我国PCB板非ODS清洗技术现状引发的思考
来源：龙人计算机研究所 作者：站长 时间：2009-11-17 15:29:51
1.背景
1.1印刷电路板的非ODS清洗技术已基本解决
在联合国开发计划署（UNDP）、国家环境保护总局、信息产业部、清洗行业特别工作组、中国洗净工程技术合作协会及其专家委员会、专业厂商等的支持、组织、努力下，我国印刷电路板（PCB）清洗的ODS替代技术，参照、吸收了先进国家和地区的经验，并进行了国情化改进与创新，已基本解决。这在非ODS清洗展览会、交流会、《洗净技术》上都有交流与报导，特别是在中国清洗行业ODS淘汰全国工作会议《文件汇编》、原信息产业部电子第四十六所发表的《印制电路板非ODS清洗技术》、由国家环境保护总局清洗行业特别工作组组织、北京大学环境学院负责编写的《清洗技术基础教程》第七章“清洗替代技术及其发展趋势”和《洗净技术》2004年6、7期连载的《印制电路板的清洗技术》等文章中，均做了比较系统的介绍。
1.2当今的思考
1.2.1对行业发展的思考：
我国的电子信息制造业，2003年大陆的产值已近1.5万亿元人民币，其中作为设备产品基础部件的PCB占到整机的15～35%；目前境内PCB组装主机、进口贴片机已达5200多台，进口的SMT设备占全球的30%左右，电子信息设备产品已扩展到各个领域：生活用、工业用，民用、军用，当地使用、出口境外，一般环境、恶劣环境等等，无所不到。由清洗参与的PCB生产，一方面规模大、关系我国的国民经济，大有用武之地；另一方面，技术要求各不相同，必然要有多种应对技术，除一般解决方案，还需有专用解决方案。
1.2.2对技术发展的思考随着“全球市场”、“全球制造”格局的兴起，全球竞争更为激化，电子设备产品正朝着更精密化、更高科技化方向急速发展着，对PCB及PCB清洗有了更高的要求。如：
（1）感知与处理的信号更加微弱与灵敏。这就要求更小的背景“噪声”，也就要有更为洁净的PCB；
（2）工作频率更高，带宽更宽。也就要求电路环境的更高的一致性，更少的引起干扰的异物；
（3）更轻、小型化；
①更轻、小元件，如0201以至更小的chip元件的引入。
②更高的组装密度，如元件间距小于0.2mm。这些都涉及组装清洗的技术负担。
（4）结构不同、焊点清洗部位隐蔽的新型器件如：microBGAs、Flip-Chips等的引入。
（5）更高的耐（电）压趋势。
（6）更恶劣的工作环境的适应性等等。
所有这些，一方面，扩大了PCB的清洗面，原不需作清洗处理的，现今要作清洗处理了；这就要消耗资源，增大成本，削弱竞争力，从而要有更优化的解决方案。另一方面，提出了新的技术需求，其一是：更精深的清洗技术；其二是：适应新型元器件组装的清洗技术。这就涉及了清洗的工作负荷和清洗的技术负荷。
1.2.3对无铅焊的思考
无铅焊的兴起，为适应无铅焊的清洗，更加大了PCB的非ODS清洗技术的复杂性。当然也可看作是两步并作一步完成的机遇，但毕竟加大了前进的跨距。
为此，总体而论，当今PCB清洗，其技术要求远比氟氯烃ODS工艺时期更高了，而技术的制约性又远比氟氯烃ODS时期更严了。这也就是需有多种解决方案的内在原因，也就是再要有“当今思考”的原因。
面临的发展趋势及引发的思考，诸如：
①新型元器件的组装清洗
②无铅焊的组装清洗
③小产量清洗技术
④优化技术方案
2．面临的发展趋势
2.1新型元器件的组装清洗
BGA封装，由于其结构优势，今后将更为普及。它正在向微细球距方向发展，到了microBGAs，焊后用以作为清洗液通道的与PCB的间隙变得十分微细，由此引起了新的清洗问题如：
（1）当它与其它的元器件一并组装在PWB上成为PCB时，清洗液的渗入与排除以及相邻元器件的阻挡就要有新的关注；
（2）由于其价格相对昂贵，都希望一次组装成功，从而在焊剂的选用上大都放大了可焊性的保障考虑，将会相对放大焊剂的活性与用量。这就增大了对清洗的负荷。
