熔剂残留物的核心危害

助焊剂是一种酸性化学混合物，用于焊接过程中去除金属氧化物并帮助焊料粘合。焊接后，助焊剂会在PCB板和焊点上留下残留物。这些残留物会影响可靠性。随着时间的推移，酸性残留物会吸收水分并腐蚀铜和其他金属。在潮湿或高温环境下，助焊剂残留物会加速绝缘层老化并导致腐蚀。这会导致表面绝缘电阻(SIR)降低，甚至在导体之间发生电化学迁移(ECM)。[1][2]例如，一项案例研究发现，在湿度为 98% 的环境中，大量的免清洗助焊剂残留会导致铜腐蚀。[2]随着电路尺寸的缩小，即使是助焊剂残留的微小离子痕迹也能形成导电通路。简而言之，助焊剂残留物会导致印刷电路板出现漏电流、短路和长期腐蚀。[1][2].

焊接方法及残留物风险

助焊剂残留量的多少取决于焊接方法。常见的焊接方法有四种：

• SMT 回流焊：使用丝网或模板涂覆焊膏（含助焊剂的膏体）。这种方法有 最低的通量残留风险 因为糊状物的用量受到严格控制。[3][4]回流焊剂引起的故障很少见（尽管紧密的 QFN 封装仍然可能受到影响）。
• 全板波峰焊：在进行波峰焊之前，先在PCB的多个区域涂抹液态助焊剂。这种方法具有以下特点： 高风险 与SMT相比，由于使用了大量的液态助焊剂喷涂，过量的助焊剂会流向温度较低的区域，留下酸性残留物。过量的助焊剂会流向温度较低的区域，留下酸性残留物。[4].
• 选择性焊接：仅在特定区域使用局部波峰焊和喷涂助焊剂。其风险是 中等介于回流焊和全波焊之间。如果助焊剂喷涂控制不当，酸性残留物可能会残留在元件下方。
• 手工焊接：手工使用液态助焊剂。这有 风险最高 因为助焊剂用量难以控制，经常会涂抹过量。多余的助焊剂可能会流到附近元件下方或电路板上，难以清理。[5].

总之，焊膏（用于SMT）中的助焊剂残留风险最小。[4]液态助焊剂（用于波峰焊或手工焊接）风险较高，因为它难以计量，而且可能残留更多酸性物质。手工焊接，尤其是手工涂抹助焊剂，风险更高。[5]了解每个工艺流程并控制助熔剂用量是减少残留问题的关键。[3][4].

助熔剂基础知识和应用方法

通量定义。 助焊剂是一种酸性化学混合物，用于焊接过程中去除氧化物并帮助焊料润湿表面。[6]它的作用是清洁金属，使焊料牢固结合。诸如“低活性”和“高活性”之类的术语描述了助焊剂的腐蚀性。但这些概念在化学中并没有精确的定义。[7]事实上，没有任何单一的测试能够将助焊剂残留物判定为“良性”或“活性”，因为失效风险取决于多种因素：助焊剂的化学成分、用量、电路设计和环境。[7][8].

通量成分。 现代通量包含：

• 激活剂：通常是弱有机酸（例如己二酸、琥珀酸、戊二酸）。它们与氧化物反应生成可溶解的金属盐，从而使焊料能够结合。[9]但是，任何残留的活化剂都会使残留物呈酸性，存在风险。
• 活页夹（车辆）：焊接后残留物主要由高熔点材料（松香或合成树脂）构成。[10]它们能将活化剂固定到位，直至加热。低固含量助熔剂的粘合剂含量较少，可见残留物也较少。
• 溶剂：将助焊剂成分溶解成液体。它们必须在焊接过程中完全挥发。如果溶剂残留在焊渣中，会增加焊接失败的风险。[11].
• 添加剂：少量增塑剂、染料、抗氧化剂。它们对残留风险的影响很小。

通量应用方法。 通量可以通过四种主要方式应用。[4]:

