一、什么是PCBA加工中常說的白斑
部分
PCBA加工成品中可能會(huì)遇到白斑問題，白斑現(xiàn)象一般出現(xiàn)在焊接過程或焊后清洗過程中，主要表現(xiàn)為PCB表面、引腳及焊點(diǎn)表面或周圍出現(xiàn)白斑或白色殘留物，白斑物質(zhì)的成分可能是結(jié)晶松香、松香變性物、有機(jī)和無機(jī)金屬鹽、組焊劑、助焊劑或清洗劑等反應(yīng)物以及焊接高溫產(chǎn)生的其他化學(xué)物質(zhì)，但大部分是來自于助焊劑中的松香或水溶性酸發(fā)生了化學(xué)變化，造成所產(chǎn)生的物質(zhì)較其原組成更難溶于清洗劑。
一般比較疏松的樹脂殘留物，以相似相溶原理和溶解系數(shù)為理論基礎(chǔ)，，選用不同溶劑的組合來達(dá)到溶脹和溶解后即可清洗去除。但有機(jī)酸會(huì)和錫、鉛等金屬及其金屬氧化物發(fā)生金屬皂化反應(yīng)形成羧酸鹽，且溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)形成越多。這類質(zhì)硬金屬鹽一般溶劑無法清除，需超聲波協(xié)助清理。因此工藝上可通過降低溫度和縮短時(shí)間來減少該類殘留物的形成。另外，焊后有機(jī)物的變性給清洗劑的成分配置帶來困難，再加上組焊劑的品種和PCB生產(chǎn)工藝中的化學(xué)干擾，焊劑中某些溶劑的介入破壞了組焊劑原有表面品質(zhì)，使得白斑現(xiàn)象層出不窮，只有針對(duì)性地選擇清洗劑了。
鑒于白斑的種類比較多，且對(duì)PCBA加工產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)有一定影響，因此有必要找出不同種類白斑產(chǎn)生的原因，白斑現(xiàn)象在波峰焊接及再流焊工藝中均有發(fā)生，白斑成分非常復(fù)雜，成因也不易被預(yù)測(cè)。由于波峰焊接工藝控制較為復(fù)雜，白斑辨識(shí)也較困難，生產(chǎn)中一般可通過以下幾步加以確認(rèn)。
二、PCBA白斑成份辨識(shí)方法
1、PCB辨識(shí)
從問題批量中取出幾塊未插件的裸板，使用一般除助焊劑的清洗程序進(jìn)行預(yù)洗。預(yù)洗后的裸板采用標(biāo)準(zhǔn)組裝工序后清洗。若預(yù)洗后的板子經(jīng)過相同程序后無白斑出現(xiàn)，表示問題是裸板受到污染。確認(rèn)裸板的制造過程是否有問題。
2、助焊劑辨識(shí)
從問題批量中取出幾塊未插件的裸板，不添加助焊劑，但按照標(biāo)準(zhǔn)組裝工序進(jìn)行其他步驟。若無白斑出現(xiàn)，表示問題與助焊劑及焊錫有關(guān)。
3、焊接辨識(shí)
重復(fù)助焊劑辨識(shí)，但略過波峰焊步驟。若無白斑出現(xiàn)，表示問題與焊接溫度太高或時(shí)間太長(zhǎng)有關(guān)。
4、清洗劑/清洗工藝辨識(shí)
標(biāo)準(zhǔn)組裝工序后的PCBA，延長(zhǎng)焊后至清洗的間隔時(shí)間待溫度降至室溫后再進(jìn)行清洗。若無白斑出現(xiàn)，表示問題與清洗工藝溫度有關(guān)。
5、其他成因辨識(shí)
其他原因造成PCBA表面殘留物，可通過光學(xué)方式來檢查其形態(tài)，也可通過滴入水或酒精等溶劑來觀察。若溶于水則表示為無機(jī)物殘留，若溶于酒精則表示為有機(jī)殘留物。
三、PCBA白斑種類及形成原因和清洗方法
常規(guī)PCBA清洗方法可能對(duì)本文涉及的部分頑固性白斑的效果有限。下面根據(jù)不同PCBA白斑出現(xiàn)的原因針對(duì)性介紹相關(guān)清洗方法。白斑大部分是來自于助焊劑中的松香或水溶性酸發(fā)生了化學(xué)變化。下面對(duì)兩種成分產(chǎn)生白斑原因進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。
1、松香樹脂殘留物
含有松香或改性樹脂的助焊劑，主要是由非極性的松香樹脂及少量的鹵化物有機(jī)酸和有機(jī)溶劑組成。鹵化物有機(jī)酸（如乙二酸）等活性物質(zhì)在焊接過程中經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，產(chǎn)物可以是未反應(yīng)的松香、聚合松香、氧化松香、分解的活性劑及鹵化物以及與金屬反應(yīng)產(chǎn)生的金屬鹽等。未反應(yīng)的松香較易除去，但具有潛在危害的反應(yīng)物不容易清除。
