对电路板进行正确的超声波清洗.pdf

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1、如何对电路板进行正确的超声波清洗 林伟成 (中国电子科技集团公司第 38研究所, 安徽 合肥 230031) 摘 要: 超声波清洗技术在国外是一种很成熟的清洗技术, 广泛应用于机械、 电子等领域。焊 接后电路板的清洗是其中很重要的一个应用。国内在这方面的应用也较为普遍, 但是, 不能不说, 很多厂家并没有搞清超声波清洗的基本原理, 因此, 在应用超声波清洗技术时存在十分不规范的一 面, 介绍了超声波清洗技术的基本原理, 并对正确的超声波工艺提出了自己的建议。 关键词: 超声波; 清洗; 电路板 中图分类号: TN605 文献标识码: A 文章编号: 1001- 3474( 2005) 02-

2、0088- 04 How to Clean PCB ProperlyW ith Ultrasonic LIN W ei- cheng (CETC No . 38 Research Institute , H efei 230031 , China) Abstract : U ltrasonic cleaning technology is amature technology outside the country , is applied wide2 ly in the fields ofmechanics , electronics industries. The cleaning ofP

3、CB after soldering is one of the i m2 portant applications , it is a co mmon application inside the country too . Butwe have to say thatmany facto2 ries donct kno w ho w to clean , so they oftenmake manymistakeswhen they are applying ultrasonic clean2 ing technology . Introduce the fundamental theor

4、y of ultrasonic cleaning technology and provide so me ad2 vices on how to clean properly . K ey words: Ultrasonic ; Cleaning ; PCB Document Code : A Article ID: 1001- 3474( 2005) 02- 0088- 04 超声波清洗技术在国外是一种很成熟的清洗技 术, 广泛应用于机械、 电子等领域。焊接后电路板的 清洗是其中很重要的一个应用。国内在这方面的应 用也较为普遍, 但是, 不能不说, 很多厂家并没有搞 清超声波清洗的基本原理

5、, 因此, 在应用超声波清洗 技术时存在十分不规范的一面, 甚至和超声波清洗 的原理完全相悖。有些厂家, 名义上用的是超声波 清洗, 实际上只是作为一个普通的浸泡清洗槽来使 用, 由于超声波清洗工艺不合理, 根本无法将电路板 清洗干净。不仅没有发挥超声波清洗清洗质量好、 清洗效率高的优点, 相反, 有可能对电路板及其元器 件造成损伤。 1 超声波清洗原理 超声波和其它声波一样, 是一系列的压力点, 即 一种压缩和膨胀交替的波。如果声能足够强, 液体 在波的膨胀阶段被推开, 由此产生气泡; 而在波的压 缩阶段, 这些气泡就在液体中瞬间爆裂或内爆, 产生 一种非常有效的冲击力, 特别适用于清洗。这

6、个过 程被称做空化作用。 超声波清洗正是基于空化作用, 即在清洗液中 无数气泡快速形成并迅速内爆。由此产生的冲击将 浸没在清洗液中的工件内外表面的污物剥落下来。 随着超声频率的提高, 气泡数量增加而爆破冲击力 减弱, 因此, 高频超声特别适用于小颗粒污垢的清洗 作者简介: 林伟成 ( 1967-), 毕业于华中理工大学, 高级工程师, 长期从事电子装联工作。 88 电 子 工 艺 技 术 Electronics ProcessTechnology 第 26卷第 2期 2005年 3月 而不破环其工件表面。 从理论上分析, 爆裂的空化泡会产生超过 68 . 9 MPa的压力和 11 000 e

7、的高温, 并在其爆裂的瞬间 冲击波会迅速向外辐射。单个空化泡所释放的能量 很小, 但每秒钟内有几百万的空化泡同时爆裂, 累计 起来的效果将是非常强烈的, 产生的强大的冲击力 将工件表面的污物剥落, 这就是所有超声清洗的特 点。如果超声能量足够大, 空化现象会在清洗液各 处产生, 所以超声波能够有效清洗微小的裂缝和孔。 空化作用也促进了化学反应并加速了表面膜的溶 解。然而只有在某区域的液体压力低于该气泡内气 体压力时才会在该区域产生空化现象, 故由换能器 产生的超声波振幅足够大时才能满足这一条件。产 生空化所需的最小功率被称做空化临界点。不同的 液体存在不同的空化临界点, 故超声波能量必须超 过