• 焊膏中的助焊剂：用于表面贴装（SMT）。焊膏通过钢网印刷。这可以精确计量助焊剂，从而获得理想的焊膏效果。 最小残基[4].
• 液态助熔剂喷涂（波状或选择性）：用于制备通孔和混合组件。在波峰焊或选择性焊接之前，将助焊剂喷涂在PCB上。 更多通量任何多余的或未活化的助焊剂都可能残留在电路板上温度较低的部分。[4].
• 液态助熔剂（手动）：手工焊接时使用助焊剂刷或注射器。助焊剂的用量取决于操作者。 这是最难控制的。助焊剂用量过多会导致残留物扩散到零件下方或焊点上。[5].
• 焊锡丝中的助焊剂（助焊剂芯）：焊丝或焊条中含有一定量的助焊剂。它会产生 中等残留物 局部化于每个关节处。

实际上，焊膏助焊剂的作用是 最低风险 因为屏幕或打印机控制着它的数量[4]液态助焊剂（喷涂式）风险较高：如果喷涂过量，可能会残留更多酸液并流向未加热区域。[4]手工涂抹的液态助焊剂是 最成问题的人为错误会导致焊剂过量，过量的焊剂会流到元件下方，难以清理。[5]规则是： 通量越少，残留风险越低[4][5].

通量残留风险评估与检测

没有一种单一的检测方法可以涵盖所有焊剂残留物风险。因此，通常采用多种方法：

• ROSE 测试（溶剂萃取电阻率）：将电路板用溶剂冲洗，并测量冲洗液的电阻率。这可以间接衡量离子清洁度（残留导电物质的量）。[12]ROSE有助于检查焊接和清洁工艺是否有效。
• 离子色谱 (IC)：一种直接的实验室测试方法，可以识别电路板表面的特定离子。它可以测量残留的活化剂酸、盐等物质。[12]离子色谱法 (IC) 对液态助焊剂工艺尤其有用，因为它能够检测弱有机酸和其他残留物。测试方法可以是浸泡整个电路板（平均浓度）或点萃取（局部浓度）。[13]它的缺点是缺乏通用的合格/不合格标准；结果取决于过程和环境。[13].
• 高湿度环境测试：在高温高湿环境（例如 85°C/85% RH）下对电路板进行压力测试，以检测残留物是否会导致漏电或短路。这模拟了最坏情况下的使用场景。如果发生故障，通常是由于电流泄漏或短路造成的。（使用限流器可以防止电路板损坏，但可能会掩盖根本原因）。此测试展示了电路板设计和残留物在实际环境中的表现。[14].

影响焊剂残留风险的其他关键因素包括：

• 电气间距（V/mil）：电路板上单位距离的电压越高，即使离子导电性很弱也可能导致击穿。例如，在高湿度环境下，0.1毫米的电极两端施加5伏电压即可引发枝晶生长，并导致电阻接近于零。[15].
• 电路灵敏度：高频或高阻抗电路非常敏感。在这样的电路设计中，任何离子残留物都可能干扰信号或造成漏电。工程师通常将所有残留物都视为“活性物质”，并制定相应的清洁计划。
• 涂层或封装：保形涂层或灌封胶可能无法很好地粘附在焊剂残留物上。涂层下的残留物会吸收水分，形成腐蚀的“高压锅”。[16]在活性残留物上涂覆涂层会导致分层或隐蔽腐蚀。
• 操作环境：高温、潮湿或高盐环境会加剧腐蚀。空气中的水分会在残留物上凝结，溶解离子，并驱动电化学迁移。[15]长期来看，这会降低绝缘性能并导致故障。

监测和限制这些因素（间隙、设计、涂层质量、使用环境）与清洁一样，对控制残留物风险至关重要。

PCB清洗的必要性

对于高可靠性电子产品， 焊接后彻底清洁至关重要[17][18]清洁的主要目标是：

• 去除污染物：这包括助焊剂残留物（离子型和酸性）、胶带粘合剂或阻焊胶、灰尘、油脂和指纹。如果不及时处理，这些物质会腐蚀元件引脚、降低焊点质量或导致短路。[18].
• 防止腐蚀和短路：离子残留物会吸收水分并形成导电通路。清洗可以去除硫酸根、氯离子、弱酸等离子。这可以防止枝晶生长和电化学迁移，从而避免短路。[18].
• 确保良好的测试联系：测试探针必须直接接触焊盘。任何残留物都可能造成绝缘，从而导致错误的测试结果。
• 提高涂层附着力：清洁的表面有助于涂料和粘合剂的良好附着。助焊剂残留物会阻碍涂料附着，导致剥落或水分滞留。[16].
• 揭露隐藏缺陷：清洁能使板材看起来光洁如新。但它也会暴露出一些潜在的问题（烧痕、分层、接合不牢固等），这些问题可能被清洁或焊剂掩盖。