2、氧化松香殘?jiān)?/strong>
松香樹脂主要由松香酸組成，由于其分子中有不飽和的雙鍵，很容易被氧化。焊接受熱時(shí)，松香酸迅速氧化成過氧化物和酮類化合物，比原樹脂更不容易溶于溶劑，清洗后在PCB表面就會(huì)出現(xiàn)明顯不規(guī)則分布的白斑，而且在PCB受熱較厲害的部分更加明顯。
這類白斑不能用普通的含氯、含氟溶劑清洗干凈，酒精溶劑或被皂化的水也不能將它清除。常采取兩種辦法：適當(dāng)?shù)牟料捶椒?；用加熱的原始助焊劑將其溶解，然后再用正常的清洗溶劑將它清除?/div>
另外，為了提高松香的抗氧化性，部分助焊劑配方中使用了改性后的氫化松香予以改善。但由于焊接過程中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，此方法并未有效防止白色殘余。
3、聚合松香殘?jiān)?/strong>
松香型助焊劑在焊接過程中發(fā)生聚合反應(yīng)，原因與氧化松香成因一樣。當(dāng)松香聚合時(shí)，會(huì)形成一些長(zhǎng)鏈分子，頑固地牢牢附著在PCB表面，不溶解于任何普通溶劑。值得注意的是，聚合松香形成需焊料表面的錫氧化物做催化劑，去除辦法一般采用和氧化松香同樣的辦法。
4、水解松香殘?jiān)?/strong>
松香本身不溶于水，但在儲(chǔ)存和使用過程中，會(huì)吸收空氣中的潮氣，再用水清洗方式和含水酒精溶劑進(jìn)行清洗時(shí)，同樣會(huì)與水結(jié)合，發(fā)生水解反應(yīng)。松香中被水解的部分一般不溶于清洗溶劑，但其形成本身是個(gè)可逆過程，給水解松香緩慢加熱到100 ℃，水解松香將會(huì)分解，然后用常規(guī)溶劑將其去除。但若加熱控制不當(dāng)，將導(dǎo)致其發(fā)生不可預(yù)料的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，形成更難清洗的其他殘留。
5、有機(jī)酸焊劑殘留物
含有機(jī)酸的助焊劑殘留物，主要是未反應(yīng)的有機(jī)酸（如乙二酸、丁二酸等）及其金屬鹽類。大多數(shù)無色免清洗助焊劑就是這一類，主要由多元有機(jī)酸組成，也包括常溫下無鹵素離子而焊接高溫時(shí)產(chǎn)生鹵離子的化合物，有時(shí)也包括極少量的極性樹脂。有機(jī)酸與焊料形成的鹽類有較強(qiáng)吸附性能，且溶解性極差。使用水溶性助焊劑時(shí)，更大量的這類殘余物及鹵化物鹽類會(huì)產(chǎn)生，但由于及時(shí)的水清洗，這類殘留物可以得到很大程度的降低。
6、免清洗助焊劑造成的殘?jiān)?/strong>
免清洗助焊劑焊后，焊點(diǎn)表面一般有一層透明的膠膜將殘?jiān)o緊包裹，但若進(jìn)行清洗破壞了這層透明物質(zhì)，暴漏的殘?jiān)鼘⒁噪y溶白色斑塊表現(xiàn)出來，其基本成分和上述殘?jiān)愃啤?/div>
7、水清洗工藝造成的殘留
水清洗過程中，皂化劑過于集中或活性過強(qiáng)，會(huì)引起PCBA焊料表面的氧化，形成白色的氧化錫膜。若水清洗過程中使用了鋁或鋅的夾具（如清洗籃），或?qū)⑵溆昧谆に囯婂?，鋁或鋅將首先被氧化而形成氧化鋁或氧化鋅薄膜，或者是混合磷/鋅薄膜，污染焊錫表面。鋁夾具還會(huì)和水溶液中的皂化劑發(fā)生反應(yīng)，在鋁的表面形成白色殘留，通過水轉(zhuǎn)移到PCBA表面，造成污染。
另外，若清洗用水為硬水，將富含鎂、鐵或鈣，當(dāng)PCBA清洗干燥后，也會(huì)留下白色的殘留。正常情況下，水會(huì)被強(qiáng)制從板面吹走，以免水溶性白色殘留在板面，但此方法往往不怎么有效，即使是軟水，清洗后也常常有白色的鈉鹽留在板面。
8、PCBA材料兼容性不佳造成的殘留
? PCB+松香助焊劑+焊料殘?jiān)?/div>
PCB層壓結(jié)構(gòu)中未反應(yīng)完全的環(huán)氧氯丙烷會(huì)引起松香助焊劑的聚合反應(yīng)，不過焊料氧化物的存在是其聚合反應(yīng)的先決條件。要解決此問題，首先要保證PCB層壓材料的完全固化。
? PCB+助焊劑殘留
PCB層壓結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧樹脂由環(huán)氧氯丙烷和四溴雙酚A熱固化而成，其中溴是作為阻燃劑而添加的。環(huán)氧樹脂由于種種原因，有時(shí)并不能完全固化，其中的溴苯酚在高溫下（135℃）發(fā)生分解反應(yīng)，形成溴離子并與富鉛的焊料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成白色的溴化鉛，并與金屬的氯化鹽混合，不溶于任何酒精和水，但溶于稀鹽酸。要根本上解決此問題，PCB制造商必須控制好其制造工藝。