8、该临界点才能达到清洗效果。也就是说, 只有能 量超过临界点才能产生空化泡, 以便进行超声清洗。 气泡是在液体中施加高频 (超声频率 )、 高强度的声 波而产生的。因此, 任何超声清洗系统都必须具备 三个基本元件: 盛放清洗液的槽、 将电能转化为机械 能的换能器以及产生高频电信号的超声波发生器。 2 超声波清洗的优点 2 . 1 高精度 由于超声波的能量能够穿透细微的缝隙和小 孔, 故可以应用于任何形状、 任何复杂程度电路板的 清洗。被清洗电路板如果比较复杂时, 有一些普通 方法难于清洗的缝隙和开孔。超声清洗往往成为能 满足其特殊技术要求的唯一的清洗方式。 2 . 2 快速高效 超声清洗相对常规

9、清洗方法在电路板除尘除垢 方面要快得多。超声清洗可节省劳动力的优点往往 使其成为最经济的清洗方式。 2 . 3 一致性好 无论被清洗电路板是大是小, 简单还是复杂, 单 件还是批量或在自动流水线上, 使用超声清洗都可 以获得手工清洗无可比拟的均一的清洁度。 3 超声波清洗的工艺参数 超声波清洗有几个重要的工艺参数: 频率、 功 率、 时间、 清洗溶剂、 电路板的放置方式、 超声波强 度。错误的超声波清洗工艺也正是在这几个问题上 没有真正掌握。 3 . 1 频率的重要性 当工作频率很低 (在人的听觉范围内 )就会产 生噪音。当频率低于 20 k H z时, 工作噪音不仅变得 很大, 而且可能超出

10、职业安全与保健法或其他条例 所规定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢 而不用考虑工件表面损伤的应用中, 通常选择从 20 k H z 30 k H z的较低清洗频率。该频率范围内的清 洗频率常常被用于清洗大型、 重型零件或高密度材 料的工件。高频通常被用于清洗较小、 较精密的零 件, 或清除微小颗粒。高频还被用于工件表面不允 许损伤的应用。使用高频可从几个方面改善清洗性 能。随着频率的增加, 空化泡的数量呈线形增加, 从 而产生更多更密集的冲击波使其能进入到更小的缝 隙中。如果功率保持不变, 空化泡变小, 其释放的能 量相应减少, 这样有效地减小了对工件表面的损伤。 高频的另一个优势在于减

11、小了黏滞边界层 (泊努里 效应 ), 使得超声波能够 发现 极细小的微粒。这种 情况近似于小溪中水位降低时可以看清溪底的小石 子。 电路板上由于有各种元器件甚至是比较娇贵的 器件, 而且电路板表面凹凸不平, 有许多细小的狭 缝, 因此电路板的清洗当然必须采用较高频率。国 外资料建议频率在 33 k H z 66 k H z 。但现实中有人 认为, 频率越高越容易对电路板造成损伤, 而低频往 往是安全的, 这是完全错误的观点。 3 . 2 化学溶剂的选择 考虑到清洗液的物理特性对超声清洗的影响, 其中蒸汽压、 表面张力、 黏度以及密度应为最显著的 影响因素。温度能影响这些因素, 所以它也会影响

12、空化作用的效率。 选择清洗液时, 应考虑以下四个因素: ( 1)清洗 效率: 通过做实验选择最有效的清洗溶剂。 ( 2)操 作简单: 所使用的液体应安全无毒、 操作简单且使用 寿命长。 ( 3)成本: 最廉价的清洗溶剂的使用成本 并不一定最低。使用中必须考虑到溶剂的清洗效 率、 安全性、 一定量的溶剂可清洗多少工件、 利用率 最高等因素。当然, 所选择的清洗溶剂必须达到清 洗效果, 并应与所清洗的工件材料兼容。水为最普 通的清洗液, 故使用水基溶液的系统操作简便, 使用 成本低, 应用广泛。然而对于某些材料以及污垢等 并不适用于水性溶液, 那么还有许多溶剂可供选用。 其中性价比相对较高的有酒精