多氯联苯污染物的类型： PCB表面污染通常表现为：

• 极性（离子型）污染物：这些物质具有亲水性，例如助焊剂活化剂、盐和酸。它们遇水会导电，导致泄漏和腐蚀。[19][20].
• 非极性（非离子型）污染物：油脂、油渍、松香或其他有机物。它们不导电，但会损害涂层的附着力，而且外观难看。[20].
• 颗粒物污染物：灰尘、焊锡球、纤维。如果体积较大或跨越细小的导体，这些都可能导致短路。

总之，必须进行适当的清洁以去除离子和非离子残留物，从而确保可靠性。对于关键领域（航空航天、医疗、军事），焊接后的清洁是“不容商榷的”。[17]即使是“免清洗”助焊剂残留物，在要求苛刻的应用中也通常需要清洗。[21]在消费品中，清洁可以省略，但在任何高湿度、高电压或安全关键用途中，都需要进行清洁和清洁度测试。

主流非ODS清洗工艺

由于 CFC 溶剂已被禁用，现代 PCB 清洗主要采用四种方法：水基清洗、半水基清洗、溶剂清洗或免清洗工艺。

1. 水基清洗

核心原则： 使用添加了洗涤剂和化学品的清水。典型的配方是水加上 2%～10% 的表面活性剂、洗涤剂、缓蚀剂等。[22]加热、刷洗、喷涂和/或超声波处理有助于溶液渗透到电路板内部。水基清洁剂可溶解水溶性助焊剂成分，并乳化油和树脂。[22].
对于松香基助熔剂， 皂化剂 加入强碱（例如氢氧化钠、氢氧化钾或单乙醇胺）[23][24]该碱液通过化学反应将松香酸和松香油转化为可溶性皂。（由于这些碱液会腐蚀铝或锌，因此还添加了缓蚀剂；含有对碱敏感元件的电路板必须谨慎使用。）[25][26].)
过程： 将电路板放入热的（通常约为 55–60°C）洗涤剂溶液中，并用搅拌或超声波清洗（通常约 5 分钟）。[22][27]然后用热的去离子水冲洗2-3次（以避免留下水渍）。[27]最后，将板材用热风（约60℃）吹干。使用高纯度去离子水成本较高，但可确保冲洗水中不含离子残留。[27].
优点（Pros） 水洗可以去除多种极性和非极性污染物，对大多数焊剂和油脂都有效，而且通常对零件安全（不易燃）。
缺点（Cons） 它需要大量的去离子水和干燥能源。干燥高密度板材极具挑战性。废水处理成本可能很高。此外，如果配方不当，水性化学品可能会腐蚀某些金属。[25].

2. 半水清洗

核心原则： 水、有机溶剂和表面活性剂的混合物[28][29]半水基清洁剂通常含有5%～20%的水和80%～95%的有机溶剂（萜烯、石油烃、乙二醇醚等）以及表面活性剂。由于含水量低，它们看起来像透明的溶剂混合物。[29]有机部分可溶解松香和多种油脂，而表面活性剂/水则起到乳化作用。使用高沸点溶剂不易挥发；清洗温度最高可达约70°C（低于溶剂闪点）。[28][30].
过程： 通常使用类似于水基清洗机的批量清洗设备，包括清洗（有时是超声波清洗）、漂洗和干燥。关键步骤是…… 乳液回收 阶段：清洗后，仍湿润的板材通过乳化槽或过滤器，将溶剂与水分离。[30]这样可以防止溶剂污染冲洗用水。然后用清水冲洗板材（2-3次）并晾干。
优点（Pros） 半水基清洗系统可在一台设备中处理大多数助焊剂（水基或溶剂基）。它们具有强大的清洁能力（溶剂+乳化剂），可去除多种污垢。由于大多数溶剂的蒸气压较低，因此比纯溶剂更安全（火灾风险更低）。它们通常可用于与水基清洗相同的设备，从而降低投资成本。[29][31]
缺点（Cons） 设备成本较高（需要专用储罐和乳化系统）。必须采取防火防爆措施。仍需用水冲洗。废溶剂/水混合物必须经过处理或蒸馏，因此废物处理仍然是一个问题。清洁剂除非经过蒸馏（而蒸馏过程较为复杂），否则不易回收利用。此外，在回收乳液时，该工艺还会浪费部分清洁液。

