摘錄 與常規(guī)方法相比，干冰清洗是一種創(chuàng)新、廉價的綠色技術(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，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、簡介 如今，無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。焊點的質(zhì)量對于確保產(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行處理。 這是必要的，因為助焊劑中的有機或無機酸可以通過化學(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。剩余的助焊劑殘留物會降低產(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和溶解，有時會導(dǎo)致 PCB 表面樹枝狀結(jié)構(gòu)的生長。 這種現(xiàn)象可能會降低金屬區(qū)域之間的電阻或?qū)е陆^緣問題。在高壓電氣組件中，電化學(xué)遷移的發(fā)生可能是一個常見問題。 高效去除離子污染物是產(chǎn)品長期可靠性的關(guān)鍵。一種令人興奮的方法可能是最大限度地減少焊接過程中產(chǎn)生的助焊劑的量，因為明顯會出現(xiàn)更少的殘留物。許多研究和工業(yè)發(fā)展已經(jīng)解決了這個問題。在后焊接過程中，通常使用水或溶劑來去除殘留物，然而，這可能成本高昂且對環(huán)境不利。許多助焊劑制造商開發(fā)了所謂的“免清洗”混合物，理論上不需要焊后清洗。它們在 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，尤其是在短絕緣距離或高壓組件方面。 在這項工作中，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較新的方法，自 20 世紀 80 年代中期以來才在工業(yè)中使用。通過壓縮氣流將顆粒加速到污染表面以進行清潔的過程與噴砂相當。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，壓力也會急劇增加，并且液態(tài)二氧化碳也會出現(xiàn)在表面。液態(tài)二氧化碳可以成為許多有機雜質(zhì)的良好溶劑，例如非極性碳氫化合物。在正常條件下，二氧化碳在約‑78.5°C 時固化。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)險較低。干冰噴射也很環(huán)保，因為不涉及有害物質(zhì)。 2、方法與實驗 本研究的實驗臺由TOOICE SP27D精密微顆粒干冰冷噴機、壓縮空氣系統(tǒng)和加熱測試臺組成。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控制，而加熱系統(tǒng)控制樣品的溫度。清洗系統(tǒng)的運行參數(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)率和對減少的響應(yīng)溫度也必須仔細考慮。 高導(dǎo)熱率的材料具有如果溫度低于以下溫度，大氣中的水分會迅速凝結(jié)在其表面露點。 使用干燥保護氣體可以適度冷凝。 測試面從底部加熱以盡量減少露水的出現(xiàn)（見圖 1）。 
圖 1. 通過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（右）的冷凝。 本實驗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為它在焊接時廣泛使用�？傮w而言，該研究由 30 項實驗組成。進行了 16 項實驗，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 上進行了另外 5 項實驗，重點關(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）準定量和光學(xué)分析。 ENIG 表面處理進行了 3 個周期（掃描頻率）。 在涂有 ImSn 且表面經(jīng)過 ENIG 表面處理的 PCB 上進行了另外 6 項實驗。這些實驗僅關(guān)注 CO2雪處理后焊盤的可焊性。原始 ImSn 和 ENIG 表面經(jīng)過 3 個周期的處理。 通過 C3/CI 系統(tǒng) (Foresite) 測量離子污染水 ，使用數(shù)字顯微鏡 (Leica DVM6‑A) 進行光學(xué)分析，并通過 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) 通過座滴法進行表面潤濕性測試。 3、清洗效率分析 3.1.電化學(xué)測量就離子遷移而言，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。從測量結(jié)果可以明顯看出，未清洗的樣品 均比處理過的樣品污染程度更高。通過增加掃描頻率或治療持續(xù)時間可以進一步提高清潔度。 盡管可以在測量中觀察到趨勢，但由于測量原理，無法精確確定同一區(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，測量結(jié)果也具有較大的標準偏差。還在 ENIG 板上進行了測量，掃描頻率為 3 個周期。處理后 CI 值接近無助焊劑焊盤的值（見圖 2）。  圖 2. 干冰清潔可降低離子污染水平。 3.2.光學(xué)研究 在實驗中，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到污染物。通過在 MATLAB 環(huán)境中實施基于 Otsu 閾值方法 [12] 的圖像處理算法來分析檢查區(qū)域的圖像，可以對污染區(qū)域進行量化。 通過根據(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)過干冰清潔的表面的吸收光譜（見圖 3）。根據(jù)我們自己的測量和⻩的研究，弱有機酸可以從1690 cm－1 周圍的峰推斷出來。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 (WOA) 的特征峰明顯變?nèi)�。受焊劑污染并�?jīng)過CO2 處理的表面的 FTIR 光譜。 根據(jù)分析過程中進行的電化學(xué)、光譜和光學(xué)研究，結(jié)果表明，干冰去除了我們測試樣品中超過 95% 的焊劑污染物（見表 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、干冰清潔表面潤濕性分析除了清潔效率之外，干冰清潔對PCB 可焊接表面的影響也可能是一個重要問題。在 ImSn 和 ENIG 墊上研究了 CO2 除雪對潤濕性的影響。在實驗過程中，測定了經(jīng)過助焊劑或 CO2 處理的原始焊盤的表面自由能 (SFE)。與經(jīng)過助焊劑處理的墊相比，未經(jīng)處理的 ImSn 和 ENIG 墊的潤濕性明顯較差。我們的研究還表明，SFE的極性成分發(fā)生了顯著變化。對原始原始墊進行 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，單獨使用二氧化碳除雪不會抑制可焊性（見圖 4）。 
圖 4. 測量的表面自由能。ImSn 和 ENIG 樣品表現(xiàn)出類似的行為。干冰清洗對生墊的潤濕性沒有影響。 5、結(jié)論 干冰清洗可有效去除助焊劑殘留物、弱有機酸 (WOA) 和焊接中常用的其他離子污染物。通過控制樣品的溫度并將其保持在露點以上，可以減少冷凝，從而使離子殘留物不會污染表面。 分析過程中進行的電化學(xué)、光譜和光學(xué)研究的結(jié)果 結(jié)果表明，CO2除雪去除了我們測試樣品中超過 95% 的焊劑污染（表 2）。 單獨使用二氧化碳除雪（在沒有助熔劑的情況下）不會影響金屬的潤濕性完成。 致謝TOOICE突馳科技提供測試設(shè)備。 文章首發(fā)于：https://tooice.net 參考文獻： [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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