摘錄 與常規(guī)方法相比，干冰清洗是一種創(chuàng)新、廉價(jià)的綠色技術(shù)，可有效清潔印刷電路板 (PCB) 并降低離子污染水 。由于其出色的性能，干冰清洗適合去除助焊劑殘留物。在這項(xiàng)研究中，被助焊劑人為污染的電路板被不同參數(shù)的干冰噴射。綜合研究了干冰清洗對(duì)不同表面光潔度的影響。結(jié)果表明，干冰清潔的效率與其他方法相當(dāng)，并且是可量化的。此外，干冰清洗可以有效去除PCB表面的污染，在不降低不同表面光潔度的可焊性的情況下，獲得顯著且理想的清洗效果。 1、簡(jiǎn)介 如今，無(wú)鉛焊接是元件和印刷電路板 (PCB) 之間首選的互連方法。該工藝可產(chǎn)生令人滿意的冶金接頭和良好的電氣連接。焊點(diǎn)的質(zhì)量對(duì)于確保產(chǎn)品的可靠性和使用壽命至關(guān)重要。 為了生產(chǎn)可接受的金屬間化合物，可焊接表面通常用助焊劑進(jìn)行處理。 這是必要的，因?yàn)橹竸┲械挠袡C(jī)或無(wú)機(jī)酸可以通過(guò)化學(xué)方法去除金屬表面的氧化層，從而使其更容易被熔融焊料潤(rùn)濕。由于焊接，溶液蒸發(fā)，并且在蝕刻的金屬表面之間形成良好的焊點(diǎn)。剩余的助焊劑殘留物會(huì)降低產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。未使用的酸在表面含有溶解的離子，因此能夠引起腐蝕或短路。 電化學(xué)遷移是金屬離子在電壓存在下的移動(dòng)和溶解，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致 PCB 表面樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。 這種現(xiàn)象可能會(huì)降低金屬區(qū)域之間的電阻或?qū)е陆^緣問(wèn)題。在高壓電氣組件中，電化學(xué)遷移的發(fā)生可能是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。 高效去除離子污染物是產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵。一種令人興奮的方法可能是最大限度地減少焊接過(guò)程中產(chǎn)生的助焊劑的量，因?yàn)槊黠@會(huì)出現(xiàn)更少的殘留物。許多研究和工業(yè)發(fā)展已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。在后焊接過(guò)程中，通常使用水或溶劑來(lái)去除殘留物，然而，這可能成本高昂且對(duì)環(huán)境不利。許多助焊劑制造商開(kāi)發(fā)了所謂的“免清洗”混合物，理論上不需要焊后清洗。它們?cè)?/span> PCB 表面留下的殘留物較少，而且，由于封裝的離子物質(zhì)，在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)不易發(fā)生腐蝕和枝晶形成。另一方面，“免清洗”助焊劑殘留物可能存在風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在短絕緣距離或高壓組件方面。 在這項(xiàng)工作中，提出了一種有關(guān) PCB 干冰清洗和減少助焊劑殘留物的新方法的初步研究。 干冰噴射去除表面污染物是一種相對(duì)較新的方法，自 20 世紀(jì) 80 年代中期以來(lái)才在工業(yè)中使用。通過(guò)壓縮氣流將顆粒加速到污染表面以進(jìn)行清潔的過(guò)程與噴砂相當(dāng)。與傳統(tǒng)的研磨劑不同，干冰噴射的效果基于三種不同的現(xiàn)象。由于其機(jī)械效應(yīng)，高速甚至超音速的顆粒與表面碰撞并將污垢從表面上擊落。在這些碰撞之后，由于熱力學(xué)效應(yīng)，表面上層冷卻并變脆：由此產(chǎn)生的升華導(dǎo)致體積立即膨脹約600‑800 倍。 由于碰撞，壓力也會(huì)急劇增加，并且液態(tài)二氧化碳也會(huì)出現(xiàn)在表面。液態(tài)二氧化碳可以成為許多有機(jī)雜質(zhì)的良好溶劑，例如非極性碳?xì)?/span>化合物。在正常條件下，二氧化碳在約‑78.5°C 時(shí)固化。干冰清洗已成功應(yīng)用于許多領(lǐng)域，用于清潔受污染的表面 或在涂覆粘合劑涂層之前準(zhǔn)備組件 。該方法在食品工業(yè)中很有前景，導(dǎo)致二次污染風(fēng)險(xiǎn)較低。干冰噴射也很環(huán)保，因?yàn)?/span>不涉及有害物質(zhì)。 2、方法與實(shí)驗(yàn) 本研究的實(shí)驗(yàn)臺(tái)由TOOICE SP27D精密微顆粒干冰冷噴機(jī)、壓縮空氣系統(tǒng)和加熱測(cè)試臺(tái)組成。預(yù)定壓力由壓縮空氣系統(tǒng)提供。干質(zhì)量流量和噴嘴速度由干冰清洗機(jī)控制，而加熱系統(tǒng)控制樣品的溫度。清洗系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)如表1所示： 類別 | 參數(shù) | 單位 | 二氧化碳顆粒直徑 | 0.15 | Mm | 噴嘴直徑 | 5 | Mm | 工作壓力 | 6 | Bar | 噴嘴距被清洗物距離 | 47 | Mm | 噴射角度 | 90 | ° | 干冰流量 | 9 | Kg/h |
