进行清洗。

虽然利用手巾的清洗廉价且简便,但是存在清洗精度和作业环境上的大问题。

关于清洗精度的问题,难以确保微小的开口部端面等物理作用的效果难以发挥的部位的清洗性,容易产生作业者的清洗精度的偏差。此外,需要注意的是,擦拭可能导致掩模开口的变形,并且可能损坏掩模表面。另外,由于不得不通过手工作业处理清洗剂,在溶剂气氛下进行作业,因此容易产生作业环境上的问题。

虽然不需要大规模的清洗机,但想要确保清洗性的使用者有时使用以清洗液的溶解力和喷雾压进行清洗的清洗喷雾、小型手持超声波机(图6.1.3)。

图6.1.3 小型手持式超声波清洗机7)

关于清洗机,上市有利用喷淋的清洗方法、在清洗剂中浸渍并照射超声波的方法、或者将超声波直接照射到金属掩模上的方法等各种清洗机。清洗机不仅要求清洗品质,而且要求考虑环境和导入带来的成本优势。即使导入清洗机,如果使用大量的清洗剂进行清洗,则对环境的负担也大,运行成本也高。因此,优选使用尽可能少量的清洗剂进行清洗。另外,如果清洗时间长,则清洗剂的挥发量变多,而且由于长时间暴露于清洗剂而对印版框产生影响。

因此,清洗优选在尽可能短的时间内进行,清洗剂优选以少量进行,要求清洗机也能够实现该清洗机的设计。

清洗的机理在各种方式中不同,需要选择最适合该清洗机的清洗剂。以下介绍代表性的清洗方式。

(1)淋浴清洗方式

在利用喷淋的清洗方式中,从喷嘴高速喷射清洗剂,与被清洗物接触,利用流体的冲撞力和溶解力进行清洗。在对掩模整体施加清洗剂的情况下,版框带剥离,在用高压喷雾器进行清洗的情况下,需要注意掩模的变形。另外,为了消除喷雾不均,清洗机自身也需要喷雾喷嘴的选定、使喷雾喷嘴或掩模自身移动的机构等。

(2)浸渍式超声波清洗方式

在清洗剂中浸渍掩模整体,照射超声波的方式。通过在清洗剂中照射超声波时产生的气穴的作用进行清洗。虽然也取决于面罩的尺寸,但在初期建浴量变多的情况下,危险物的清洗剂需要注意指定数量管理。另外,由于清洗槽内的气蚀效果能够强弱,因此需要使掩模摇动而实现清洗性的均匀化。另外,由于在要清洗的部分以外也照射超声波,因此对铝制的框架、铝带、粘接剂的影响也需要注意。

(3)非浸渍式超声波清洗方式(图6.1.4)

在将超声波直接接触到金属掩模的方式中,向掩模的表面和背面施加清洗剂,经由液膜将超声波振动传递到掩模,进行清洗。所使用的清洗剂,由于只需要流过掩模的表里整体的量即可,因此能够抑制得较少。另外,超声波具有与距离成反比地衰减的特性,但通过直接对掩模照射超声波,能够消除距离造成的影响。因此,即使抑制输出也能够得到超声波的效果,与浸渍式超声波方式相比,即使在一半以下的输出下也能够得到清洗效果。除此之外,能够降低对掩模的损伤,并且能够削减清洗剂的消耗量和电力消耗,能够抑制运行成本。

图6.1.4 非浸渍超声波清洗方式7)

6.1.6 干燥方式

洗涤或漂洗后的干燥主要是通过吹风进行的干燥。金属掩模清洗剂大多由沸点200℃以下的成分构成,并且由于在局部排气装置中进行室外排气,因此VOC成分的大气排放量成为课题。与抑制装置侧的VOC成分排出量的对策一起,期望降低所使用的清洗剂中的VOC成分的含量。

随便

在金属掩模的清洗中,不仅需要考虑成为清洗对象的焊膏的清洗性,还需要考虑对金属掩模的影响、对环境的影响、清洗后的品质等总体。可以容易地预想到,随着今后进一步细间距化的对应,金属掩模的清洗品质要求、降低环境负荷的要求越来越高。这些要求只能满足适当的清洗剂和清洗机的组合,重要的是充分考虑并选定各项目。

〈红松悠纪/horu 熏夫〉

【参考文献】

1)(社)日本焊接协会、微焊接教育委员会:标准微焊接技术第3版、日刊工业新闻社、(2011)、p.114
2)(社)电子安装学会:电子安装大事典、工业调查会、(2009)、p.609
3)日本产业清洗协议会:产业清洗剂清单[2009年度版]、日本产业协议会、(2009)
4)长野嘉介、中山荣基、小谷野道子、大林久雄、安达秀美、山田学习:乙二醇单烷基醚类引起的小鼠睾丸的萎缩、产业医学(1979)、p.21:29-35
5)玲剂:即用清洗技术,工业调查会,(2001),p.273
6)居森奈穗子:电子材料,4月号,(2000),p.105
7)井上晃男:电子高品质丝网印刷的基础与应用,CMC出版,(2011),p.175

6.2 助熔剂清洗剂

首先

在电子实现中的焊接通常需要助焊剂。作为由该焊剂引起的清洗需求,可以列举:①焊接后的印刷电路板上残存的焊剂残渣的清洗、②回流炉内附着堆积的焊剂的清洗、②流焊用托盘上烧结堆积的焊剂的清洗、②焊剂机的周边设备、夹具上附着的焊剂的清洗等。在这些需求中,将需要特别高度的清洗技术的①的印刷电路板上的焊剂残渣清洗限定为目的的清洗剂,在本节中称为"焊剂清洗剂"。另外,由于与助焊剂清洗剂的一般论和分类等有关的书籍出版很多,所以1)~3),这里省略。