（3）更重要的是无法目视，也无法透视，也就难以评价其洁净程度；现实的办法，只能依赖于清洗技术的保证。
以上这些在未有足够实践之前，还是要有谨慎的关注，必须解决好：
（1）焊剂选择与清洗工艺的匹配以及焊后残渣的性质与数量的控制；
（2）清洗剂的流入、流出的通道和相邻元器件阻挡；
（3）尽量选用低粘度清洗剂；
（4）干燥热风的走向与阻挡；
已有的一些考虑与设备技术：
（1）离心技术
（2）“垂直液流刀”技术
再如Flip-Chips等，更为精微，其焊球的直径以及与PCB的间隙小到0.2mm以下，都有它们更特殊的问题要思考。一些技术与设备供应商为此也已有特别的供应注明，如：“所提供的设备能应用于microBGAs和Flip-Chips的处理”，自有它独到的技术用意。
2.2无铅焊组装清洗
无铅焊，同样是为保护环境的大势所趋，势在必行。而无铅焊，其难度远大于非ODS清洗，至今未有较满意的定论。其焊料品种繁多，但可焊性无一可及含铅焊料，明显影响到焊后的清洗。
2.2.1可焊性无一可及含铅焊料，从而：
①更求助于助焊剂的活性，一般需选择更高活性的助焊剂；
②更求助于助焊剂的用量，以适应更多污物（氧化物）的处理；在波峰焊时，大都将发泡涂布改为了喷雾涂布。
2.2.2焊接温度一般高于含铅焊料
除个别配方的共晶温度低于含铅焊料很多以外，有实用意义的无铅料的焊接温度大都高出含铅焊料几十度。
由于这些原因，无铅焊后的残渣量和洗净难度，大都高于含铅焊料。为此，在实际生产中，特别在延用含铅焊料的清洗工艺时，需有精心的关注和技术的适应性调整。我国无铅焊工艺尚在起步阶段，感受与经验还相当有限。更要注意的是，如上所述：①PCB生产，相对于清洗、焊接更是主工序；②相对于非ODS清洗，无铅焊又更有技术难度，从而要有迁就无铅焊发展的非ODS清洗技术的准备。事实上，无铅焊技术开发中，至今只想极力借助助焊剂的支持，根本顾不上为简化清洗而选择助焊剂。
当然，导电胶工艺，可免除清洗，但很难成为主流技术。
2.3小产量清洗技术
以前ODS的淘汰工作，集中力量于ODS耗量大、一般技术又能解决的PCB生产“大户”，未顾及产量小、又有特殊要求的众多生产“小户”。“大户”解决后，“小户”的问题即浮现了出来。
2.3.1这些“工厂”的特点是：
①产量小；
②户数多；
③设备简单，大都为手工、半手工；
④技术知识有限；作为辅助工种，无专人经管；
⑤对PCB洁净度的要求，往往比较高；
⑥元器件品种多，高精、新型元器件更多。
2.3.2一般的技术考虑
①对人体、防火、防爆安全的高保障；
②PCB洁净度的高保证；
③能适应高精、新型元器件，如microBGAs、Flip-chips等等。
④起动、操作、维护简易；
⑤零排污或近零排污；
⑥设备小巧，占地少。
2.3.3设想与建议
立专项支持，以研究、选配、设计出典型性的工艺和设备，供大家共享，以彻底替代ODS，如：
①一般水基清洗工艺和设备
a.适用于一般技术要求的清洗；
b.由DFM和组装焊接规范支持；
c.零排放，近零排放；
d.使用、维护简易、清洁安全。
②高精水基清洗工艺和设备
a.胜任高精、高密、组装有microBGAs、Flip-Chips等高新元器件的高洁净清洗；
b.由DFM和组装焊接规范支持；
c.零排放、近零排放；
d.参数自控，特别是洁净度自控
e.设备整体整洁、精美。
③高精溶剂清洗工艺和设备
a.胜任高精、高密、组装有microBGAs、Flip-Chips等高新元器件的高洁净清洗；
b.由DFM和组装焊接规范支持；
c.无毒、低毒、防火、防爆；
d.溶剂内循环，低排污；
e.参数自控，特别是洁净度自控
f.设备整体整洁、精美。
2.4优化技术方案
