張 也 劉世群 莫玲玲 蔡 林（廣東正業(yè)科技股份有限公司，廣東 東莞 523808 ）

靜態(tài)與動(dòng)態(tài)一體的離子污染檢測(cè)的研究與應(yīng)用

張 也 劉世群 莫玲玲 蔡 林
（廣東正業(yè)科技股份有限公司，廣東 東莞 523808 ）

目前PCB業(yè)內(nèi)有兩種檢測(cè)離子污染潔凈度的方式，即靜態(tài)與動(dòng)態(tài)。文章著重于介紹集靜態(tài)與動(dòng)態(tài)于一體離子污染測(cè)試儀的原理與應(yīng)用，分析兩種不同方式檢測(cè)結(jié)果、精度與效率。并且通過測(cè)試驗(yàn)證，均滿足檢測(cè)要求。一體機(jī)功能的全面性提高了離子污染測(cè)試儀的性價(jià)比，更帶來了便捷性。

印制電路板；離子污染檢測(cè)；電導(dǎo)率；離子濃度

PCB在制程中，會(huì)造成表面離子污染物的殘留，當(dāng)殘留離子嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致線路出現(xiàn)開路，短路，腐蝕，壽命降低等現(xiàn)象。因此，離子污染的程度必須通過測(cè)試儀來進(jìn)行檢測(cè)，而檢測(cè)設(shè)備要求現(xiàn)已有明確的規(guī)定[1]。離子污染測(cè)試原理最早來源于貝爾實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)時(shí)僅采用去離子水進(jìn)行萃取，后經(jīng)美國(guó)一海軍航空電子設(shè)備中心改進(jìn)，使用異丙醇和去離子水進(jìn)行噴淋萃取[2]。萃取液按照1.5 ml/cm2的流量，以細(xì)流的方式噴射到線路板的兩面，萃取時(shí)間≥1 min，然后對(duì)收集的萃取液測(cè)試其電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算，該測(cè)試方法也就是MIL-P-28809標(biāo)準(zhǔn)，若萃取液電阻率為2 MΩ即處于合格上限[3]，測(cè)試根據(jù)電導(dǎo)率與NaCl的等價(jià)關(guān)系計(jì)算得出離子濃度。后來經(jīng)美國(guó)愛法（ALPHA metals）公司，進(jìn)行了再次的改進(jìn)，引入了“動(dòng)態(tài)測(cè)試”：加熱萃取“的概念[2]，靜態(tài)/動(dòng)態(tài)測(cè)試法一直引用至今。

1 靜態(tài)/動(dòng)態(tài)一體原理分析

靜態(tài)/動(dòng)態(tài)一體測(cè)試是以下兩種測(cè)試原理的結(jié)合，兩種模式可自由切換，下面對(duì)靜態(tài)模式及動(dòng)態(tài)模式的原理分別進(jìn)行分析說明：

1.1 靜態(tài)模式原理

靜態(tài)原理如圖1所示：首先保證水箱內(nèi)萃取液電導(dǎo)率及溫度達(dá)到設(shè)定值，然后放入測(cè)試樣板，通過磁力泵將萃取液不斷循環(huán)連續(xù)沖洗水箱中的PCB，使PCB離子充分被沖洗溶解到萃取液中，經(jīng)過一定時(shí)間的沖洗后，萃取液的電導(dǎo)率達(dá)到一個(gè)相對(duì)恒定的的值，以電導(dǎo)率與等價(jià)氯化鈉的關(guān)系計(jì)算其離子濃度值[4]。

1.2 動(dòng)態(tài)模式原理

動(dòng)態(tài)原理如圖1所示：首先保證水箱內(nèi)萃取液電導(dǎo)率及溫度達(dá)到設(shè)定值，然后放入PCB，先通過磁力泵循環(huán)一定的時(shí)間≥1 min，（目的是將大部分離子先溶解一遍）然后打開再生閥，（同時(shí)傳感器將數(shù)據(jù)開始傳送至電腦開始計(jì)算）水箱的萃取液經(jīng)過再生后，再次進(jìn)入水箱連續(xù)沖洗，直至交換柱吸收溶解到萃取液的離子（通過傳感器反饋萃取液的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)）至初始的電導(dǎo)率即結(jié)束。動(dòng)態(tài)測(cè)試過程是以電導(dǎo)率，流量，體積，時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行微分/函數(shù)運(yùn)算，最終得出離子濃度。