在电子安装技术中,接合技术成为重要的作用,在安装现场,也逐年强化关于化学物质的限制,不可避免地降低能量、环境负荷中,焊剂清洗的意义成为问题的现状。另一方面,高集成化、高速化的进化不会停留,对于电子电路来说,不能忽视不是异物以外的任何物质的焊剂残渣对电路特性的影响,要求更高水平的清洗技术。

其中,在本项的前半部分中,关于助熔剂清洗剂的变迁、助熔剂清洗的目的和本来的意义,在后半部分中,以在现在的安装现场使用实绩最多的助熔剂清洗剂即二醇醚系清洗剂为中心,对现状技术和今后的课题进行解说。

6.2.1 助熔剂清洗剂的变迁

初期的焊剂具有含有盐酸的焊剂等强的金属腐蚀性,需要立即水洗、干燥,但在20世纪60年代松香系焊剂的出现中,焊接后的可靠性大幅提高,一般不清洗。但是,从20世纪70年代后半期开始,电子设备逐渐轻薄短小化,在表面安装成为主流的过程中,对印刷电路板的可靠性的要求水平提高,再次强烈需要焊剂清洗。在该时刻,美国杜邦作为工业化的氟化合物之一,CFC-113作为不燃性、速干性、绝缘性、化学上极其稳定、安全的"魔法液"出现在日本市场上,用于精密清洗。该液体是所谓的"氟利昂",在1995年末成为臭氧层破坏的罪恶,到生产全面废止为止的约20年间,成为焊剂清洗剂的标准,在电子器件安装工序中完全固定了焊剂清洗。

但是,由于氟利昂在其普及的同时变得廉价,由于氟利昂的特性,清洗机也不需要太高的技术,紧凑且廉价,而且日本的电子行业整体处于充分的成长扩大期,因此,对焊剂清洗的必要性和清洗带来的回路的品质没有太大的讨论。

这是氟利昂全面废除和泡沫破坏这一日本经济的急剧下降,迎来了焊剂清洗的大转变期。同时全面废止的氯系溶剂三氯乙烷也几乎都是以金属清洗为中心的清洗用途,与氟利昂一起,产生了约30万吨/年的新型清洗剂市场,因此以化学厂家为中心的约300家公司进入了该新型清洗剂市场,从1988年到1995年的期间,清洗市场正是战场。

在此期间,安装行业也重新对焊剂清洗的必要性和清洗的品质评价进行了认真的研究,或者还有制造商各公司的无清洗化焊剂的开发努力,很多都转变为无清洗工序。但是,在要求高可靠性的车载设备、高频部件、高密度安装持续发展的半导体封装等中,清洗成为重要的工序之一。

6.2.2 焊剂清洗导入的目的

导入了助焊剂清洗的企业,大多以避免因助焊剂残渣引起的以下问题的发生为目的。

(1)接合不良

在后工序中进行引线接合或金倒装芯片接合的情况下,如果在金焊盘等电极上残留少量焊剂残渣的有机物覆膜,则不能确保必要的接合强度,接合不良的危险性变高。因此,重要的是完全清洗除去焊剂残渣。但是,根据清洗方法,由于清洗剂成分的残留或焊剂残渣成分的再附着等,反而成为使接合强度降低的原因,因此需要注意。

(2)树脂的涂布性・固化阻碍

在后续工序中,在焊接面上涂布底部填料、模塑树脂等的情况下,如果存在助焊剂残渣,则有时会因残渣中的金属皂、蜡类而阻碍树脂的润湿性,产生空隙,或因助焊剂中的胺化合物等而产生树脂的固化不良。

(3)焊球

虽然与焊剂残渣不同,但是除去由于印刷时或预热时产生的塌边或飞散而生成的焊球,除去漏电或短路等电不良。焊球的飞散是通过焊锡的急剧加热,焊剂中的溶剂成分(水分)的气体膨胀,焊剂与焊锡一起飞散而产生的。

(4)绝缘可靠性的降低

现状的焊剂大多是焊接后的焊剂残渣的绝缘可靠性高的焊剂,以绝缘可靠性的降低为理由进行清洗的事例少。但是,一部分使用水溶性助熔剂,该助熔剂残渣的吸湿性和金属腐蚀性高,如果不立即用温水等清洗、干燥,则不能确保绝缘可靠性。另外,根据水溶性助熔剂的不同,其焊接后的残渣不能用温水充分清洗,有时需要用适当的清洗剂进行清洗。今后,认为在无VOC的发展中,这样的事例增加。

(5)接点连接不良

由于焊剂残渣含有松香等绝缘体,因此有时附着在连接器等接点上,引起接触不良。但是,在连接器的接点部等盲路的形状中,若错误地进行清洗施工,则有时会因清洗而反而弄脏接点,因此需要注意。

(6)检查精度的降低

若接合部被焊剂残渣覆盖,则难以进行焊锡不良的气孔等的发现、焊锡的光泽、焊脚形状的确认等外观检查。如果焊剂残渣附着在电路测试器或功能测试器的Fixchair销上,则成为连接不良,使电气检查时的检查效率降低。

6.2.3 焊剂清洗本来的意义

由于上述各种理由,导入了焊剂清洗,但在安装现场,为了改善环境、降低成本,通过修正安装工序、焊接条件、改良焊剂等,经常进行无清洗化的研究。

但是,焊剂是具有与存在于接合金属表面的金属的氧化物、氢氧化物、碳酸盐等发生化学反应,使金属氧化物、金属络合物、有机酸金属皂等可熔·可溶性化合物变化,赋予流动性,从而促进与焊料的润湿性、合金形成的作用的活性极高的材料。此外,由防止露出的金属表面再氧化的松香等树脂构成,这些化学材料在焊接工序中剧烈地发生化学反应,对于超过200℃的有机物而言,暴露在极高的温度下,生成焊剂残渣。难以认为,这些焊剂残渣残留在印刷电路板上,能够维持电路设计者所期望的稳定的电特性、电路常数。另外,接合金属表面的氧化状态也根据部位或材质而不同,而且热传导率低的树脂部件以各种形态包围接合附近,还存在焊接时的加热状态的差异,难以使焊剂成分全部完全反应。另外,近年来,为了在由无铅化引起的焊接温度的高温化下维持助熔剂的活性,不得不提高活性度。另外,通过无卤化,代替微量且活性强的卤素成分,增加活性低的有机酸等活性剂成分的配合量,将焊剂残渣的电特性维持在印刷电路板的绝缘材料的水平是极其困难的。

