Con lo sviluppo dell’industria elettronica e l’aumento delle esigenze in termini di prestazioni elettroniche, i componenti elettronici si stanno evolvendo verso una tendenza alla miniaturizzazione, a spaziature più fini e ad elevata integrazione. Poiché la distanza tra i conduttori adiacenti si riduce, il problema dei residui e di altri contaminanti sulle schede a circuito stampato (PCB) diventa sempre più evidente per quanto riguarda l’influenza sull’affidabilità delle PCB. Sebbene la tecnologia di saldatura a basso residuo e no-clean sia ampiamente utilizzata dai metodi tradizionalitecnologia a montaggio superficiale (SMT)Nei prodotti ad alta affidabilità, la densificazione della struttura dei prodotti e l’assemblaggio miniaturizzato dei componenti rendono sempre più difficile raggiungere il grado di pulizia adeguato, con un aumento dei guasti del prodotto causati da problemi di pulizia. Questo testo discuterà brevemente l’influenza dei residui contaminanti sui punti di saldatura dei PCB e alcuni problemi relativi alla pulizia.
• L'influenza dei residui contaminanti sulla saldatura a punti PCB
a.Migrazione elettrochimica
La migrazione elettrochimica, in breve ECM, si riferisce alla migrazione ionica tramite un certo mezzo, come ad esempio i residui di flussante, sotto l’influenza di un campo elettromagnetico. Per i prodotti PCB, con il cambiamento dell’umidità ambientale, alcuni contaminanti ionici presenti nei residui di flussante, come l’agente attivo e i sali, si trasformano in elettroliti, provocando la variazione delle caratteristiche dei punti di saldatura. Quando questi PCB sono in funzione, in presenza di una tensione di stress, possono verificarsi cortocircuiti tra i punti di saldatura, causando guasti intermittenti che riducono l’affidabilità dei PCB. Questo processo è composto da tre fasi: formazione del percorso, innesco e generazione di cristalli arboriformi. La formazione del percorso inizia con la dissoluzione degli ioni metallici nell’elettrolita, che è un tipo di acido debole formato dalla combinazione dei residui di cloro e bromo nel flussante con l’acqua presente nell’aria. Quando il metallo si dissolve nell’acido debole, si generano filamenti metallici. Pertanto, per attuare il meccanismo dell’effetto elettrochimico, devono essere presenti elementi quali residui ionici, differenza di tensione e umidità. Inoltre, l’effetto elettrochimico è influenzato anche da temperatura, umidità, alimentazione, materiale del conduttore, distanza tra i conduttori, tipo e quantità di contaminanti.
b.Corrosione da strisciamento
La corrosione strisciante si riferisce al fenomeno per cui il cristallo di solfuro di rame o di argento si genera sulla superficie dei PCB. Diversamente dalla migrazione elettrochimica, la sola presenza di una sorgente di contaminazione e di umidità nell’ambiente è sufficiente a provocare la corrosione strisciante, senza necessità di una differenza di tensione. Quando lo zolfo presente nell’aria si combina con il rame o l’argento sui PCB, si formano solfuro di rame o solfuro di argento. Questi composti chimici, come il solfuro di rame e il solfuro di argento, cresceranno in qualsiasi direzione, causando l’apertura di piste fini o cortocircuiti tra piste ravvicinate, il che alla fine porterà a una scarsa qualità dei PCB. Con la riduzione delle dimensioni dei PCB e la miniaturizzazione dei componenti, il rischio di questo tipo di corrosione aumenterà inevitabilmente. La corrosione strisciante si verifica per lo più nei settori dell’elettronica di controllo industriale e dell’aerospazio a causa della maggiore presenza di gas contaminanti nell’aria ambiente. Un altro motivo risiede nell’implementazione HASL sulla superficie dei precedenti PCB, il cui rame esterno era protetto da stagno‑piombo. Tuttavia, con lo sviluppo delle tecnologie senza piombo, materiali a base di rame o argento vengono utilizzati nella fabbricazione, saldatura e placcatura dei PCB. Una volta che la bagnabilità non raggiunge il livello richiesto nel processo di saldatura, parte del rame o dell’argento rimarrà esposta all’aria e, quando l’ambiente peggiora sotto l’influenza dell’umidità, il rischio di corrosione strisciante aumenterà notevolmente.
c.Barba di stagno
Il tin whisker è la principale preoccupazione dei professionisti. Attraverso una grande quantità di ricerche basate sui parametri chimici e fisici generati dai tin whisker, gli esperti indicano che la lega con stagno prolifera con altri metalli sotto l’effetto di alta temperatura e alta umidità, il che favorisce la formazione del composto intermetallico (IMC). In queste condizioni, con il rapido aumento della sollecitazione di tensione nello strato di stagno, gli ioni di stagno proliferano lungo i bordi dei cristalli, formando il tin whisker che aumenterà il rischio di cortocircuiti. Pertanto, nel processo di rifusione, quando la lega di stagno diventa solida, alcuni alogenuri e bromuri nel flussante che fluisce dalla pasta saldante svolgono il ruolo di contaminanti ionici, portando alla massiccia generazione di tin whisker. Inoltre, il tin whisker tende a essere influenzato dal livello di contaminazione ionica, da cui si può concludere che, più alto è il livello di contaminazione ionica, maggiore sarà la densità di tin whisker.
