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★北京廣利核系統工程有限公司李俊卿，王順，李建剛，王連春

關鍵詞：核電儀控系統；固態二氧化碳清潔；電子組件殘留

電子組件使用軟釬焊形式將元器件與PCB連接，期間使用填充焊料需助焊劑進行輔助焊接，助焊劑在焊接過程中并不能完全揮發，在焊接后這些助焊劑殘留物多以離子形式附著于焊點表面。應用于核電站儀控系統的電子組件，特別是安全級系統中所應用的，對其自身可靠性要求很高，部分組件要求可以在95%RH的濕度環境下工作，同時這些電子組件在啟動工作時，自身的發熱溫度可達到90℃甚至更高。在這種高溫高濕的工作環境下，組件焊點上殘留的離子很容易與空氣中的其它金屬離子絡合產生晶枝，這些晶枝將大大降低電子組件的表面絕緣電阻，并隨著時間的推移逐漸增長，如果搭接在相鄰兩元器件引腳，將引起短路導致其功能失效。因此，在核電儀控高可靠性產品中為降低電子組件表面的焊接助焊劑殘留物和提高電子組件的長期可靠性，需對電子組件表面進行清潔，以去除大部分的助焊劑殘留物。

對于電子組件的清潔方式，目前普遍使用化學溶劑進行清潔，這些清潔劑分為水基型與溶劑型，但無論哪種類型，清除焊接殘留的基本原理都是利用清潔溶劑的化學反應，將這些殘留物中的陰陽離子中和溶解并隨之清除，從而達到電子組件表面離子濃度低殘留的目的。

傳統的化學溶劑清潔方式存在兩項較為明顯的弊端：首先化學溶劑本身存在一定的毒性且易燃，對操作者以及作業場所存在潛在危險，因此在作業過程中需增加嚴謹的防護措施；其次在清潔電子組件后會產生大量廢液，對于越來越嚴格的環境保護管理的相關政策而言，廢液的環保處理無疑額外增加了更多的生產成本。

固態二氧化碳清潔作為一種物理清潔方式，具有無毒、不導電、不易燃等安全優點，且其升華的物理特性意味著清潔介質簡單地消失無殘留。固態二氧化碳于1930年被制造出來，并于1945年作為清潔技術首次應用在美國海軍對金屬表面附著油脂的清潔，效果明顯。隨后這項技術不斷完善成熟，被廣泛應用于清潔油污、橡膠模具清潔、汽車發動機內部缸體清潔等應用場合，但對于電子組件表面殘留清潔的應用目前相對較少，業界也罕有研究。因此，本研究聚焦于固態二氧化碳對電子組件焊點助焊劑殘留的清除是否有效。

1　固態二氧化碳清潔原理

固態二氧化碳又稱干冰，為白色分子晶體，具有面心立方晶格結構，在常壓下可由固態不經過液態直接轉變成氣態。一般利用節流膨脹技術，把低溫液體二氧化碳制成干冰粉末，干冰造粒機擠壓干冰粉末制成干冰顆粒^[1]。

固態二氧化碳清潔去除污垢主要靠高速運動的干冰顆粒撞擊清潔物表面，具有一定動能的顆粒破壞了污垢層與基體之間的結合力而去除污垢，同時，干冰顆粒的低溫物理性質也會加速去除污垢^[1]。

圖1  固態二氧化碳清潔機理示意圖

固態二氧化碳清潔機理如圖1所示，可由以下三部分組成：

（1）沖擊作用：如圖1（a）所示，在壓縮氣體的作用下，由噴槍噴射出的超聲速干冰顆粒具有很大動能，對污垢層具有磨削、剪切作用，從而使污垢裂紋、破碎^[3]。高速運動的干冰顆粒碰撞到污物表面后，將動能和沖擊力傳遞給污垢層，并克服已經減小的污垢與物體表面之間的粘附力去除污垢，去掉的污垢隨高壓氣流被卷走，從而實現了對污垢的去除^[1]。

（2）低溫剝離作用：如圖1（b）所示，被加速的干冰顆粒與污垢層表面碰撞并進行熱交換，降低污垢層溫度，污垢層遇冷后收縮、變脆及龜裂。由于污垢層和基體膨脹系數不同，所以遇冷后污垢和基體間的結合力將降低，使污垢易被去除^[4,5]。

（3）升華作用：如圖1（c）所示，干冰顆粒與污垢層碰撞后會迅速升華成二氧化碳氣體，在短時間內體積擴大898倍，細碎的干冰微粒進入縫隙后，其體積瞬間膨脹如同爆炸，從而將污垢層迅速除去^[3]。