ODS替代，即使在国际上也属新事物，我国更是近几年的事；PCB的清洗又有极为复杂的材料相容性和电气相容等的困难，技术基础薄弱，而时间紧迫，特别又遇上无铅焊，新型元器件，以及电子技术高科技化趋势等等，技术准备就更显得不够充分。正如很多专着中提及的，如：
（1）溶剂型的人身安全，防火、防爆，设备操作技术要求高等难题并未彻底解决。
（2）水基、半水基的耗水、耗电大，废水污染等问题同样未有满意的解决方案；
（3）设备占地大，不紧凑；
（4）生产成本高；
这些与电子信息产业的精巧、精干的特色尚不相称。希望在这代设备磨损更新时，有更先进更完善的技术和设备成长起来。当前，这方面已有了一些好的迹象，如：
（1）声称能胜任microBGAs、Flip-chips等新型元器件组装的非ODS清洗；
（2）声称污水达到零排放，或近零排放；
（3）体积小，占地少，精巧，紧凑；
（4）耗电、耗水少。
（5）半自动、非流水，占用的劳动力并不更多；流水、自动，效率高、产量大。
（6）全局的参数自控、特别是洁净度的自控（7）“柔性化”的趋向。
以上这些，均有助于PCB的非ODS清洗技术向纵深发展。
3.结语
我国PCB清洗的ODS替代，正面临着向纵深发展、更上一层楼的转折。PCB的清洗，原本是PCB组装的辅助工序，其工艺技术必然与组装相互制约。研发ODS替代技术时，孤立地就事论事、就清洗论清洗，不与上下工序一体思考，不延伸到上下游互动，就很难有更上一层楼的优化解决方案出现。例如：不把清洗的液流阻挡的排除，作为DFM（面向制造的设计）的制约因素归进PCB设计，不把清洗的要求作为助焊剂选择的制约因素去选择助焊剂等等，就难有高质量、低成本、快速度的全局优化的非ODS清洗方案出现；洁净度与产量也将难有保证。另一方面，也说明，“优化”是有前提的，是因地制宜的。
更优的清洗技术，有助于将ODS替代彻底进行到底、有助于我国电子信息制造业这经济主力军的参与全球市场的竞争；另一方面，更上一层楼的先进技术，也有助于有作为的清洗技术厂商赢得更为广阔的市场机遇。
1.1印刷电路板的非ODS清洗技术已基本解决
在联合国开发计划署（UNDP）、国家环境保护总局、信息产业部、清洗行业特别工作组、中国洗净工程技术合作协会及其专家委员会、专业厂商等的支持、组织、努力下，我国印刷电路板（PCB）清洗的ODS替代技术，参照、吸收了先进国家和地区的经验，并进行了国情化改进与创新，已基本解决。这在非ODS清洗展览会、交流会、《洗净技术》上都有交流与报导，特别是在中国清洗行业ODS淘汰全国工作会议《文件汇编》、原信息产业部电子第四十六所发表的《印制电路板非ODS清洗技术》、由国家环境保护总局清洗行业特别工作组组织、北京大学环境学院负责编写的《清洗技术基础教程》第七章“清洗替代技术及其发展趋势”和《洗净技术》2004年6、7期连载的《印制电路板的清洗技术》等文章中，均做了比较系统的介绍。
1.2当今的思考
1.2.1对行业发展的思考：
我国的电子信息制造业，2003年大陆的产值已近1.5万亿元人民币，其中作为设备产品基础部件的PCB占到整机的15～35%；目前境内PCB组装主机、进口贴片机已达5200多台，进口的SMT设备占全球的30%左右，电子信息设备产品已扩展到各个领域：生活用、工业用，民用、军用，当地使用、出口境外，一般环境、恶劣环境等等，无所不到。由清洗参与的PCB生产，一方面规模大、关系我国的国民经济，大有用武之地；另一方面，技术要求各不相同，必然要有多种应对技术，除一般解决方案，还需有专用解决方案。
1.2.2对技术发展的思考随着“全球市场”、“全球制造”格局的兴起，全球竞争更为激化，电子设备产品正朝着更精密化、更高科技化方向急速发展着，对PCB及PCB清洗有了更高的要求。如：
（1）感知与处理的信号更加微弱与灵敏。这就要求更小的背景“噪声”，也就要有更为洁净的PCB；