• Alcuni problemi riguardanti la pulizia
a.Contaminanti
Gli oggetti che devono essere puliti dopo la saldatura sono principalmente i residui lasciati sui PCB. In base alle proprietà chimiche, i residui possono essere classificati in tre categorie: residui polari idrosolubili, residui non polari insolubili in acqua e residui idrosolubili ma non polari che non possono essere trasformati in composti organici ionici. Questi contaminanti sono considerati la causa principale che porta al cambiamento o persino al guasto delle prestazioni del PCB. Pertanto, è estremamente necessario rimuovere completamente i residui. Inoltre, poiché i PCB si stanno sviluppando verso un’elevata densificazione e un passo ridotto, la pulizia dei PCB sta diventando particolarmente importante.
b.Flussi
I residui di flussante rappresentano la parte più grande inProduzione di PCB, motivo per cui il residuo di flussante deve essere considerato per primo quando si prende in esame un tipo di processo di pulizia. In base alle proprietà chimiche, i flussanti possono essere classificati in quattro categorie secondo la norma J-STD-004: colofonia, resina, organici e inorganici, ognuna delle quali è poi classificata in base al livello di attività del flussante/dei residui di flussante e al contenuto di alogeni. Ciò dimostra anche indirettamente il fatto che tutti i flussanti esistenti sono in grado di eliminare gli ossidi, aumentando la capacità di bagnabilità della saldatura. Nel processo di produzione dei PCB, i flussanti sono utilizzati nella saldatura a onda, nella saldatura a rifusione e nella saldatura manuale, ed è preferibile scegliere un solo tipo di flussante. Per la pulizia dell’intero PCB, si tratta semplicemente di eliminare un solo tipo di flussante. Se vengono scelti molti tipi di flussanti, la compatibilità tra questi flussanti renderà la pulizia più difficile, poiché essi presentano caratteristiche complesse che portano a una combinazione altrettanto complessa.
c.Arte della Pulizia
Nella pulizia dei PCB si utilizzano normalmente tre tipi di processi di pulizia: pulizia con solvente, pulizia semi-acquosa e pulizia ad acqua. La pulizia con solvente si riferisce al processo in cui si utilizza un mezzo di tipo solvente per pulire i PCB. In questo processo, l’asciugatura viene eseguita in un’apparecchiatura indipendente. La pulizia semi-acquosa si riferisce al processo in cui i PCB vengono puliti con un solvente e il solvente organico viene rimosso dal PCB mediante acqua, al fine di eliminare il flussante e altri contaminanti presenti sui PCB. La pulizia ad acqua si riferisce al processo in cui i PCB vengono puliti solo con acqua. In base alle caratteristiche delle apparecchiature e dei prodotti, è necessario scegliere un processo di pulizia adeguato, in modo da aumentare notevolmente l’affidabilità del PCB.
d.Solvente per la pulizia
A seconda del tipo di flussante, il solvente di pulizia deve essere scelto in modo che sia compatibile con il tipo di residuo di flussante. Esistono diversi tipi di solventi di pulizia e diverse composizioni di solventi di pulizia. In base alle normative del Japan Industry Cleaning Committee (JICC), i solventi di pulizia sono classificati prendendo come standard il processo di risciacquo. Per questo motivo i solventi di pulizia sono suddivisi in due tipi: solventi di pulizia idrosolubili e solventi di pulizia non idrosolubili. Il solvente di pulizia in cui viene utilizzata l’acqua nel processo di risciacquo è chiamato idrosolubile, mentre quello in cui non viene utilizzata l’acqua è chiamato non idrosolubile.
e.Attrezzature per la pulizia e metodo di pulizia
Al giorno d’oggi le attrezzature per la pulizia sono principalmente classificate in tipo a lotti e tipo cellulare, mentre i metodi di pulizia includono ultrasuoni, spruzzo, immersione, getto, bolle ecc. I metodi di pulizia ordinari vengono eseguiti tramite spruzzo o fase vapore, con alcuni metodi di pulizia meccanica come integrazione, quali agitazioni, rotazioni ecc.
f.Standard di pulizia
Oggetti di pulizia diversi hanno standard di pulizia differenti. Pertanto, è ragionevole che gli standard di pulizia appropriati debbano essere compatibili con i settori interessati e con le caratteristiche dei prodotti, poiché prodotti diversi hanno ambienti di utilizzo, durata di servizio e parametri tecnici differenti. Secondo gli standard IPC, il grado di pulizia generale più elevato è:
Contaminanti ionici < 1,56 μgNaCl/cm2;
o residuo di flussante < 40 μg/cm2;
o resistenza di isolamento > 2x102Ω.
Tutto sommato, purché il meccanismo di guasto della saldatura a punti del PCB sia pienamente compreso per quanto riguarda i cattivi effetti dei residui e vengano scelti solventi e metodi di pulizia adeguati in base alla progettazione del processo di pulizia, il rischio di guasti fisici e chimici sarà notevolmente ridotto, così che l’affidabilità del PCB verrà migliorata.
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Risorse utili
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•Come valutare un produttore di PCB o un assemblatore di PCB
•Alcuni metodi utili per valutare le capacità dell’assemblatore SMT
•Sei modi efficaci per ridurre i costi di assemblaggio PCB senza sacrificare la qualità
•Non fidarti troppo del “no clean” - L’importanza della pulizia del flussante “no clean”