2　固態二氧化碳清潔試驗

基于對固態二氧化碳清潔原理的理解，我們對電子組件焊接殘留物的清潔效果設計檢測試驗，分別為電子組件表面的外觀檢查、離子清潔度檢測與電子組件殘留的離子色譜檢測。

本次固態二氧化碳清潔試驗使用一臺小型干冰顆粒噴射設備，使用噴射干冰流量調整在0.3-0.4Kg/min范圍內，噴射氣體壓力在5bar左右。該設備是干冰顆粒的發生裝置，由于初期試驗，僅試驗其對焊接殘留是否有清潔效果，因此，此次清潔過程由人工手持噴射槍完成清潔作業。

本次試驗的電子組件樣件使用同時含有表面貼裝與通孔插裝元器件的PCBA板卡，它同時覆蓋了免清洗焊膏的SMT工藝與助焊劑殘留通常較多的THT工藝。試驗樣件共使用4塊同樣狀態板卡，包括2塊經過干冰顆粒清潔的試驗件以及2塊不做任何清潔的對照件。

2.1　外觀檢查

在干冰顆粒噴射清潔后，將試樣件與對照件進行對比觀察，可以發現清潔外觀效果有較為明顯的變化，如圖2所示，對照件外觀存在明顯的助焊劑附著，而試樣件外觀已基本看不到此類附著。

圖2  板卡外觀檢查對比

2.2　離子清潔度檢測

針對電子組件焊接殘留，《IPC J-STD-001焊接的電氣和電子組件要求》^[2]對離子清潔度的驗收標準為1.56ug NaCl Eq/cm2，業界也普遍使用此標準參數。將試樣件A與對照件A進行離子清潔度測試，結果顯示：未進行任何處理的對照件A離子殘留當量達到4.05，超出標準近3倍，使用固態二氧化碳清潔后的試樣件A離子殘留有明顯下降，且達到了驗收標準。詳見表1。

表1  離子清潔度試驗檢測結果

2.3　離子色譜檢測

助焊劑的殘留中含有較高比例的弱有機酸根離子，這些離子主要有：乙酸根離子、乙二酸根離子、丁二酸根離子。這些離子的殘留量直接反映了助焊劑殘留的去除結果。將試驗件B與對照件B的弱酸根離子的殘留量進行對比分析，結果詳見表2。

表2  離子色譜試驗檢測結果

從離子色譜檢測結果可以看出，試樣B的殘留弱有機酸離子有了明顯下降，離子總和相比對照組有近35%的降低，說明固態二氧化碳清潔對助焊劑的離子殘留也有較為明顯的清除效果。

3　結論

通過上述初步研究，我們看到固態二氧化碳清潔這種物理清潔方式，對電子組件焊接殘留清除可以起到較好的效果，具備一定應用的可行性。但固態二氧化碳自身的低溫特性以及顆粒吹掃的方式在清潔過程中可能會對電子組件造成損傷的應力，主要包括靜電、高速沖擊和微爆炸所帶來的機械應力以及溫度突降所帶來的熱機械應力。此次清潔作業為人工手動完成，干冰顆粒噴射的時間以及距離樣件的遠近等均無法精確控制。因此，此次初期研究在確定其清潔效果后，后續還需基于這些可能造成應力損傷的因素開展研究，重點考慮如何建立控制更精準的自動化方式并摸索如吹掃壓力、干冰顆粒噴射時間、噴槍移動速度和高度等多項關鍵工藝參數，以達到既可保證電子組件的產品質量又可做到清除殘留的目標。

作者簡介：

李俊卿（1982-），男，河北保定人，中級工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電數字儀控系統生產制造相關工作。

王　順（1983-），男，北京人，中級工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電數字儀控系統生產制造相關工作。

李建剛（1974-），男，甘肅慶陽人，中級工程師，本科，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電數字儀控系統生產制造相關工作。

王連春（1972-），男，北京人，中級工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電數字儀控系統生產制造相關工作。

參考文獻：

[1] 孫洪孟. 干冰清洗技術研究[D]. 大連理工大學, 2012.

[2] IPC J-STD-001E. 焊接的電氣和電子組件要求[S].

[3] Uhlmann E, El Mernissi A. Pre-treatment by dry ice blasting for adhesive bonding[J]. Production Engineering, 2008, 2 (2) : 133 - 138.

[4] 任建新. 物理清洗[M]. 北京: 化學工業出版社, 2000.

[5] 麻德科, 張勝利. 噴射清洗設備申噴管的設計與研究[J]. 機械設計與制造, 2007 (7) : 27 - 29.

摘自《自動化博覽》2023年6月刊