3. 溶剂清洗

核心原则： 使用纯有机溶剂（不含水）溶解助焊剂和油。常用的溶剂包括氢氟碳化合物（如HCFCs 141b，HFCs HFE），或新型低毒性碳氢化合物和醇类。[32]含氟溶剂的优点是不易燃，并且与旧式 CFC-113 具有相似的性质，因此现有的蒸汽脱脂设备通常可以重复使用。[33]混合物或共沸物（例如HCFC-141b与甲醇、HCFC-225与乙醇）也可用于提高溶解度。[34].
过程： 典型的蒸汽脱脂方法是：将溶剂在槽中煮沸，产生蒸汽。将板材悬挂在架子上，然后放入蒸汽中。污染物溶解并滴落。之后，板材可能浸泡在液态溶剂中（通常伴有超声波搅拌），然后用冷溶剂冲洗（喷淋）以去除任何残留物。最后，通过蒸汽冷凝和热风干燥板材。由于不使用水，因此干燥速度很快。废溶剂可以蒸馏并重复使用。
优点（Pros） 简单快捷。溶剂通过蒸发快速干燥。适用于对湿度敏感或涂层板材。溶剂可通过蒸馏回收，减少浪费。无需对旧式 CFC 系统进行太多设备改造。[33].
缺点（Cons） 许多溶剂具有毒性或因其温室效应而受到管制。设备必须具备防爆性能。废弃溶剂（或蒸馏产生的细粉）的处理仍需谨慎。某些敏感部件或塑料可能无法耐受某些溶剂或其蒸汽。

4. 免清洗工艺

定义： 这种制造工艺的设计理念是无需焊后清洗。它通过控制助焊剂、工艺和材料，确保残留的少量助焊剂不会对最终使用环境造成危害。“免清洗”指的是工艺设计上的“清洁”，而非实际的自动清洗。它能降低成本，并且环保（无需清洗化学品）。这种方法最适合大批量、自动化组装对可靠性要求不高的电路板。关键控制措施包括：

• 助焊剂和焊料的选择：使用免清洗助焊剂或低固含量助焊剂，并配合弱有机酸 (WOA) 活化剂。这类助焊剂通常固含量低，残留物极少。如果后续需要涂覆涂层，则应选择活性极低（或含氮保护）的助焊剂，以尽可能保持残留物的惰性。对于标准消费电子产品，可以使用活性较低的松香助焊剂 (RMA)。
• 流程优化：尽可能精确地喷涂助焊剂（例如使用可控体积喷涂），以最大限度地减少用量。在回流焊机或选择性焊机中使用氮气以减少氧化物的形成（从而降低助焊剂的消耗）。调整焊接曲线，使助焊剂活化剂在峰值温度下完全消耗。对于任何返工或手工焊接，请使用免清洗助焊剂或含助焊剂的焊丝，以保持一致性。
• 材质：组装前，务必确保裸板和元件非常干净。使用稳定的助焊剂和焊料供应商，以保证化学成分的一致性。同时，确保焊后涂覆的任何保护涂层都能耐受残留物（有些保护涂层需要特定的化学成分才能附着）。