另外,以焊剂极性比较低、介电常数也低的改性松香等树脂为基础,由极性高、介电常数也高的活性剂成分构成,焊接后的焊剂残渣也是介电常数不同的成分之间具有多个接触界面的混合体(图6.2.1)。进而,对应于近年来的高频、高速化的印刷电路板材料,谋求低介电常数化,在低介电常数电路板上的窄间距电路间,作为寄生电容存在可以称为电介质的助熔剂残渣,在置于交流电场的情况下,确认发生界面极化1)

今后,在高密度化、高速度化、高频化不断发展的过程中,只要焊剂残渣的电特性不能追随印刷电路板的电特性,就不应该残留在电路上,通过适当的清洗,确保本来的电路特性是重要的。

图6.2.1焊接后的焊剂残渣的成分

6.2.4 焊剂清洗剂的设计点

在设计助熔剂清洗剂时,需要满足以下的许多相反的要求和条件,在工业用清洗剂中也是需要高度的设计技术的领域。

①本发明提供一种印刷电路板,其在清洗工序前后不改变印刷电路板的电气特性。
②对于极性和溶解度参数(SP值)大不相同的复合成分即焊剂残渣,具有广范围的溶解性(图6.2.2)。
③不会对安装的电子部件等印刷电路板上的各种部件造成不良影响。
④在适当的作业环境下,可以确保对人和环境的安全。
⑤不符合使用限制严格的有关法令。
⑥优选液体劣化少、清洗寿命更长。
⑦优选可再循环的清洁剂。
⑧本发明提供一种能够进行稳定供给、能够抑制为能够导入的成本的燃料电池系统、燃料电池系统、燃料电池系统及燃料电池系统。

图6.2.2焊剂残余物的SP值

SP值:溶解度参数(SolubilityParameter)
表示物质的溶解性的指标,可以评价溶剂的共混性、润湿性、聚合物或生物高分子在液体中的溶解性。溶解度参数接近的物质之间具有容易混合的倾向。因此,SP值是判断溶质和溶剂的混合容易度的基准。

其中,②、②、③处于折衷关系,它们的并存在技术难易度极高的问题。特别是,考虑到化学物质的法令、限制得到强化,可使用的化学材料受到限制,从而不会影响印刷电路板上的多种部件,因此进一步受到限制。另一方面,由于焊料的无铅化、无卤化,焊剂残渣难溶化,需要提高清洗剂的溶解力。一般而言,溶解力高的材料的化学活性力也高,容易对生物、环境、构件产生影响。

另外,在焊剂残渣残存于部件下等狭窄间隙内的情况下,如果清洗剂的溶解力高,则焊剂残渣急剧膨胀,部件下成为高粘度液状,难以排出,反而存在无法清洗的事例。在这种情况下,不仅需要提高溶解能力,而且溶解能力低,但是需要设法添加降低体系整体粘度的助剂等。通过这样的多种清洗剂成分的配合技术,清洗剂设计中需要满足在确保对齿条残渣的溶解力的同时,抑制对印刷电路板部件的影响等相反的要求。但是,仅用清洗剂难以满足所有要求的安装方式也增加,与能够最大限度地发挥焊剂清洗剂的特长、抑制弱点的最佳清洗机的组合成为解决的重要的关键。

6.2.5 乙二醇醚系清洗剂

氟利昂全面废除,研究了多种氟利昂替代清洗剂,但是,目前,在日本的安装市场中的助熔剂清洗剂中,"木瓜蛋白酶α"、"间隙"、"微间隙"的使用实绩占大部分。这些助熔剂清洗剂的共同之处在于,主要成分为二醇醚类。

所谓乙二醇醚,虽然在6.1的金属掩模清洗剂的项中也提及,但是是是将作为二元醇的乙二醇的一侧的羟基或两侧的羟基醚化而成的结构,在工业上,是以丁醇等醇为起始原料,加成环氧乙烷(EO)或环氧丙烷(PO)而合成的。工业生产的二醇醚的一部分如表6.2.1所示。

表6.2.1 工业生产的二醇醚的一部分
  化学名称 简称 沸点
1013hPa(°C)
闪点(℃)
E.O.体系 二甘醇
单丁基醚
BDG 230.6 120
三甘醇
单丁基醚
BTG 271.2 156
乙二醇
单异丁基醚
iBG 160.5 56.5
乙二醇
单己基醚
HeG 208.0 102
二甘醇
单己基醚
HeDG 259.1 141
P.O.体系 丙二醇
单甲醚
PGM 121.0 32
二甘醇
单甲醚
MFDG 187.2 76.5
プ丙二醇
单丙醚
PFG 149.8 48.5
二丙二醇
单丙醚
PFDG 212.0 108
丙二醇
单丁基醚
BFG 170.2 61.5
二丙二醇
单丁基醚
BFDG 230.6 117
丙二醇
单甲醚
乙酸酯
PMA 146.0 48
二烷基二醇醚 二甘醇
二甲醚
DMDG 162.0 56
三甘醇
二甲醚
DMTG 216.0 113
二甘醇
乙醚
DEDG 188.9 70.8
二甘醇
二丁基醚
DBDG 254.6 122
其他 3-甲氧基-3-甲基-1-丁醇 MMB 174.0 68
3-甲氧基-3-甲基-1-丁基乙酸酯 MMB-Ac 188.0 75.5

