Znečištění desek plošných spojů: Příčiny, důsledky a metody čištění

Moderní desky plošných spojů jsou vícevrstvé a komplexní součásti elektroniky, na které se klade velký důraz na čistotu pro zajištění spolehlivosti elektro výrobku. Selhání těchto součástek způsobených kontaminací je nechtěné, a proto je důležité věnovat pozornost čištění PCB a také testování.

Nečistoty při výrobě a jejich vliv na PCB

Kontaminace, zejména škodlivá přítomnost určitých kovů v pájce, má významný vliv na kvalitu a spolehlivost pájených spojů. Tato kontaminace výrazně ovlivňuje mikrostrukturu spoje, pevnost, křehkost, smáčecí vlastnosti a elektrické vlastnosti rezistence. Problémy spojené s pájením, jako jsou krápníky, matný povrch, praskliny ve spoji nebo nezaplněné horní strany pokovených otvorů, mohou mít příčinu ve zvýšené úrovni kontaminací v pájce.

Nečistoty v pájce a jejich nebezpečí

• Aluminium (Al): Malé množství Al se rozpouští v cínu při zvýšených teplotách, což vede ke zhoršení adheze, zrnitosti, větší viskozitě pájky, a může podporovat oxidaci povrchu pájky.
• Antimon (Sb): Příměs Sb výrazně zlepšuje smáčivost, omezuje růst whiskerů* a eliminuje cínový mor. Zároveň zvyšuje pevnost pájky.
• Arsen (As): Škodlivá příměs, která vytváří dlouhé jehlice v mikrostruktuře a způsobuje nesmáčivost.
• Bismut (Bi): Příměs do slitiny, zlepšuje smáčecí charakteristiky a vede k pozitivním změnám v mřížce.

*Whisker je tenký, vlasovitý výrůstek, který se může objevit na povrchu kovových materiálů. Whiskery se často vytvářejí na povrchu pájky, zejména na pájených spojích. Tyto mikroskopické struktury mají podobu jemných vlasů nebo jehlic a mohou se postupně prodlužovat.

Nečistoty substrátu a součástek

• Železo (Fe): Kontaminace železem způsobuje křehkost a zrnitost pájky.
• Ostatní kovy: Mnoho dalších kovů (Mg, Ni, Au, Cu, Ag, Zn) tvoří intermetalické sloučeniny, které mohou ovlivnit vlastnosti pájky.

Nečistoty ze samotné výroby

Kontaminace může vzniknout zejména z kovových vrstev na substrátu, rozpouštění součástek, a nečistoty při zpracování a rozpouštění DPS. Další zdroje jako kovy mohou přispět k nečistotám v pájce a ovlivnit vlastnosti spoje.

Vyhodnocení a kontrola úrovně nečistot ve spoji jsou klíčovými kroky při zajišťování kvality a spolehlivosti pájených spojů na PCB. Vysoká úroveň kontaminací může způsobit vážné problémy s elektronickými součástkami, a proto je nutné věnovat pozornost výběru pájky a monitorovat proces pájení s cílem minimalizovat výskyt nečistot.

Čtěte také: Životní Prostředí a jeho Znečištění

Příčiny kontaminace

Existují dva hlavní typy kontaminace: iontová a beziontová. Iontová kontaminace je často způsobena zbytky tavidla a obsahuje většinou anorganické soli nebo kyseliny. Tyto zbytky mohou vést k vodivosti roztoku, což vytváří prostředí pro korozi a růst dendritů, což v konečném důsledku může způsobit selhání desky. Beziontová kontaminace zahrnuje nevodivé látky jako oleje, inertní zbytky tavidla nebo tuky.

Identifikace zdroje kontaminace

Bílé skvrny, známé jako white residue, jsou častým projevem iontové kontaminace. Tyto kovové soli fungující jako aktivátory v tavidlech, mohou způsobit problémy, zejména pokud není provedeno dostatečné čištění. Identifikace zdroje kontaminace je nezbytným krokem při řešení problému. Změny v procesech, použitých materiálech nebo čistících kapalinách mohou vést k nečekaným zbytkům a obtížím při čištění.