被清潔材料的熱導(dǎo)率和對(duì)減少的響應(yīng)溫度也必須仔細(xì)考慮。 高導(dǎo)熱率的材料具有如果溫度低于以下溫度，大氣中的水分會(huì)迅速凝結(jié)在其表面露點(diǎn)。 使用干燥保護(hù)氣體可以適度冷凝。 測(cè)試面從底部加熱以盡量減少露水的出現(xiàn)（見(jiàn)圖 1）。 
圖 1. 通過(guò)控制表面加熱最大限度地減少露水的出現(xiàn)。不控制表面溫度（左）和控制表面溫度時(shí)（右）的冷凝。 本實(shí)驗(yàn)采用不同表面光潔度、浸錫（ImSn）涂層和化學(xué)鍍鎳沉金（ENIG）處理的典型PCB（作為待清洗對(duì)象），研究不同處理參數(shù)下 干冰清洗的效果。分析了免清洗助焊劑 (IF 2005C) 產(chǎn)生的污染。選擇這種類型的助焊劑是因?yàn)樗诤附訒r(shí)廣泛使用�？傮w而言，該研究由 30 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)組成。進(jìn)行了 16 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以比較不同掃描頻率（1 次和 2 次循環(huán)）下浸錫表面涂層的 CO2雪清潔效果與未處理的參考值。 在具有 ENIG 表面光潔度的 PCB 上進(jìn)行了另外 5 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注 CO2除雪效率的影響。用于比較的方法是傅里葉變換紅外光譜（FTIR）準(zhǔn)定量和光學(xué)分析。 ENIG 表面處理進(jìn)行了 3 個(gè)周期（掃描頻率）。 在涂有 ImSn 且表面經(jīng)過(guò) ENIG 表面處理的 PCB 上進(jìn)行了另外 6 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)僅關(guān)注 CO2雪處理后焊盤的可焊性。原始 ImSn 和 ENIG 表面經(jīng)過(guò) 3 個(gè)周期的處理。 通過(guò) C3/CI 系統(tǒng) (Foresite) 測(cè)量離子污染水 ，使用數(shù)字顯微鏡 (Leica DVM6‑A) 進(jìn)行光學(xué)分析，并通過(guò) FTIR 顯微鏡在反射模式下收集 FTIR 光譜 (Thermo Scientific Nicolet iN10) ）。使用液滴形狀分析儀 (Krüss DSA30) 通過(guò)座滴法進(jìn)行表面潤(rùn)濕性測(cè)試。 3、清洗效率分析 3.1.電化學(xué)測(cè)量就離子遷移而言，助焊劑殘留物中離子的存在是最關(guān)鍵的。為了確定二氧化碳清潔效率，測(cè)量了受影響金屬表面提取物的電導(dǎo)率。表面的局部離子污染可以通過(guò)腐蝕指數(shù)（CI）輕松指定。 樣品是被焊劑人為污染的 ImSn 墊。從測(cè)量結(jié)果可以明顯看出，未清洗的樣品 均比處理過(guò)的樣品污染程度更高。通過(guò)增加掃描頻率或治療持續(xù)時(shí)間可以進(jìn)一步提高清潔度。 盡管可以在測(cè)量中觀察到趨勢(shì)，但由于測(cè)量原理，無(wú)法精確確定同一區(qū)域的初始通量和處理后剩余的量。因此，即使在相同的設(shè)置下，測(cè)量結(jié)果也具有較大的標(biāo)準(zhǔn)偏差。還在 ENIG 板上進(jìn)行了測(cè)量，掃描頻率為 3 個(gè)周期。處理后 CI 值接近無(wú)助焊劑焊盤的值（見(jiàn)圖 2）。  圖 2. 干冰清潔可降低離子污染水平。 3.2.光學(xué)研究 在實(shí)驗(yàn)中，研究了助焊劑 燥后 ENIG 表面上的結(jié)晶殘留物。在光學(xué)顯微鏡下用偏振光可以輕松檢測(cè)到污染物。通過(guò)在 MATLAB 環(huán)境中實(shí)施基于 Otsu 閾值方法 [12] 的圖像處理算法來(lái)分析檢查區(qū)域的圖像，可以對(duì)污染區(qū)域進(jìn)行量化。 通過(guò)根據(jù)以下內(nèi)容比較處理的效果，確定一種殘留率。采用樣品上焊劑殘留物的殘留率作為越小越好的質(zhì)量特性。 殘留率R的公式為[13]： 
3.3.還進(jìn)行了傅里葉變換紅外光譜 (FTIR) 分析光譜研究以確定清潔效 率。在反射模式下收集受助焊劑污染的 燥 ENIG 表面和經(jīng)過(guò)干冰清潔的表面的吸收光譜（見(jiàn)圖 3）。根據(jù)我們自己的測(cè)量和⻩的研究，弱有機(jī)酸可以從1690 cm－1 周圍的峰推斷出來(lái)。假設(shè)存在線性關(guān)系，就可以推斷出濃度和殘留量。因此，確定清洗效率在95%以上。 
圖 3. 清洗后 C = O 基團(tuán) (WOA) 的特征峰明顯變?nèi)酢Ｊ芎竸┪廴静⒔?jīng)過(guò)CO2 處理的表面的 FTIR 光譜。 根據(jù)分析過(guò)程中進(jìn)行的電化學(xué)、光譜和光學(xué)研究，結(jié)果表明，干冰去除了我們測(cè)試樣品中超過(guò) 95% 的焊劑污染物（見(jiàn)表 2）。 表 2. ENIG 表面 CO2 除雪效率被焊劑污染。 樣品/方法 | 電化學(xué) | 光譜 | 光學(xué) | 清潔效率 | 97% | 96% | 95% |