(注:沸点、闪点根据制造商的不同而稍有不同)

二醇醚在分子内兼具极性和非极性的双特性,另外,通过多种二醇醚的组合,可以设计成对具有宽范围的SP值的焊剂残渣具有最佳的溶解性。另外,二醇醚本身具有闪点,相当于消防法危险物,但通过与水混合,也可以设计不相当于消防法危险物的清洗剂。进而,与水溶解的二醇醚具有在升高温度时不溶于水的浊点,利用该特性,作为分离除去冲洗水的洗涤剂成分而再利用水的油水分离型的洗涤剂而实用化。

乙二醇醚的问题在于,在高温下容易氧化分解。特别是作为助熔剂清洗剂使用时,在与助熔剂中的有机酸共存下促进氧化分解(图6.2.3),生成甲酸等有机酸,其进一步加速分解(4)。另外,由于有机酸的产生引起印刷电路板上的金属腐蚀、迁移等品质不良,因此在使用乙二醇醚的情况下,需要配合最佳的抗氧化剂,设计清洗剂以使其在通常的使用环境下不氧化分解。

图6.2.3二醇醚的氧化分解

6.2.6 与冲洗方式相应的清洗剂设计

由于二醇醚系清洗剂由安全方面、高闪点且高沸点的成分构成,因此很多情况下难以干燥除去清洗剂本身,一般是用干燥性高的冲洗剂置换清洗剂并干燥的工序。另外,由于印刷电路板需要更完全地溶解除去最不容易残留的离子性物质,因此作为二醇醚系清洗剂的冲洗剂,最适合使用水或混合了水和醇的含水醇。

水在安全方面、环境方面是最佳的冲洗剂,但与二醇醚类相比,表面张力高,向部件下等狭缝的渗透性低,因此难以追随清洗剂进行置换。另外,由于焊剂残渣的大部分成分几乎不溶解于水中,因此在溶解于洗涤剂中的焊剂残渣与漂洗水接触的瞬间,不溶成分析出,再次附着于被洗涤物。这些问题可以通过在清洗剂中配合表面活性剂等来解决,但根据表面活性剂的种类,冲洗水容易起泡,产生的泡阻碍冲洗,成为引起因冲洗不足而引起的清洗不良的主要原因。另外,表面活性剂由于其功能而容易吸附残留在印刷电路板表面,赋予吸湿性,因此有时引起电路的介电损失5)。另外,水还存在对电路或电子部件的金属的腐蚀性高、容易被微生物污染等问题,在充分考虑这些问题的基础上,需要设计适当的清洗剂。

从环境方面、安全方面考虑,实用化的含水醇以作为酒精的乙醇为主要成分,通过强配合40重量%的水,成为不符合消防法危险物的配合。含水醇具有以下优点:①比乙二醇醚系清洗剂表面张力低、漂洗性高;②助熔剂残渣析出物的再附着少;②清洗剂中不需要添加表面活性剂,清洗前后回路特性不变;②干燥性与IPA同等,比水良好;②几乎没有金属腐蚀性;②有杀菌性,难以微生物污染等,能够解决许多水问题。但是,含水酒精不属于消防法的危险物,但与威士忌等饮料用酒精同样,由于具有易燃性,因此需要仅在充分考虑了安全的洗净机中使用(6)

6.2.7 助焊剂清洗剂的今后课题

多芯片模块部件等要求更高功能、高性能且小型化的电子电路、电子部件等,由于需要确保密集的电路上的电路特性、可靠性,因此不允许焊剂残渣等微小的异物的残留。因此,认为今后焊剂清洗的重要度越来越高。同时,在不可避免地降低能源、环境负荷中,还要求对环境的排放、影响更小的物质。

对于这些要求,不仅要用清洗剂解决,而且要想设计清洗方式或与清洗机并用等,重要的是总体捕捉清洗并构筑清洗工艺。

〈红松悠纪/horu 熏夫〉

参考文献

1)濑田规:~印刷电路板的~确立可靠性的后开发技术、三元组、(1993)
2)工业调查会:即用清洗技术、工业调查会(2001)
3)日本产业清洗协议会:产业清洗剂清单[2009年度版]、日本产业协议会、(2009)
4)玲剂:即用清洗技术,工业调查会,(2001),p.273
5)寺泽精朋:~印刷线路板的~确立可靠性的后氟利昂技术,Trickeps,(1993),p.85
6)玲剂:即用清洗技术,工业调查会,(2001),p.335

第2节印刷电路板安装用设备

2.8 清洗机

首先

所谓清洗,是将附着在被清洗物上的不需要物(污垢)分离除去到能够表现、维持被清洗物本来的特性、品质的水平的操作。也有不使用液体的干式清洗,但在此,限于使用清洗剂的湿式清洗,称为"清洗"。

另外,生产工序中的清洗机是指,为了更有效地发挥对清洗剂的污垢的湿润、浸透、溶解、剥离、扩散、分离等物理化学作用,实现品质目的和生产目的,设计最佳的清洗工艺,并作为机械装置而具体化的清洗机。

因此,在设计或导入清洗机时,需要熟悉污垢的形态、性状、被清洗物的特性、形状、清洗剂的性状,明确被清洗物的要求品质水平。特别是在要求品质水平高的印刷电路板用中,需要分别设计清洗工艺,由于使用具有实际效果的清洗剂,所以不会发生问题,因此,很多情况下容易引入通用的清洗机,不能确保品质,失败。由于这样的失败,有时会错误地认识到"清洗工序反而导致品质恶化",但全部都是对清洗工序设计的甜头结果。