Jak vyčistit desky plošných spojů

Volba správné čisticí kapaliny pro desky plošných spojů (DPS) závisí na několika faktorech, včetně typu kontaminace, materiálu DPS, použité pájky a požadované úrovně čistoty.

Neiontová kapalina

Pro odstranění neiontové kontaminace, jako jsou oleje, inertní zbytky tavidla, pryskyřice a tuky, je často doporučeno používat neiontové čisticí kapaliny. Tyto kapaliny jsou navrženy tak, aby nezanechávaly iontová rezidua, která by mohla ovlivnit vodivost na DPS.

Vyhýbání se bílým skvrnám

Pro prevenci bílých skvrn, které jsou často spojeny s iontovou kontaminací, je důležité vybrat čisticí kapalinu, která je efektivní při odstraňování zbytků tavidla a zároveň minimalizuje rezidua.

Čtěte také: Druhy dopravy a znečištění vody

Výběr vhodné čisticí kapaliny je rozhodující pro efektivní čištění. Moderní čisticí prostředky s nízkou viskozitou, povrchovým napětím, které dokážou efektivně odstranit zbytky tavidla pod hustě osazenými součástkami, jsou ideálním řešením.

Ověření procesu čištění PCB

Vizuální kontrola je jedním z nejjednodušších způsobů hodnocení čistoty desky. Avšak, nespoléhejte se pouze na ni, protože některé iontové kontaminace nejsou viditelné opticky. Metody, jako je test odporu povrchové izolace (SIR) nebo iontová chromatografie (IC), poskytují kvantitativní výsledky a umožňují efektivnější identifikaci znečištění.

Testování odporu povrchové izolace (SIR) a iontová chromatografie (IC)

SIR test měří spolehlivost elektrických součástek sledováním síly a kvality signálu po čištění. IC je obvyklá klasifikace pro ohodnocení čistoty PCB, detekuje slabé organické kyseliny a jednotlivé ionty. Iontová chromatografie může být dražší, ale poskytuje nejspolehlivější výsledky při hodnocení čistoty desek.

Čistěte i při použití bezoplachové pasty

Bezoplachová tavidla mohou bránit správnému přilnutí ochranných laků na povrch desky. To je problém především u desek, které jsou vystaveny náročným vlivům okolního prostředí. Zbytky po pájení totiž mohou absorbovat vlhkost, která se během vytvrzení uvolní a lak se pak oddělí od desky. Tak se může na desku dostat prach nebo voda, které potom proniknou dál a mohou způsobit korozi, problémy s přenosem signálu, případně i selhání celé desky. Odstranění veškerých zbytků po pájení může těmto problémům účinně zabránit.

Inovace v oblasti čisticích prostředků a testovacích metod přináší výrazné vylepšení v oblasti spolehlivosti a životnosti elektronických součástek. Moderní čisticí procesy nabízejí nejen kvalitnější čištění, ale také ekonomické benefity pro vývojáře elektroniky. Díky pokročilým možnostem čištění dosahují výrobci vyšší kvality PCB a zajistí spolehlivý provoz moderních elektronických zařízení.

Čtěte také: Hlukové znečištění a velryby

Polovodní čištění desek plošných spojů

Při použití polovodních rozpouštědel je možno docílit dobrého čištění desek SMT i s těmi nejmenšími mezerami a pracovat se všemi dostupnými typy tavidel. S polovodními rozpouštědly je možno použít několik čisticích metod. Pracoviště, které montují malá množství desek, mohou používat dávkové nebo ultrazvukové čištění. Pro větší objemy může být výhodnější systém průchozího postřiku.

Průchozí postřikovací systémy mohou stříkat přímo nebo při ponoření. Přímé systémy stříkají rozpouštědlo přímo na desku plošného spoje. V systémech s postřikem pod ponořením dopravník nesoucí desku plošného spoje prochází pod povrchem rozpouštědla v prací sekci, kde se účinek postřiku projevuje mícháním rozpouštědlem.