即使省略清洗步骤，过程控制也至关重要。例如，检验人员可能仍然会测量某些电路板的离子清洁度，以验证免清洗工艺的有效性。

选择清洁流程

清洁方法的选择取决于产品的重要性、设计和使用环境。关键因素：

• 产品关键性和环境：如果电路板用于航空航天、军事、汽车安全或医疗设备，则必须非常干净。[17]高湿度或海洋环境需要严格的清洁和洁净度控制。消费电子产品（1 类）通常可以使用免清洗助焊剂。商业产品（2 类）可能需要定期检查。行业标准（例如 IPC/J-STD-001）将组件分为不同等级：3 类（“高性能”或生命维持）通常 每块电路板都需要进行清洁和纯度测试。2级洁净度允许进行一些抽样测试；1级（通用）洁净度可能允许免清洗，但需进行基本检查。实际上，设计人员应力求使大多数产品至少达到2级洁净度标准。
• 助熔剂化学：高活性或腐蚀性焊剂残留物需要彻底清洗。水溶性焊剂（有机酸）必须冲洗干净以防止腐蚀。免清洗或弱活性焊剂残留物较少，因此可以采用较温和的清洗方式，甚至无需清洗。[21]对于任何含有卤化物、氯化物或强酸的助焊剂，都需要进行彻底的水溶液清洗。
• 客户/合同要求：许多合同或标准明确规定了不同产品类别的清洁要求。务必遵循客户规范或适用的标准（例如 J-STD-001、MIL-SPEC）进行清洁。
• 其他环境因素：如果采用保形涂层，请确保所选的清洁（或免清洁）方法与之兼容。潮湿或涂层环境可能会比较棘手。

总之，在严苛环境下运行的高可靠性电路板应彻底清洗并检测离子浓度。而不太重要的电路板则可采用免清洗工艺，并定期进行检查。正如某资料所指出的，清洗方法“应取决于产品的重要性、所需的清洁度以及工厂的具体情况”。

新方法：干冰清洗

干冰喷射是一种新兴的环保型PCB清洗方法。它利用压缩空气将固体二氧化碳颗粒高速喷射到PCB表面。当颗粒撞击电路板时，会立即产生二氧化碳。 升华 （转化为气体）并对残渣产生强烈的冲击和冷却作用[35]这种动能和热能作用会破坏污染物与板材表面的结合力，使焊剂残留物和其他污垢变脆并脱落。由于二氧化碳会直接转化为气体，因此它会留在板材表面。 无二次废物 在董事会[35]一份报告指出，干冰清洗可以去除测试板上超过 95% 的焊锡助焊剂污染。[36].

与传统清洁方式的主要比较：

• 清洁效率：据报道，干冰喷射 非常快 速度比某些溶剂或水基清洗方法快4倍。无需浸泡或长时间清洗即可快速清洁。
• 残渣和废物：它产生 无液态废水唯一的“废物”是脱落的污染物，必须用吸尘器吸走。干冰（二氧化碳）本身会蒸发到空气中，使电路板完全干燥。这样就避免了处理有毒的清洗化学品或废水。
• 清洁效果：干冰颗粒可以深入液体清洁剂无法润湿的细小缝隙和部件下方。其精准喷射能够彻底清洁复杂的组件。[37]研究表明，它能去除助焊剂，且不会降低涂层的可焊性。[38].
• 滑板安全：干冰不具磨蚀性且不导电，不会损坏精密元件、电线或电路走线。[35]有消息称，它“能去除污垢和碎屑而不留残渣”，并且“不会对精细表面或复杂部件造成机械损伤”。[35]它非常温和，如果安装安全，甚至可以用于带电电子设备。
• 对环境造成的影响：干冰清洗被认为是 墨绿色它使用回收的工业二氧化碳，不添加任何有毒化学物质，也不会产生需要处理的危险废物。[38][35]唯一的副产品是去除的污垢，它是惰性的。
• 安全性：二氧化碳颗粒温度低，但无毒，不留有害残留物。它不存在火灾或爆炸危险（与溶剂蒸汽不同）。操作人员由于二氧化碳气体浓度较高，必须佩戴呼吸防护设备，但总体而言，该方法是安全的。
• 成本权衡：主要成本在于干冰供应和压缩空气。无需使用清洁化学品，也无需支付废水处理费用。由于清洁速度快，人工成本也能降低。许多人认为总体成本具有竞争力，尤其是在考虑到节省的时间和更高的处理效率时。

总之，干冰喷射清洗是一种高效且无残留的清洁方法。它克服了湿式清洗的诸多缺点：无二次污染、无液体废物、无电路板损伤。正如一篇会议论文所总结的那样，它“创新、经济、环保”，并且能够非常有效地去除助焊剂残留物。[38][36]许多用户报告称，干冰喷射清洗效果极佳，尤其适用于敏感电子产品，且不会对印刷电路板造成损害。