? 焊料+松香助焊劑殘?jiān)?/div>
焊接過程中焊料、元器件引腳的Sn、Pb、Cu、Fe等元素會(huì)和助焊劑中的酸發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成一系列復(fù)雜的化合物，其中以Sn和Pb的松香酸脂和海松酸甲酯為多。要解決此問題，需通過一些預(yù)防性措施，比如對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，減少松香受熱時(shí)間等。
? 焊料+鹵化物活性劑殘?jiān)?/div>
焊接過程中助焊劑里活性劑和各種成分發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，形成金屬鹵酸鹽，通常是Sn、Pb、Cu的氯化物，被固化的松香類樹脂緊緊包裹，活性難以發(fā)揮，主要表現(xiàn)為半透明的高絕緣性物質(zhì)，在一定程度上影響了外觀。一旦進(jìn)行清洗，膠膜被破壞，氯化物會(huì)進(jìn)一步與空氣中水分和二氧化碳形成碳酸鹽，主要為白色碳酸鉛和氫氧化鉛。圖11為有鉛焊點(diǎn)存放一段時(shí)間后出現(xiàn)白斑的現(xiàn)象及成因。要避免此類問題發(fā)生，可選用低活性助焊劑或不做任何清洗，或徹底清洗。
? 焊料+清洗劑殘?jiān)?/div>
含氯含氟的清洗劑常用來清洗焊后PCBA表面殘留物，清洗劑中各種鹵化物離子與金屬發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成難容的化合物，最常見的依然為氯化鉛和碳酸鉛。要避免此類問題出現(xiàn)，最好用干凈未過時(shí)的清洗劑，同時(shí)避免產(chǎn)品吸潮。
四、怎么避免PCBA白斑的產(chǎn)生
1、控制PCB及元器件清潔度
PCB與元器件來料應(yīng)保證表面無明顯污染物，元器件表面的污染物也會(huì)因工藝原因帶到PCB上。一般PCB的離子污染應(yīng)控制在1.56 mg/cm 2 (NaCl)以下，元器件在保持可焊性的同時(shí)，保證同樣的清潔度。
2、防止PCBA轉(zhuǎn)移過程污染
組裝好的PCBA隨意堆放，車間環(huán)境未達(dá)到無塵車間要求，人員操作不合規(guī)范等，極易引起PCBA板面的污染，因此應(yīng)采取必要的措施，保證作業(yè)條件清潔度要求。
3、焊劑或焊膏的選擇
選用低固含量或免清洗的焊劑或焊膏，并盡量?jī)?yōu)化工藝，保持PCBA板面清潔度最佳。一般新焊材的應(yīng)用最好通過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，然后再確定。
4、加強(qiáng)工藝控制
PCBA板面殘留物主要來自于焊劑，因此在保證焊接質(zhì)量條件下，盡可能提高焊接時(shí)的預(yù)熱溫度及焊接溫度，以及必要的焊接時(shí)間，使盡可能多的離子殘余會(huì)隨著高溫分解或揮發(fā)。另外，采用防潮樹脂保護(hù)等措施，也能間接地防治或降低離子殘留物的影響。
5、使用清潔新工藝
PCBA板面的離子污染絕大部分在清洗前難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。要么與客戶協(xié)商降低要求，要么進(jìn)行嚴(yán)格的清洗工序。目前由于環(huán)保要求，許多性能好的溶劑可能不被使用，必須選用清潔工藝，又不對(duì)環(huán)境造成新的污染，這是件非常不容易的事情。
焊后殘余物是直接影響產(chǎn)品質(zhì)量極為重要的一環(huán)，離子性殘余易引起電遷移造成絕緣性下降，松香樹脂性殘余易吸附灰塵或雜質(zhì)引起接觸電阻增大甚至開路失效，焊后需進(jìn)行嚴(yán)格的清洗。隨著電子產(chǎn)品對(duì)可靠性要求的重視，清洗工藝將會(huì)得到推廣與應(yīng)用，尤其是在航天、航空等電子設(shè)備中。電子產(chǎn)品制造商應(yīng)當(dāng)根據(jù)產(chǎn)品類型和自身?xiàng)l件，合理選擇清洗工藝，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。
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