4、干冰清潔表面潤(rùn)濕性分析除了清潔效率之外，干冰清潔對(duì)PCB 可焊接表面的影響也可能是一個(gè)重要問(wèn)題。在 ImSn 和 ENIG 墊上研究了 CO2 除雪對(duì)潤(rùn)濕性的影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)定了經(jīng)過(guò)助焊劑或 CO2 處理的原始焊盤的表面自由能 (SFE)。與經(jīng)過(guò)助焊劑處理的墊相比，未經(jīng)處理的 ImSn 和 ENIG 墊的潤(rùn)濕性明顯較差。我們的研究還表明，SFE的極性成分發(fā)生了顯著變化。對(duì)原始原始?jí)|進(jìn)行 干冰清洗后，與未經(jīng)處理的條件相比，未觀察到 SFE 值的顯著變化�？梢源_定的是，單獨(dú)使用二氧化碳除雪不會(huì)抑制可焊性（見(jiàn)圖 4）。 
圖 4. 測(cè)量的表面自由能。ImSn 和 ENIG 樣品表現(xiàn)出類似的行為。干冰清洗對(duì)生墊的潤(rùn)濕性沒(méi)有影響。 5、結(jié)論 干冰清洗可有效去除助焊劑殘留物、弱有機(jī)酸 (WOA) 和焊接中常用的其他離子污染物。通過(guò)控制樣品的溫度并將其保持在露點(diǎn)以上，可以減少冷凝，從而使離子殘留物不會(huì)污染表面。 分析過(guò)程中進(jìn)行的電化學(xué)、光譜和光學(xué)研究的結(jié)果 結(jié)果表明，CO2除雪去除了我們測(cè)試樣品中超過(guò) 95% 的焊劑污染（表 2）。 單獨(dú)使用二氧化碳除雪（在沒(méi)有助熔劑的情況下）不會(huì)影響金屬的潤(rùn)濕性完成。 致謝TOOICE突馳科技提供測(cè)試設(shè)備。 文章首發(fā)于：https://tooice.net 參考文獻(xiàn)： [1] Klein Wassink R J 1989 Soldering in Electronics, Electrochemical Publications Limited [2] Steppan J J, Roth J A, Hall L C, Jeannotte D A and Carbone S P 1987 A Review of Corrosion Failure Mechanisms during Accelerated Tests: Electrolytic Metal Migration J. Electrochem. Soc. 134 175–90 [3] Dzido A, Krawczyk P, Badyda K and Chondrokostas P 2021 Operational parameters impact on the performance of dry-ice blasting nozzle Energy 214 118847 [4] Uhlmann E and El Mernissi A 2008 Pre-treatment by dry ice blasting for adhesive bonding Prod. Eng. 2 133–8 [5] Sherman R 2007 Carbon dioxide snow cleaning Part. Sci. Technol. 25 37–57 [6] Mikołajczak A, Wołowicz M, Kurkus-Gruszecka M, Badyda K and Krawczyk P 2018 Improving the efficiency of Liquid Air Energy Storage by organic rankine cycle module application 2018 International Interdisciplinary PhD Workshop (IIPhDW) (IEEE) pp 99–102 [7] Jantzen S, Decarreaux T, Stein M, Kniel K and Dietzel A 2018 CO2 snow cleaning of miniaturized parts Precis. Eng. 52 122–9 [8] Elbing F, Anagreh N, Dorn L and Uhlmann E 2003 Dry ice blasting as pretreatment of aluminum surfaces to improve the adhesive strength of aluminum bonding joints Int. J. Adhes. Adhes. 23 69–79 [9] Witte A K, Bobal M, David R, Blaettler B, Schoder D and Rossmanith P 2017 Investigation of the potential of dry ice blasting for cleaning and disinfection in the food production environment LWT 75 735–41 [10] Cano F 2000 Carbon Dioxide Dry Ice Snow Cleaning Handbook for Critical Cleaning (CRC Press) pp 353–60
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