在本发明的前半部分中,关于在设计焊剂清洗的工艺上的基本事项,在后半部分中,对在安装工序中具有实际成绩的代表性的清洗系统和清洁度管理的实施例进行说明。

2.8.1 清洗工序的设计

关于成为清洗对象的焊剂残渣和焊剂清洗剂,在第3章第6节2中记载,在本文中省略,以选定最佳的清洗剂为前提,对以下的清洗工序进行说明。

清洗工序是利用清洗剂通过湿润、浸透、溶解、剥离、扩散将焊剂残渣从被清洗物有效地分离的工序。

即使仅在清洗剂中浸渍被清洗物,也能够除去助熔剂残渣,但到完全除去为止需要庞大的时间,不适于生产目的。因此,清洗工序设计的第一步是通过加热清洗剂、赋予液流或超声波的物理作用等来谋求缩短清洗时间。另外,明确控制清洗工序的因素,为了不产生清洗品质的偏差,进行与被清洗物的安装结构对应的装置设计是重要的。

清洗速度影响焊剂残渣的溶解速度和溶解在清洗剂中的焊剂残渣的扩散速度。对焊剂残渣的溶解力取决于清洗剂,但是为了维持清洗剂的溶解力、提高清洗速度,需要提高扩散速度。

这里,作为扩散的基本定律的Fick的第一定律如下所示。

Dm/dt=-D・A・dc/dx
D:扩散系数
(负号表示扩散向浓度降低的方向发生)。

在Fick的第一定律中,描述了在时间dt内在面积A的一部分上在x方向上扩散的材料的质量dm与该平面中的浓度梯度dc/dx成比例1)

即,
"扩散速度"="扩散系数"×"浓度梯度"
另外,由于浓度梯度越高,扩散速度越高,因此促进接触界面的液体更新,维持高的浓度梯度与提高清洗速度有关。

在清洗机中,作为用于通过液流在短时间内连续地更新接触界面的液体、提高扩散速度的方式,有利用泵使清洗槽内的液体循环的循环喷流方式、和不使泵的喷出和吸入的能量散失、而使清洗剂从一定方向强制地直接通过被清洗物的直通式清洗方式。

直直通式清洗方式是通过使被清洗物密集而能够通液的面积变窄,从而增大流速而提高间隙的清洗效率的方式2)。对于倒装芯片(Flip Chip)安装等要求窄间隙的清洗性的基板、比较平坦的基板,优选直通清洗方式。另一方面,在搭载多种多样的部件且具有复杂的表面的印刷电路板中,如循环喷流方式那样利用紊流效果从多个方向提供界面流动,清洗性没有偏差,因此优选。另外,在进行少量多品种的清洗的情况下,直通式清洗方式需要配合被清洗物的形状变化,准备多个专用铲斗。

在循环喷流清洗方式中,湍流的产生成为用于提高清洗效果的主要原因,但在清洗效果中出现显著的拐点的是远高于临界雷诺数的区域(Re=26,000以上)。(图2.8.1)需要决定循环量和循环流速,以使得成为能够得到湍流效果的适当的雷诺数区域。

图2.8.1雷诺数与清洁效果的关系

焊剂残渣的清洗不仅是除去表面可见的残渣,而且离子性残渣的除去、外观检查困难的部件下的焊剂残渣的除去也很重要。如近年来的倒装芯片安装所代表的那样,部件下的间隙50μm以下也被制品化,预想今后间隙进一步变窄。由此,堵塞在部件下的焊剂残渣与清洗剂接触的开口面积变小,朝向更难以进行清洗的方向。即使是相同的焊膏、相同的回流条件的焊剂残渣,根据搭载的部件的大小和种类,清洗的难易度也不同。对于搭载多种多样的部件且具有复杂表面的印刷电路板的清洗,选定最需要清洗时间的代表安装部件,需要设定该部件的清洗条件。特别是在零件下,由于如果不进行清洗后的破坏检查就不能确认,所以需要安全率高的条件设定,需要定量地把握清洗速度,正确地把握偏差。

附着在以往的电路表面上的焊剂残渣的清洗,上述扩散速度的贡献大,部件下的清洗,溶解速度的贡献大。扩散速度和溶解速度的机理不同,但扩散系数D和溶解反应速度式的速度常数k可以用与Arrheniusu的式子相同的形式表示,由下式表示的3)

D=Aexp(-E/RT)
kk=Aexp(-E/RT)
D:扩散系数A:与温度无关的常数(频率因子)
E:活化能(阿伦尼乌参数)
R:气体常数
T:绝对温度

由上式可知,清洗温度越高,扩散系数、溶解速度成比例地变大,清洗速度提高。此外,在洗涤工序中溶解固体的焊剂残渣时,通过提高洗涤温度使焊剂残渣软化,可以赋予界面流动的效果。

图2.8.2表示无铅焊膏的焊剂残渣中的洗涤温度与溶解时间的关系。如果使物理条件(机械条件)恒定,测定清洗时间,则能够掌握清洗速度。

图2.8.2无铅焊膏的焊剂残渣中的洗涤温度与溶解时间的关系
(回流条件:250℃×2分钟)

在焊剂残渣的清洗工序中,不仅需要选定溶解力高的清洗剂,而且还需要基于清洗方式的热力学的系统设计。表2.8.1中总结了焊剂清洗中使用的一般清洗方式的特征和注意点4),但适当的清洗剂、清洗方式的选择对于确保精密清洗的品质是不可缺少的。