Fáze polovodního čištění

• Praní: Polovodní procesy zpravidla nevyžadují průběžnou analýzu lázně. Rozpouštědlo je možno používat v průchozích strojích tak, jak přichází od výrobce. Postřik zlepšuje čisticí účinek rozpouštědla.
• Oplach emulsí: O emulsním stupni můžeme hovořit jako o prvním oplachu. V čisticích strojích, vybavených emulsním oplachem, je jímka izolována od zbývajícího systému. Rozpouštědlo a vodní roztok z tohoto stupně pomalu přetékají nebo jsou čerpány do odlučovacího systému. Čisticí prostředek je možno nasávat z horní části odlučovače a recyklovat do prací sekce, pokud není úroveň znečištění pryskyřicí příliš vysoká.
• Vzduchové nože: Většinu rozpouštědla odstraní z desky plošného spoje první vzduchový nůž, umístěný na výstupu praní rozpouštědlem. Je-li instalován emulsní stupeň, druhý vzduchový nůž může bezprostředně následovat, aby ochránil oplachové sekce před křížovým znečišťováním; druhý vzduchový nůž může být použit mezi prvním a druhým oplachem. Vzduchové nože byly původně používány k regulaci odnášené lázně.
• Oplach: Oplach odstraňuje koncentrované rozpouštědlo, které neodstranil vzduchový nůž, a přebytečné zbytky, pokud nějaké jsou. Rozpouštědla mají nízkou těkavost, která jim brání v odpařování z desky plošného spoje. Řada výrobců zařízení doporučuje používat k oplachu desky deionizovanou vodu. Avšak výsledky při používání zahřáté vodovodní vody v oplachovém stupni jsou srovnatelné s výsledky, získanými při používání deionizované vody.
• Sušení: Po konečném poplachu se přebytečná voda z desky plošného spoje odstraní, aby se předešlo případnému poškození součástek a minimalizovala možnost znečištění vodními kapkami na desku plošného spoje. Většina průchozích polovodních čisticích strojů má alespoň dva sušicí stupně. Každý stupeň má vzduchový nůž, jenž odfoukne přebytečnou povrchovou vodu z desky zahřátým vzduchem, a infračervenou /konvekční sekci.

Úprava vody

Průchozí polovodní čisticí systémy, které jsou vybaveny emulsním oplachovým stupněm, zpravidla recyklují rozpouštědlo pomocí odlučovače, jenž odděluje rozpouštědlo od vody. Test měrné hmotnosti rozpouštědla vycházejícího z odlučovače indikuje úroveň jeho organického znečištění. Přímé vypouštění odpadů je regulováno úřady a v jednotlivých zemích světa se podstatně liší. Uzavřené systémy zpracování odpadu je možno použít, pokud není možné přímé vypouštění oplachové vody. V uzavřeném systému zpracování se oplachová voda, znečištěná rozpouštědlem a organickými sloučeninami z tavidel, přivádí do zvláštní nádrže, která funguje jako odlučovač. Rozpouštědlo se ze shora odčerpává a znovu používá.

Parní destilace je další uzavřenou alternativou při čištění oplachové vody a znečištěného rozpouštědla. Parní destilace je účinný proces čištění páry o nízkém tlaku, rozpouštědla nemísitelného s vodou. Proces regenerace vody a rozpouštědla probíhá současně. Polovodní rozpouštědla obsahující saponáty však při použití parní destilace nejsou plně regenerována.

Jiným typem uzavřeného systému je membrána inverzní osmózy. Voda obsahující rozpouštědlo a tavidlo z průchozí oplachové sekce je čerpána pod tlakem skrze selektivní polopropustnou membránu. Místo aby se vyrovnávaly koncentrace složek po obou stranách membrány, membrána směruje molekuly vody v jednom směru, a větší ionty a rozpuštěné organické molekuly ve směru druhém. Každé rozpouštědlo má své vlastní požadavky na zpracování.

Skladování neosazených desek plošných spojů

Všeobecně platí, že elektronické součástky a komponenty musí být skladovány v původním obalu v suchém prostředí. Vlhkost způsobuje oxidaci povrchů. V extrémně suchém prostředí není žádná koroze.