13、溶剂。 ( 4)化学溶剂 的用量: 溶剂的用量一般超声波清洗机的使用说明 892005年 3月 林伟成: 如何对电路板进行正确的超声波清洗 书中都会说明, 一般必须超过清洗槽容积的三分之 二。而事实上, 常常有人为了节约成本, 用很少的溶 剂, 甚至只是刚刚盖过平铺在槽底的电路板, 这其实 和空振差不了太多, 不仅不能发挥超声波的作用, 相 反可能损伤电路板和元器件。 3 . 3 超声波清洗的功率和时间 超声波清洗的功率和时间必须通过实验来确 定。太大的功率和太长的清洗时间, 有可能对电路 板及元器件造成损伤。 3 . 4 清洗电路板的处理方式 超声清洗的另一个考虑因素是电路板的上、 下 料或

14、者说是放置电路板的工装的设计。电路板在超 声清洗槽内时, 无论电路板还是电路板篮都不得触 及槽底。电路板总的横截面积不应超过超声槽横截 面积的 70% 。橡胶以及非刚化塑料会吸收超声波 能量, 故将此类材料用于工装时应谨慎。工装篮设 计不当, 或所盛工件太重, 即使最好的超声清洗系统 的效率也会被大大降低。任何材料, 如果网眼高於 50目, 对于超声波就表现出实体的性能, 将超声波 反射回去。当网眼大于 0 . 635 c m时, 对于超声波才 表现出开放式材料的性能。钩子、 架子以及烧杯都 可用来支持电路板。在实际中, 经常有人随便把电 路板层叠在超声波清洗机的清洗槽中, 这样根本不 能发挥

15、超声波的独特的清洗作用, 而把超声波清洗 机等同于普通的浸泡式清洗槽。 3 . 5 超声波强度 超声波强度即单位面积的超声功率。超声清洗 的效果好坏取决于空化作用, 但空化作用的产生与 超声波强度有关。超声波强度越大, 空化作用越明 显, 也就是清洗作用越好。另外, 根据不同的清洗对 象, 来选择适当的超声波强度。如清洗电路板, 超声 强度可低些, 清洗机械零件时超声波强度可高些。 有些人盲目地以为超声波强度越高越好, 这样才能 洗得干净, 其实完全没有这个必要, 而且强度越高, 对电路板可能的危害越大。 4 建议的超声波清洗工艺 具体的工艺参数还必须结合自己的具体情况由 实验来确定。 4 .

16、 1 电路板焊接完成后, 先将其完全浸没在盛有干 净酒精的清洗槽中, 浸泡 5min。同时在超声清洗机 清洗槽内放入适量酒精, 酒精液面距清洗槽顶部边 缘的距离在 5 c m以内, 然后打开超声清洗机电源, 超声振动 5 min 15 min , 以排除酒精溶剂内内陷的 气体。因为内陷的气体会破坏超声波的空化作用, 从而降低超声波清洗的效率。 4 . 2 将浸泡后的电路板放入清洗篮内, 缓慢置入超 声清洗机清洗槽内, 超声清洗 5 m in , 频率选择 50 k H z , 输出功率小于 30W /L 。取出电路板, 观察清洗 结果, 视电路板清洁状况再超声清洗约 1 min 5 min 。

17、超声清洗时注意以下几个方面。 ( 1)电路板决不要直接放在超声清洗槽的底 部, 否则将阻碍超声清洗槽底部的振动, 从而严重影 响超声清洗效果。电路板底部距清洗槽底部距离约 5 cm。 ( 2)放入电路板的总的截面积不要超过清洗槽 截面积的 70% , 否则将影响超声清洗。 ( 3)酒精液面至少超过电路板顶部约 2 . 5 c m。 ( 4)电路板必须用篮子悬挂在清洗槽内。篮子 不能用塑料或其它柔软材料制成, 以免吸收超声波。 最好用不锈钢篮子, 但网格尽量大些, 至少 5 mm以 上, 以免屏蔽超声波, 影响超声波清洗。 ( 5)电路板最好单层放置, 否则上层电路板清 洗出来的脏物会落下来,