分类 名称 特征 注意点
浸洗 循环射流
清洗
使液体在洗涤槽内泵送循环,使污垢扩散。通过改变泵的送液压力、喷出口的形状,能够提高清洗性。对被清洗物的物理影响小。 根据槽内的位置、清洗物的固定方法,有时在清洗性上出现不均。窄间隙的清洗性差。
直通式
清洗
利用产品或夹具等使大流量的清洗剂减少间隙,强制地直接通过被清洗物的方式。由于不使泵的排出和吸入的能量散失,能够有效地向被清洗物传递,所以间隙的清洗性优异。 如果不使被清洗物密集在清洗斗内,则不能得到效果,根据形状的不同,有时也不合适。铲斗也需要下功夫。不适合少量多品种的清洗。大型的装置较多。
超声波
清洗
通过在清洗剂中照射超声波时产生的气穴的作用进行清洗。本发明的目的在于促进使污垢从被清洗物剥离或分散的作用。焊球、细粒子的除去性、狭窄的间隙的清洗性优异。 由于清洗槽内的气蚀效果能够强弱,因此需要使被清洗物摇动而实现清洗性的均匀化。由于超声波具有直进性,因此若重叠被清洗物,则受到阻碍,效果变弱。铝等柔软的材质有可能引起侵蚀,因此根据部件不能适应。对清洗液进行脱气时,清洗效果更强。
真空清洗
(减压洗涤)
当将被清洗物浸渍在密闭容器内的清洗剂中,对容器内进行减压时,被清洗物的狭小间隙的空气被脱气,清洗液侵入。复杂形状的被清洗物的清洗性优异。如果并用超声波清洗,则可以得到更高的清洗效果。 增加设备费用。由于反复进行常压状态和减压状态,所以处理时间比较长。密封条件取决于清洁质量。
非浸渍清洗 淋浴
清洗
在低压下从喷嘴喷出清洗剂,用少量的清洗剂冲洗某种程度的广域的方式。通过并列设置或移动多个喷嘴来扩大清洗的面积。 不适合发泡性高的清洗剂、易燃性高的清洗剂。由于成为喷雾的阴影的部分不能得到充分的效果,因此需要在整体上下功夫。
喷雾
射流
清洗
以高于喷淋的高压从喷嘴高速喷射清洗剂,与被清洗物接触,用于利用流体的冲击力除去固着在表面上的污垢。 不适合发泡性高的清洗剂、易燃性高的清洗剂。与淋浴同样,阴影部分不能得到充分的效果,因此需要对整体下功夫。
蒸汽清洗 使清洗剂蒸气凝结在被清洗物表面,除去附着的污垢。在无杂质的蒸馏液中得到与漂洗同样的效果,用于精洗。如果在被清洗物的表面温度与蒸汽温度相等时取出,则也能够进行干燥。 在使用闪点低的清洗剂的情况下,在装置中需要防爆设备。为了防止溶剂蒸气的损失,需要在清洗槽的上部设置冷却管。不适合比热少的被清洗物。

2.8.2 冲洗工序的设计

安装工序中使用的助熔剂清洗剂大多为沸点200℃以上的物质,将清洗剂直接干燥是不现实的。因此,需要使用可干燥且离子性物质的除去性高的水、混合有水和醇的含水醇等作为漂洗剂,溶解·扩散高沸点且助熔剂残渣浓度高的洗涤剂,最终置换为清洁的漂洗剂的漂洗工序。

在批量生产清洗中的冲洗工序中,从清洗槽连续地带入助熔剂残渣和清洗剂,冲洗剂中的清洗剂和助熔剂残渣的浓度上升,由此,冲洗性降低、污垢向被清洗物的再附着、干燥不良、干燥后的污垢残留成为问题。因此,在印刷电路板那样的精密清洗中的冲洗工序中,通常采用从清洗剂及助熔剂残渣的浓度高的槽向低的槽阶段性地进行冲洗清洗的方法。即使在清洗工序中能够除去助熔剂残渣,如果在最终漂洗工序中不能进行污垢浓度的管理,则有可能导致清洗品质降低。因此,需要明确被清洗物的要求品质,确定最终漂洗槽的污垢浓度的界限值,始终监测最终漂洗槽的污垢浓度并进行管理运用。

作为冲洗工序的管理项目,以下列举必要的项目。

(1)电导率(电导率)

由于助熔剂残渣中含有大量来自胺卤盐、有机酸等活性剂的离子性物质,因此作为最终冲洗槽的管理基准,标准地使用电导率。离子性物质越多,电导率越高,通过观察水或含水醇中的电导率变化,能够管理漂洗液的污染状态。

一般而言,水的电导率为20μS/cm以上时,容易引起电化学反应,存在金属变色或腐蚀的危险性。另外,离子性表面活性剂容易析出,通过离子性表面活性剂而增溶或分散的微溶或不溶于水的助熔剂残渣成分发生不溶化,再附着的可能性提高5)

在含水醇的情况下,由于以在醇内包围水分子的方式形成团簇结构,因此不产生成为腐蚀或锈的原因的H+离子,几乎看不到金属腐蚀。此外,微溶于水或不溶于水的助熔剂残渣成分也可溶于醇,因此再次附着的可能性也低6)。但是,精密清洗中的清洗后的品质最重要的不仅是外观上出现的腐蚀和再附着,而且不改变电路特性,需要根据所要求的清洗品质来设定电导率。

(2)液温

在冲洗剂中使用水的情况下,随着水温的上升,水的电阻率值降低,因此即使是相同的水,冲洗温度越高,导电率越上升,容易引起金属的腐蚀。

在含有40重量%以上的水的含水酒精的情况下,不属于消防法的危险物,但与威士忌等饮料用酒精同样,由于具有易燃性,因此需要附带冷却设备等,以便能够将液温维持在易燃点以下。

(3)洗涤剂和助熔剂残渣的浓度

如果水、含水醇均使最终漂洗槽的清洗剂和助熔剂残渣的浓度上升,则产生干燥不良、干燥后的污点残留等品质不良。因此,对于长时间的使用,重要的是估算污垢浓度的饱和点处的清洗的物质平衡,进行包括再生、回收在内的最适合于运行的装置设计。

(4)水分浓度

在使用含水醇作为漂洗剂的情况下,需要进行水分浓度的管理。在通常使用下,沸点低的醇成分挥发,水分浓度上升。随着水分浓度的上升,漂洗性、干燥性有可能降低。关于水分浓度的管理,可以使用折射计进行管理。