Pro výskyt koroze musí být naplněny dva předpoklady: musí být přítomen oxidační činitel a také vodní roztok, který pracuje jako elektrolyt. Kyslík z ovzduší působí jako oxidační činitel a pára jako elektrolyt. Kritický limit, kdy dochází k oxidaci kyslíkem z ovzduší, leží v závislosti na kovu nebo slitině mezi 40 % a 70 % vlhkosti z ovzduší. To znamená, že ve vzduchu je přítomno více než 8 gramů páry na m3. Absolutní vlhkost v absorpčních sušicích kabinetech je menší než 1,4 g/m3při teplotě 60 °C a 1% relativní vlhkosti (při 40 °C je dosaženo 0,5 g/m3). Pod touto hodnotou není žádná záporná reakce, a tak ani nemůže nastat žádná oxidace.

Desky dodáváme vakuově balené a jsou tak chráněny pře vnějšími vlivy. Čistý povrch Cu má sklon k vytváření oxidů. Proto se na jeho povrch nanáší jiné kovy, nebo chemikálie, které tento proces oxidace zastavují. To však vytváří další problémy, které mají vliv na dlouhodobou skladovatelnost neosazených desek plošných spojů.

Limitujícím prvkem pro dobrou pájitelnost a dlouhodobou skladovatelnost je samovolný vznik intermetalické vrstvy. Nanesené kovy na povrch desek pro omezení vlivu oxidace se postupně rozpouští v Cu základního plátování. Kovy, nejčastěji používaný Sn, Nil, Au a další dávají i za pokojové teploty vznik difúzní intermetalické slitiny. Například při použití cínu se jedná o Cu6Sn5 a Cu3Sn. Tyto slitiny vznikají na styčné ploše měděného povrchu a imerzně naneseného kovu. Vznikají stále a narůstají. U halovaného zboží, kde je nános cínu 30 a více mikronů, se vliv této vrstvy nedokáže projevit. Ale u chemických nánosů kovů v řádech jednotek mikronů se časem dokážou projevit velmi výrazně.

Měď je nutno nejprve potáhnout nějakou mezivrstvou, která ji oddělí od chemicky naneseného kovu určeného pro pájení. U chemického zlata to je například chemicky nanesený Ni, pod Sn se většinou používá organický povlak. Při výrobě plošného spoje vypadá výsledek práce velmi uspokojivě, ale pokud je mezivrstva nedokonale provedena, začne se zlato, nebo cín v mědi pozvolna, ale trvale rozpouštět. Stříbrná barva cínu, nebo zlatá barva zlata začne matnout až na odstín starorůžové barvy. S takovou deskou se již nedá nic dělat a prostě ji nezapájíte. Intermetalické vrstvy mají teplotu tavení 650stC a vyšší.

Intermetalická vrstva vzniká stále a rychlost narůstání se časem mění. Různým měřením bylo zjištěno, že se prostup mezi kovy pohybuje od 0,7 μm až do 2 μm za rok. Jakmile tato vrstva prolomí vrstvu cínu/olova, dojde k vážnému ohrožení pájitelnosti. Z toho lze usoudit, že běžná deska s chemicky nanášenými kovy na povrch spoje o síle 3-6mi může být už i po jednom roce nepájitelná a mění se tak i stupeň užitečné skladovatelnosti.

Hojně používaná kvalitní metoda povrchové úpravy žárovým cínem, halováním - HASL (Hot air level soldering), kdy je deska je ponořena do roztavené pájky a při jejím vyjímání je přebytečný cín odfukován vzduchovými noži. Tento proces sice má mnoho výhod, ale pro následné strojní osazování neumožňuje přesné dávkování pájecí pasty pomocí šablony, protože povrch pájecích ploch DPS není rovinný. Na desce tištěného spoje se pak mohou vyskytnout místa s nižším, nebo vyšším množstvím pasty. To může způsobit při přetavení v reflow peci zkraty mezi vývody součástek. Intermetalická sloučenina na přechodu Cu-Sn narůstá cca 1μm/rok. Nanesení pájky halem je 5 - 50 μm. Tyto desky lze skladovat velmi dlouho.