（2）工作频率更高，带宽更宽。也就要求电路环境的更高的一致性，更少的引起干扰的异物；
（3）更轻、小型化；
①更轻、小元件，如0201以至更小的chip元件的引入。
②更高的组装密度，如元件间距小于0.2mm。这些都涉及组装清洗的技术负担。
（4）结构不同、焊点清洗部位隐蔽的新型器件如：microBGAs、Flip-Chips等的引入。
（5）更高的耐（电）压趋势。
（6）更恶劣的工作环境的适应性等等。
所有这些，一方面，扩大了PCB的清洗面，原不需作清洗处理的，现今要作清洗处理了；这就要消耗资源，增大成本，削弱竞争力，从而要有更优化的解决方案。另一方面，提出了新的技术需求，其一是：更精深的清洗技术；其二是：适应新型元器件组装的清洗技术。这就涉及了清洗的工作负荷和清洗的技术负荷。
1.2.3对无铅焊的思考
无铅焊的兴起，为适应无铅焊的清洗，更加大了PCB的非ODS清洗技术的复杂性。当然也可看作是两步并作一步完成的机遇，但毕竟加大了前进的跨距。
为此，总体而论，当今PCB清洗，其技术要求远比氟氯烃ODS工艺时期更高了，而技术的制约性又远比氟氯烃ODS时期更严了。这也就是需有多种解决方案的内在原因，也就是再要有“当今思考”的原因。
面临的发展趋势及引发的思考，诸如：
①新型元器件的组装清洗
②无铅焊的组装清洗
③小产量清洗技术
④优化技术方案
2．面临的发展趋势
2.1新型元器件的组装清洗
BGA封装，由于其结构优势，今后将更为普及。它正在向微细球距方向发展，到了microBGAs，焊后用以作为清洗液通道的与PCB的间隙变得十分微细，由此引起了新的清洗问题如：
（1）当它与其它的元器件一并组装在PWB上成为PCB时，清洗液的渗入与排除以及相邻元器件的阻挡就要有新的关注；
（2）由于其价格相对昂贵，都希望一次组装成功，从而在焊剂的选用上大都放大了可焊性的保障考虑，将会相对放大焊剂的活性与用量。这就增大了对清洗的负荷。
（3）更重要的是无法目视，也无法透视，也就难以评价其洁净程度；现实的办法，只能依赖于清洗技术的保证。
以上这些在未有足够实践之前，还是要有谨慎的关注，必须解决好：
（1）焊剂选择与清洗工艺的匹配以及焊后残渣的性质与数量的控制；
（2）清洗剂的流入、流出的通道和相邻元器件阻挡；
（3）尽量选用低粘度清洗剂；
（4）干燥热风的走向与阻挡；
已有的一些考虑与设备技术：
（1）离心技术
（2）“垂直液流刀”技术
再如Flip-Chips等，更为精微，其焊球的直径以及与PCB的间隙小到0.2mm以下，都有它们更特殊的问题要思考。一些技术与设备供应商为此也已有特别的供应注明，如：“所提供的设备能应用于microBGAs和Flip-Chips的处理”，自有它独到的技术用意。
2.2无铅焊组装清洗
无铅焊，同样是为保护环境的大势所趋，势在必行。而无铅焊，其难度远大于非ODS清洗，至今未有较满意的定论。其焊料品种繁多，但可焊性无一可及含铅焊料，明显影响到焊后的清洗。
2.2.1可焊性无一可及含铅焊料，从而：
①更求助于助焊剂的活性，一般需选择更高活性的助焊剂；
②更求助于助焊剂的用量，以适应更多污物（氧化物）的处理；在波峰焊时，大都将发泡涂布改为了喷雾涂布。
2.2.2焊接温度一般高于含铅焊料
除个别配方的共晶温度低于含铅焊料很多以外，有实用意义的无铅料的焊接温度大都高出含铅焊料几十度。
由于这些原因，无铅焊后的残渣量和洗净难度，大都高于含铅焊料。为此，在实际生产中，特别在延用含铅焊料的清洗工艺时，需有精心的关注和技术的适应性调整。我国无铅焊工艺尚在起步阶段，感受与经验还相当有限。更要注意的是，如上所述：①PCB生产，相对于清洗、焊接更是主工序；②相对于非ODS清洗，无铅焊又更有技术难度，从而要有迁就无铅焊发展的非ODS清洗技术的准备。事实上，无铅焊技术开发中，至今只想极力借助助焊剂的支持，根本顾不上为简化清洗而选择助焊剂。