2.8.3 干燥工序的设计

湿式清洗中的干燥工序是使附着在被清洗物上的漂洗剂蒸发,因此漂洗剂优选蒸发速度(蒸气压)高,但对被清洗物的物性或形状有贡献的地方也大。

干燥方式是将以下的物理方式单独或复合而构成的。

①将被清洗物周围的含有冲洗剂蒸气的气体用不含该气体的气体置换,降低蒸气浓度,提高蒸发速度的方式。(例:循环风干燥、鼓风机干燥)

②加热附着在被清洗物上的冲洗剂,提高冲洗剂的蒸气压,促进蒸发的方式。(例:循环风干燥)

③施加物理力将冲洗剂从被清洗物上拉开的方式。(实施例:抽吸干燥、旋转干燥

④将被清洗物周边的气氛减压至冲洗剂的蒸气压以下,提高蒸发速度的方式。实施例:真空干燥

⑤将蒸发潜热小的溶剂用作置换干燥剂,在饱和蒸气中使被洗涤物干燥的方式。实施例:蒸发干燥

在印刷电路板的清洗中,由于冲洗剂的附着量相对于被清洗物的大小相对较少,因此被清洗物的传热速度大多限制干燥。印刷电路板大多使用环氧树脂、聚酰亚胺树脂、特氟隆树脂等树脂材料作为绝缘体,需要设计提高向这些物质的传热速度的装置。

作为传热的基本法则的Fourier的法则也是,由传热产生的单位时间的传热量dq/dt与与与热流的方向垂直的物体的面积A及热流方向的温度梯度dT/dx成比例,用与上述Fick的第一法则相同的形式表示的7)

Dq/dt=-λ・A・dT/dx
λ:导热率

表2.8.2表示各种材料的热传导率,但环氧树脂等树脂材料与金属类相比为100分之1以下。因此,在印刷电路板的干燥中,需要通过作为传热的介质的空气的强制对流来提高传热速度。在循环风干燥的情况下,需要根据实验决定风速、风量的最佳值。在真空干燥中,由于没有空气(气体)的对流,因此需要利用辐射或传导的传热来提高传热速度的对策。

表2.8.2热导率κ
物质 κ(W/m・°C)
420
398
320
236
86
65
35
氧化铝 21
不锈钢 18
铅玻璃 0.6
特氟隆 0.5
聚乙烯 0.4
硅橡胶 0.2
环氧树脂
双酚A型
0.2

2.8.4 回收・净化工序的设计

即使规定清洗机中的管理基准,也必须始终使清洗剂、漂洗剂的污垢浓度在管理基准值以下来运用。由于被清洗物的表面附着,焊剂残渣或异物等被带入下一工序,因此,如果没有异物的回收或净化清洗剂·漂洗剂的机构,则长时间的连续使用不能得到稳定的清洗品质。在清洗系统中,这些回收·净化机构变得重要,不仅对清洗品质有很大影响,而且对运行成本和环境负荷有很大影响。

作为回收·净化机构的代表性例子,可以举出以下。

(1)利用过滤器回收异物

是通过过滤器捕集混入到清洗剂、冲洗剂中的焊球、焊剂残渣的析出成分、基板碎屑等固体异物、或通过吸附回收可溶化或分散在冲洗剂中的离子性物质或有机物的方法。

在焊球等固体异物的捕集中使用树脂制的无纺布的过滤器,根据捕集的对象的大小决定孔径。有时在装置内的循环管路上安装全量过滤,有时设置旁通过滤。在全量过滤的情况下,能够使液体全量通过过滤器,但根据过滤器的孔径、捕集程度,压力损失变大,液流降低,清洗品质降低,对喇叭施加大的负荷。在设置旁通过滤的情况下,由于全量过滤那样的压力损失引起的液流降低、对泵的负荷的担心少,但需要考虑过滤流量和槽内的液滞留时间来进行设计(泵选定)。

另外,用离子交换树脂吸附增溶或分散在冲洗剂中的离子性物质,用活性炭吸附有机物。如上所述,特别是在将水用于冲洗剂的情况下,离子性物质浓度上升,如果导电率变高,则容易产生金属腐蚀或再附着。另外,如果大量混入有机物,则会导致干燥不良或斑点,因此能够通过过滤器分别防止,延长冲洗剂的寿命。

但是,这些过滤器具有饱和吸附量,需要定期的更换管理。

(2)通过油水分离回收洗涤剂

在冲洗剂中使用水的情况下,有如下方法:设置与冲洗槽不同的槽,进行静置分离或机械分离,从冲洗水中分离回收使冲洗性降低的清洗剂成分·助熔剂残渣成分(油分)。除去油分而得到的水分作为预冲水再利用,因此能够降低排水负荷。但是,根据清洗剂的种类的不同,有时不能进行油水分离。

(3)洗涤剂的蒸馏再生

在烃系清洗剂等单液型清洗系统中,作为清洗剂的净化,经常使用蒸馏再生。通过蒸馏再生,回收不挥发性的焊剂残渣,将洗涤剂中的焊剂残渣浓度抑制为低浓度,能够确保稳定的洗涤性。以往,能够进行连续蒸馏再生的洗涤剂限于单一成分或共沸混合体系,在沸点不同的混合溶剂的情况下,一般是按每批进行全部蒸馏的体系。另外,如果混入水,则由于沸点差而产生突沸,存在蒸馏时的气液平衡的平衡变差等问题,因此,蒸馏再生的对象的洗涤剂限于不含水的溶剂系。

但是,适合于作为极性不同的成分的混合物的助熔剂残渣的助熔剂清洗剂多数不适合这些条件,不能连续蒸馏再生。针对该课题,近年来,还新提出了附带有非共沸系溶剂或含水系溶剂且适于助熔剂残渣的洗涤剂的连续蒸馏再生机构的洗涤系统8)

