★北京廣利核系統工程有限公司李俊卿，王順，李建剛，王連春

關(guān)鍵詞：核電儀控系統；固態(tài)二氧化碳清潔；電子組件殘留

電子組件使用軟釬焊形式將元器件與PCB連接，期間使用填充焊料需助焊劑進(jìn)行輔助焊接，助焊劑在焊接過(guò)程中并不能完全揮發(fā)，在焊接后這些助焊劑殘留物多以離子形式附著(zhù)于焊點(diǎn)表面。應用于核電站儀控系統的電子組件，特別是安全級系統中所應用的，對其自身可靠性要求很高，部分組件要求可以在95%RH的濕度環(huán)境下工作，同時(shí)這些電子組件在啟動(dòng)工作時(shí)，自身的發(fā)熱溫度可達到90℃甚至更高。在這種高溫高濕的工作環(huán)境下，組件焊點(diǎn)上殘留的離子很容易與空氣中的其它金屬離子絡(luò )合產(chǎn)生晶枝，這些晶枝將大大降低電子組件的表面絕緣電阻，并隨著(zhù)時(shí)間的推移逐漸增長(cháng)，如果搭接在相鄰兩元器件引腳，將引起短路導致其功能失效。因此，在核電儀控高可靠性產(chǎn)品中為降低電子組件表面的焊接助焊劑殘留物和提高電子組件的長(cháng)期可靠性，需對電子組件表面進(jìn)行清潔，以去除大部分的助焊劑殘留物。

對于電子組件的清潔方式，目前普遍使用化學(xué)溶劑進(jìn)行清潔，這些清潔劑分為水基型與溶劑型，但無(wú)論哪種類(lèi)型，清除焊接殘留的基本原理都是利用清潔溶劑的化學(xué)反應，將這些殘留物中的陰陽(yáng)離子中和溶解并隨之清除，從而達到電子組件表面離子濃度低殘留的目的。

傳統的化學(xué)溶劑清潔方式存在兩項較為明顯的弊端：首先化學(xué)溶劑本身存在一定的毒性且易燃，對操作者以及作業(yè)場(chǎng)所存在潛在危險，因此在作業(yè)過(guò)程中需增加嚴謹的防護措施；其次在清潔電子組件后會(huì )產(chǎn)生大量廢液，對于越來(lái)越嚴格的環(huán)境保護管理的相關(guān)政策而言，廢液的環(huán)保處理無(wú)疑額外增加了更多的生產(chǎn)成本。

固態(tài)二氧化碳清潔作為一種物理清潔方式，具有無(wú)毒、不導電、不易燃等安全優(yōu)點(diǎn)，且其升華的物理特性意味著(zhù)清潔介質(zhì)簡(jiǎn)單地消失無(wú)殘留。固態(tài)二氧化碳于1930年被制造出來(lái)，并于1945年作為清潔技術(shù)首次應用在美國海軍對金屬表面附著(zhù)油脂的清潔，效果明顯。隨后這項技術(shù)不斷完善成熟，被廣泛應用于清潔油污、橡膠模具清潔、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機內部缸體清潔等應用場(chǎng)合，但對于電子組件表面殘留清潔的應用目前相對較少，業(yè)界也罕有研究。因此，本研究聚焦于固態(tài)二氧化碳對電子組件焊點(diǎn)助焊劑殘留的清除是否有效。

1　固態(tài)二氧化碳清潔原理

固態(tài)二氧化碳又稱(chēng)干冰，為白色分子晶體，具有面心立方晶格結構，在常壓下可由固態(tài)不經(jīng)過(guò)液態(tài)直接轉變成氣態(tài)。一般利用節流膨脹技術(shù)，把低溫液體二氧化碳制成干冰粉末，干冰造粒機擠壓干冰粉末制成干冰顆粒^[1]。

固態(tài)二氧化碳清潔去除污垢主要靠高速運動(dòng)的干冰顆粒撞擊清潔物表面，具有一定動(dòng)能的顆粒破壞了污垢層與基體之間的結合力而去除污垢，同時(shí)，干冰顆粒的低溫物理性質(zhì)也會(huì )加速去除污垢^[1]。

圖1  固態(tài)二氧化碳清潔機理示意圖

固態(tài)二氧化碳清潔機理如圖1所示，可由以下三部分組成：

（1）沖擊作用：如圖1（a）所示，在壓縮氣體的作用下，由噴槍噴射出的超聲速干冰顆粒具有很大動(dòng)能，對污垢層具有磨削、剪切作用，從而使污垢裂紋、破碎^[3]。高速運動(dòng)的干冰顆粒碰撞到污物表面后，將動(dòng)能和沖擊力傳遞給污垢層，并克服已經(jīng)減小的污垢與物體表面之間的粘附力去除污垢，去掉的污垢隨高壓氣流被卷走，從而實(shí)現了對污垢的去除^[1]。

（2）低溫剝離作用：如圖1（b）所示，被加速的干冰顆粒與污垢層表面碰撞并進(jìn)行熱交換，降低污垢層溫度，污垢層遇冷后收縮、變脆及龜裂。由于污垢層和基體膨脹系數不同，所以遇冷后污垢和基體間的結合力將降低，使污垢易被去除^[4,5]。

（3）升華作用：如圖1（c）所示，干冰顆粒與污垢層碰撞后會(huì )迅速升華成二氧化碳氣體，在短時(shí)間內體積擴大898倍，細碎的干冰微粒進(jìn)入縫隙后，其體積瞬間膨脹如同爆炸，從而將污垢層迅速除去^[3]。