当然，导电胶工艺，可免除清洗，但很难成为主流技术。
2.3小产量清洗技术
以前ODS的淘汰工作，集中力量于ODS耗量大、一般技术又能解决的PCB生产“大户”，未顾及产量小、又有特殊要求的众多生产“小户”。“大户”解决后，“小户”的问题即浮现了出来。
2.3.1这些“工厂”的特点是：
①产量小；
②户数多；
③设备简单，大都为手工、半手工；
④技术知识有限；作为辅助工种，无专人经管；
⑤对PCB洁净度的要求，往往比较高；
⑥元器件品种多，高精、新型元器件更多。
2.3.2一般的技术考虑
①对人体、防火、防爆安全的高保障；
②PCB洁净度的高保证；
③能适应高精、新型元器件，如microBGAs、Flip-chips等等。
④起动、操作、维护简易；
⑤零排污或近零排污；
⑥设备小巧，占地少。
2.3.3设想与建议
立专项支持，以研究、选配、设计出典型性的工艺和设备，供大家共享，以彻底替代ODS，如：
①一般水基清洗工艺和设备
a.适用于一般技术要求的清洗；
b.由DFM和组装焊接规范支持；
c.零排放，近零排放；
d.使用、维护简易、清洁安全。
②高精水基清洗工艺和设备
a.胜任高精、高密、组装有microBGAs、Flip-Chips等高新元器件的高洁净清洗；
b.由DFM和组装焊接规范支持；
c.零排放、近零排放；
d.参数自控，特别是洁净度自控
e.设备整体整洁、精美。
③高精溶剂清洗工艺和设备
a.胜任高精、高密、组装有microBGAs、Flip-Chips等高新元器件的高洁净清洗；
b.由DFM和组装焊接规范支持；
c.无毒、低毒、防火、防爆；
d.溶剂内循环，低排污；
e.参数自控，特别是洁净度自控
f.设备整体整洁、精美。
2.4优化技术方案
ODS替代，即使在国际上也属新事物，我国更是近几年的事；PCB的清洗又有极为复杂的材料相容性和电气相容等的困难，技术基础薄弱，而时间紧迫，特别又遇上无铅焊，新型元器件，以及电子技术高科技化趋势等等，技术准备就更显得不够充分。正如很多专着中提及的，如：
（1）溶剂型的人身安全，防火、防爆，设备操作技术要求高等难题并未彻底解决。
（2）水基、半水基的耗水、耗电大，废水污染等问题同样未有满意的解决方案；
（3）设备占地大，不紧凑；
（4）生产成本高；
这些与电子信息产业的精巧、精干的特色尚不相称。希望在这代设备磨损更新时，有更先进更完善的技术和设备成长起来。当前，这方面已有了一些好的迹象，如：
（1）声称能胜任microBGAs、Flip-chips等新型元器件组装的非ODS清洗；
（2）声称污水达到零排放，或近零排放；
（3）体积小，占地少，精巧，紧凑；
（4）耗电、耗水少。
（5）半自动、非流水，占用的劳动力并不更多；流水、自动，效率高、产量大。
（6）全局的参数自控、特别是洁净度的自控（7）“柔性化”的趋向。
以上这些，均有助于PCB的非ODS清洗技术向纵深发展。
3.结语
我国PCB清洗的ODS替代，正面临着向纵深发展、更上一层楼的转折。PCB的清洗，原本是PCB组装的辅助工序，其工艺技术必然与组装相互制约。研发ODS替代技术时，孤立地就事论事、就清洗论清洗，不与上下工序一体思考，不延伸到上下游互动，就很难有更上一层楼的优化解决方案出现。例如：不把清洗的液流阻挡的排除，作为DFM（面向制造的设计）的制约因素归进PCB设计，不把清洗的要求作为助焊剂选择的制约因素去选择助焊剂等等，就难有高质量、低成本、快速度的全局优化的非ODS清洗方案出现；洁净度与产量也将难有保证。另一方面，也说明，“优化”是有前提的，是因地制宜的。
更优的清洗技术，有助于将ODS替代彻底进行到底、有助于我国电子信息制造业这经济主力军的参与全球市场的竞争；另一方面，更上一层楼的先进技术，也有助于有作为的清洗技术厂商赢得更为广阔的市场机遇。