(4)漂洗剂的蒸馏再生

在将含水醇用于漂洗剂的洗涤系统中,有通过连续蒸馏再生来回收不挥发性的助熔剂残渣和高沸点的洗涤剂的方法。通过蒸馏再生,最终冲洗槽总是成为清洁的液体,能够确保稳定的冲洗性、高清洁度。由于含水醇是水和醇的蒸气压不同的非共沸体系,因此为了使成分比一定而进行连续蒸馏再生,在熟悉气液平衡的基础上需要装置制造商的技术。

2.8.5 典型的清洁系统

以下表示在安装工序中使用实绩多的代表性的焊剂清洗系统的结构。(图2.8.3)

图2.8.3 各洗浄システムの一般的な槽構成

(1)水平系统清洗系统

使用以乙二醇醚为主成分、添加了表面活性剂和水的清洗剂,冲洗剂使用水的系统。作为基本槽结构,成为清洗、预冲洗、精冲洗、干燥的4个槽(根据需要也有增加清洗槽或冲洗槽数的情况)。为了维持精加工冲洗水的清洁性,附带有粒状活性炭、离子交换等设备、用于防止由杂菌引起的微生物污染的UV杀菌装置等。还需要排水设备,大型的清洗装置多。虽然也取决于清洗剂的种类,但通过附带油水分离装置,能够降低排水负荷。洗涤剂含有VOC成分,但由于在漂洗剂中使用水,因此干燥时挥发的VOC量为零。

(2)水醇冲洗系统

使用以乙二醇醚、高级醇为主成分的清洗剂,冲洗剂使用含水醇的系统。基本槽结构与水平系统清洗系统相同。与水准系清洗系统不同,冲洗剂进行连续蒸馏再生,因此可以大幅度削减废液量。通过利用蒸馏再生和离子交换树脂切断污垢成分,能够利用清洁的冲洗剂进行整理冲洗,因此品质也稳定。通过含水醇的杀菌力和蒸馏再生,不需要微生物对策和排水设备等,与准水系清洗系统相比,附带设备也少,能够使清洗机小型化。

图2.8.4焊剂清洗机

(3)烃类洗涤系统

用烃系清洗剂清洗后,为了确保离子性物质的除去性,有用IPA进行冲洗的系统,或者用使用了在烃中混合了二醇醚的清洗剂的一液进行清洗的系统。

后者为主流,作为基本的槽结构,成为粗洗涤、精洗涤、干燥的3个槽,大多附带有蒸馏再生器。为了以一液完成工序,使用沸点比较低的清洗剂,需要防爆设备等安全方面的充分的对策。

(4)共溶剂清洁系统

使用以烃类溶剂或乙二醇醚类溶剂为主成分的洗涤剂,将不燃性且干燥性好的氟类溶剂用于漂洗剂的系统。虽然能够削减干燥时的热量,但VOC成分为100%,在开放型中环境方面的影响大,另外,氟系溶剂价格高,因此密闭型装置主要减少大气排放。

2.8.6 焊剂清洗机的清洁度管理9)10)

在此,以下表示使用乙二醇醚系清洗剂和含水醇系冲洗剂,能够连续蒸馏再生冲洗剂的助熔剂清洗机(图2.8.4)中的清洁度管理的实施例。

助熔剂清洗机以用JIS2型梳型电极测定的电极表面的介电损失(tanδ)为管理基准,根据混入的助熔剂残渣等的浓度与电极的tanδ的相关来决定冲洗剂的管理浓度(纯度)(图2.8.5)。另外,作为现场的管理,根据混入的焊剂残渣等的浓度和导电率的相关性(图2.8.6),设计成能够进行电导率计中的冲洗剂的浓度管理。

图2.8.5 冲洗剂中的清洗剂(含有助熔剂残渣10wt%)浓度和清洗后基板的加湿引起的介质损耗角正切增加量
图2.8.6 リンス剤中における洗浄剤(フラックス残渣10wt%を含む)濃度と電気伝導率の関係

在批量生产清洗中,由于连续地清洗大量的工件,因此,对于长时间的使用,估算污垢浓度饱和这一点上的清洗的物质平衡,进行包括最终冲洗槽的浓度管理、再循环在内的最佳的装置设计是特别重要的。

从图2.8.7所示的焊剂清洗机的流程图可知,如果清洁度的管理基准明确,则必然能够使各工序最佳化。

图2.8.7焊剂清洗机

今后的展望

焊剂清洗机要求在维持高清洗质量和生产效率的同时,对环境影响更小的焊剂清洗机。而且,需要满足装置的小型化、低成本化、用少量的清洗剂高效率的清洗方式、再循环系统、装置整体的封闭化等安装现场的要求。

在实现这些清洗机时,重要的是,清洗后的可靠性评价技术、清洗剂的设计技术、清洗机的装置设计技术三者不是分别构筑、设计清洗系统,而是用相同的袋子构筑、设计清洗系统。

〈赤松悠纪〉

【参考文献】

1)D.J.SHAW著、北原文雄、青木幸一郎共译:与胶体界面的化学、广川书店、(1978)、p.21
2)前野纯一:生产技术实用化便览、工业调查会、(2000)、p.865
3)GordonM.Barrow著,藤代亮一译:Barroh 物理化学,东京化学同人,(1981),p.644
4)平冢丰:即用的清洗技术、工业调查会、(2001)、p.33
5)前野纯一:产业清洗,No.5,(2010),p.12
6)玲剂:即用清洗技术,工业调查会,(2001),p.335
7)藤田重文:化学工学I,岩波书店,(1977),p.50
8)红松悠纪:电子材料,7月号别册,(2009),P.90
9)Hirowishi,高桥久和:表面安装技术,9月号,(1983),p.30
10)高桥久和:生产技术实用化便览、工业调查会、(2000)、p.859

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