Jednou z metod spojujících požadavky na dokonalou rovinnost a zabránění oxidace je OSP - Organic Solder Preservatives. OSP je chemická metoda nanášení organických inhibitorů zabraňujících oxidaci měděných kontaktních ploch. Proces je šetrný k desce plošného spoje, probíhá za pokojové teplotě. Jeho nevýhodou je, že se rozpouští teplem a stykem s tavidlem. Oboustranné pájení je nutno provést v krátkém intervalu. Ideální je použití na jednostranné desky. U metody OSP nevzniká intermetalická vrstva jako při použití nánosů kovů, protože se pájí přímo na Cu. Doporučená doba skladování je do 6ti měsíců od výroby.

Chemická metoda nanesení imerzního kovu. Ušlechtilý kov cín, stříbro nebo zlato musí být oddělen dostatečně silnou mezivrstvou od mědi. Mohou to být organické sloučeniny, nebo jiný kov, nejčastěji nikl v síle cca 5 μm. Pokud není mezivrstva dostatečně kvalitně provedena, tak stále a průběžně vznikají intermetalické vrstvy až vše prorostou. Tyto vrstvy mají teplotu tavení nad 600 stC a běžným způsobem jsou nepájitelné. Při tenkých vrstvách může tento stav nastat v řádu hodin. Chemický cín je nanesen v síle 1 μm a proto vyžaduje splnění přísných skladovacích podmínek pro zachování pájitelnosti. Další nepříjemnou vlastností imersního nanášení kovů je to, že se kovy vylučují v jednotlivých krystalech a celý objem naneseného kovu je porézní. Povrch krystalů na sebe váže lázně z chemických procesů, které nelze opláchnout.

Při pájení pájecích plošek a otvorů s vývody součástek se vrstvy imersních kovů v tavenině rozpustí, zbytky chemie se tím zcela odstraní. Ale pokud jsou na desce zamaskované průchodky, je nutno počítat s tím, že v materiálu průchodek jsou pod maskou zakotveny chemikálie a ty časem mohou průchodku zcela zničit. Tyto problémy nejsou při požívání galvanických metod.

Nikl/zlato. Při galvanickém způsobu nanášení Ni/Au tvoří celý měděný povrch desky katodové propojení všech částí plochy, která po vyleptání vytvoří motiv spojů. Místa, která mají zůstat nepokovena a mají být odleptána jsou zakryta galvanickým rezistem. Výhodou tohoto procesu je, že sílu nánosu kovů je možno předem stanovit. Tloušťka vrstvy závisí na stanovené hodnotě proudové hustoty a čase pokovování. Používaný nikl a zlato jsou kovy, které jsou dobře pájitelné. Vrstva niklu je 5-8 μm je dostatečně silná, aby bránila růstu intermetalických vrstev. Desky mohou být skladovány minimálně po dobu 5ti let. Samotný nikl na vzduchu oxiduje a jeho pájitelnost by se snížila. Proto je jeho povrch chráněn před oxidací tenkou vrstvou zlata.

Při pájení se zlato se ve styku s pájkou okamžitě rozpustí a pájecí proces probíhá mezi niklem a cínem z pájky. Při správném nanášení galvanického kovu je nanesená vrstva zcela homogenní. Oplachy spolehlivě odstraní všechny zbytky chemických lázní. Povrch je kovově čistý a nehrozí zde pokračování nežádoucích chemických procesů. Toto nebezpečí je u déle skladovaných desek, nebo nepropájených průchodek chemicky tvořených povrchů DPS značné. Z hlediska kvality povrchu plošných spojů jsou desky upravené metodou celoplošného galvanického zlacení to nejlepší, co je v současné době výrobci plošných spojů nabízeno.

Firma Printed nabízí zboží v originálním obalu dlouhodobě skladovatelné bez dalších přísných omezení.

tags: #znečištění #desek #plošných #spojů

Oblíbené příspěvky:

• Normy a certifikace ekologického textilu
• Co patří do kontejnerů?
• Test ekologických sáčků
• Ochrana přírody a krajiny v ČR
• Recyklace elektroodpadu a její problémy