2　固態(tài)二氧化碳清潔試驗

基于對固態(tài)二氧化碳清潔原理的理解，我們對電子組件焊接殘留物的清潔效果設計檢測試驗，分別為電子組件表面的外觀(guān)檢查、離子清潔度檢測與電子組件殘留的離子色譜檢測。

本次固態(tài)二氧化碳清潔試驗使用一臺小型干冰顆粒噴射設備，使用噴射干冰流量調整在0.3-0.4Kg/min范圍內，噴射氣體壓力在5bar左右。該設備是干冰顆粒的發(fā)生裝置，由于初期試驗，僅試驗其對焊接殘留是否有清潔效果，因此，此次清潔過(guò)程由人工手持噴射槍完成清潔作業(yè)。

本次試驗的電子組件樣件使用同時(shí)含有表面貼裝與通孔插裝元器件的PCBA板卡，它同時(shí)覆蓋了免清洗焊膏的SMT工藝與助焊劑殘留通常較多的THT工藝。試驗樣件共使用4塊同樣狀態(tài)板卡，包括2塊經(jīng)過(guò)干冰顆粒清潔的試驗件以及2塊不做任何清潔的對照件。

2.1　外觀(guān)檢查

在干冰顆粒噴射清潔后，將試樣件與對照件進(jìn)行對比觀(guān)察，可以發(fā)現清潔外觀(guān)效果有較為明顯的變化，如圖2所示，對照件外觀(guān)存在明顯的助焊劑附著(zhù)，而試樣件外觀(guān)已基本看不到此類(lèi)附著(zhù)。

圖2  板卡外觀(guān)檢查對比

2.2　離子清潔度檢測

針對電子組件焊接殘留，《IPC J-STD-001焊接的電氣和電子組件要求》^[2]對離子清潔度的驗收標準為1.56ug NaCl Eq/cm2，業(yè)界也普遍使用此標準參數。將試樣件A與對照件A進(jìn)行離子清潔度測試，結果顯示：未進(jìn)行任何處理的對照件A離子殘留當量達到4.05，超出標準近3倍，使用固態(tài)二氧化碳清潔后的試樣件A離子殘留有明顯下降，且達到了驗收標準。詳見(jiàn)表1。

表1  離子清潔度試驗檢測結果

2.3　離子色譜檢測

助焊劑的殘留中含有較高比例的弱有機酸根離子，這些離子主要有：乙酸根離子、乙二酸根離子、丁二酸根離子。這些離子的殘留量直接反映了助焊劑殘留的去除結果。將試驗件B與對照件B的弱酸根離子的殘留量進(jìn)行對比分析，結果詳見(jiàn)表2。

表2  離子色譜試驗檢測結果

從離子色譜檢測結果可以看出，試樣B的殘留弱有機酸離子有了明顯下降，離子總和相比對照組有近35%的降低，說(shuō)明固態(tài)二氧化碳清潔對助焊劑的離子殘留也有較為明顯的清除效果。

3　結論

通過(guò)上述初步研究，我們看到固態(tài)二氧化碳清潔這種物理清潔方式，對電子組件焊接殘留清除可以起到較好的效果，具備一定應用的可行性。但固態(tài)二氧化碳自身的低溫特性以及顆粒吹掃的方式在清潔過(guò)程中可能會(huì )對電子組件造成損傷的應力，主要包括靜電、高速沖擊和微爆炸所帶來(lái)的機械應力以及溫度突降所帶來(lái)的熱機械應力。此次清潔作業(yè)為人工手動(dòng)完成，干冰顆粒噴射的時(shí)間以及距離樣件的遠近等均無(wú)法精確控制。因此，此次初期研究在確定其清潔效果后，后續還需基于這些可能造成應力損傷的因素開(kāi)展研究，重點(diǎn)考慮如何建立控制更精準的自動(dòng)化方式并摸索如吹掃壓力、干冰顆粒噴射時(shí)間、噴槍移動(dòng)速度和高度等多項關(guān)鍵工藝參數，以達到既可保證電子組件的產(chǎn)品質(zhì)量又可做到清除殘留的目標。

作者簡(jiǎn)介：

李俊卿（1982-），男，河北保定人，中級工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電數字儀控系統生產(chǎn)制造相關(guān)工作。

王　順（1983-），男，北京人，中級工程師，學(xué)士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電數字儀控系統生產(chǎn)制造相關(guān)工作。

李建剛（1974-），男，甘肅慶陽(yáng)人，中級工程師，本科，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電數字儀控系統生產(chǎn)制造相關(guān)工作。

王連春（1972-），男，北京人，中級工程師，學(xué)士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電數字儀控系統生產(chǎn)制造相關(guān)工作。

參考文獻：

[1] 孫洪孟. 干冰清洗技術(shù)研究[D]. 大連理工大學(xué), 2012.

[2] IPC J-STD-001E. 焊接的電氣和電子組件要求[S].

[3] Uhlmann E, El Mernissi A. Pre-treatment by dry ice blasting for adhesive bonding[J]. Production Engineering, 2008, 2 (2) : 133 - 138.

[4] 任建新. 物理清洗[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2000.

[5] 麻德科, 張勝利. 噴射清洗設備申噴管的設計與研究[J]. 機械設計與制造, 2007 (7) : 27 - 29.

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年6月刊