18、污染下层电路板。 ( 6)电路板之间最好保持适当间隔, 约 5 cm左 右, 以获得最佳清洗效果, 并且防止交叉污染。电路 板与清洗槽的槽壁最好保持约 1 cm。 ( 7)超声清洗时注意观察酒精的温度, 切忌温 度过高引起火灾。 ( 8)装有电路板的清洗篮在放入和取出超声振 动的清洗槽时, 请务必缓慢, 不要过分扰动酒精溶 剂, 否则将引起超声波的短暂减弱甚至消失。 4 . 3 观察超声清洗后电路板的表面清洁状况, 如仍 然有顽垢, 用防静电刷子将其刷干净。 4 . 4 缓慢提出清洗篮, 置入另一盛有干净酒精的清 洗槽内, 将电路板轻轻晃动, 漂洗干净。 4 . 5 取出电路板, 室温自然晾干

19、。 超声波清洗示意如图 1所示。 5 清洗效果示例 错误的超声波清洗工艺没有将电路板清洗干净 如图 2所示。 正确的超声波清洗工艺清洗后结果如图 3所 示。 从图 3中可以看出, 清洗后引脚之间非常干净, 几乎没有任何残留的白斑和焊锡球。 90 电 子 工 艺 技 术 第 26卷第 2期 图 1 超声波清洗示意图 6 超声波清洗的注意事项 (1)对于陶瓷封装的集成电路以及其它一些中 间有空腔的封装形式, 可能发生的共振现象有可能 使封装内部的金丝球焊的金线被拉断。 ( 2)在超声清洗的功率太高、 时间过长时, 可能 造成某些很脆零件的损坏。 (3)不可预料的共振可能造成一些焊点断裂失 效。 (

20、 4)可能有环保方面的问题, 如强烈的噪音、 挥 发性的溶剂。 ( 5)超声波清洗机要保证可靠地接地, 否则产 生的静电有可能对电路板上的元器件造成损伤。 但至今似乎并无明显证据表明, 超声清洗不可 用于电子装联工艺。 7 结束语 超声波清洗工艺是一种价格低廉、 安全、 高效的 清洗工艺, 由于很多厂家对超声波清洗的原理不熟 悉, 因此导致许多使用中的误区, 不仅不能把电路板 清洗干净, 相反可能对电路板造成损伤。只有对超 声波清洗的工艺参数: 频率、 功率、 时间、 清洗溶剂、 电路板的放置方式、 超声波强度仔细考虑, 才有可能 获的满意的清洗效果。 参考文献: 1 孙洪日, 林国辉. 超声

21、波清洗原理与工艺分析 J. 电 子工艺技术, 2001, (3): 77- 78 . 收稿日期: 2004- 12- 20 (上接第 87页 )本较高。同时满足导电率高, 色泽 好, 耐久性好, 加工性好和价廉的产品还有待于技术 的进步。 活动地板。目前国内生产的活动地板的板面, 通常用钢、 铝、 塑料或木材作基板, 表面覆以掺有内 加型抗静电剂的装饰板作面层, 缺点是面层的导电 性还不够耐久。面层必须保证能尽快地导走人体静 电, 导电的耐久性极待改进。板面基板与面层的粘 接应使用导电胶, 要求胶的粘接力高, 并具有一定的 弹性, 目前常见的疵病是面层起翘或开裂。 电子产品生产过程中的静电防护

22、涉及从静电敏 感器件选型订货、 进厂验收、 保管、 装焊成产品到调 试、 包装的全过程; 涉及技术、 管理、 生产等各个部门 和各类人员的参与和配合。静电防护是一项综合性 的系统工程, 只有领导重视, 各方参与, 并有较强的 静电防护意识才能收到明显的防护效果减少损失。 参考文献: 1 刘尚合. 静电理论与防护 M. 北京: 兵器工业出版 社, 1999. 2 涂延林. 电子工业静电防护技术 M. 陕西:陕西科学 技术出版社, 1994. 3 鲍重光. 电子工业防静电危害 M. 北京: 北京工业学 院出版社, 1987. 4 刘尚合. 静电接地问题探讨) 对各国规范中接地问题 的分析 J. 静电, 1991, 6(1): 54- 59 . 5 孙可平, 宋广成. 工业静电 M . 北京: 中国石化出版 社, 1994.(收稿日期: 2004- 12- 27) 912005年 3月 林伟成: 如何对电路板进行正确的超声波清洗