圖1 動(dòng)/靜態(tài)測(cè)試原理

2 靜態(tài)/動(dòng)態(tài)一體測(cè)試條件要點(diǎn)分析

2.1 萃取液

采用異丙醇，和去離子水，體積比為3:1。去離子水：電阻率約為18 MΩ、滿足萃取測(cè)試條件。異丙醇：利用溶解能力強(qiáng)，電絕緣性好的特性應(yīng)用至離子溶解過程中。加熱萃取的溫度控制在40 ℃時(shí)，既利于更快的萃取離子，又不使得萃取液過快的揮發(fā)。

2.2 離子交換樹脂

采用陰陽(yáng)交換樹脂，該類型樹脂用于如顯示設(shè)備，精密線路板等電子特殊產(chǎn)品的漂洗[5]。 該樹脂吸收萃取液再生能力＞150 MΩ≈0.07 ms。

2.3 流量

萃取液流速約為12 L/min，水壓約0.1 Mpa，對(duì)與加快沖洗溶解PCB表面離子，起到一個(gè)很好的作用。且流速的采集以每秒四次的速率實(shí)時(shí)反饋至PC進(jìn)行運(yùn)算。

2.4 電導(dǎo)率

測(cè)試萃取液根據(jù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，電阻率必須大于6 MΩ[3]，然，PCB測(cè)試電阻率一般以（20～66）MΩ為宜[2]，該范圍內(nèi)大氣與萃取液的化學(xué)效應(yīng)，處于一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)。其中電極測(cè)量上限為10 ms≈0.1 MΩ，等同離子濃度測(cè)量范圍參照?qǐng)D2：當(dāng)電導(dǎo)率約為0.6 ms時(shí)總質(zhì)量為24207 mg。以此為例計(jì)算最高量程約為：100 000 mg（非直線性增長(zhǎng)）。最低量程則以實(shí)際儀器性能為準(zhǔn)。

2.5 NaCl標(biāo)準(zhǔn)液

無毒，無危險(xiǎn)性，在溶液中以離子的形態(tài)構(gòu)成。用于來檢驗(yàn)儀器的精度及性能。將0.6 gNaCl溶于1 ml去離子水，誤差約±1%。取總量為40 ml進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果參照?qǐng)D2，誤差僅1%＜，滿足校準(zhǔn)檢驗(yàn)要求。

圖2 離子濃度與等價(jià)氯化鈉測(cè)量圖

2.6 測(cè)試量程

測(cè)試前需要根據(jù)測(cè)試板的大小選擇適合的水箱，保證其能完全侵沒PCB。在此，我們做了一個(gè)PCB面積量程計(jì)算：萃取液體積為17 L時(shí)，最低檢測(cè)質(zhì)量值為600 mg，最高質(zhì)量為100000 mg。如3所示。當(dāng)板面積不足最小測(cè)試面積時(shí)，也可放入多塊以滿足測(cè)試條件≤3塊為以宜。當(dāng)然水箱可以加大，便于能測(cè)量更大面積的測(cè)試板，但是加大的水箱，需要重新考慮最低檢測(cè)值，以確定最小測(cè)試面積。

圖3 測(cè)試板范圍計(jì)算

3 靜態(tài)/動(dòng)態(tài)一體NaCl應(yīng)用測(cè)試

3.1 靜態(tài)模式NaCl測(cè)試

如圖4、圖5所示，靜態(tài)測(cè)試電導(dǎo)率起初為上升趨勢(shì)，最后慢慢趨于平穩(wěn)狀態(tài)。NaCl標(biāo)準(zhǔn)溶液起初呈一個(gè)上升的趨勢(shì)，說明此時(shí)的NaCl正在逐步被溶解到萃取液中，而經(jīng)過一定的時(shí)間的攪拌溶解，NaCl被充分均勻的溶解到了萃取液中，電導(dǎo)率曲線呈現(xiàn)一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)。離子濃度與電導(dǎo)率成正比呈現(xiàn)。

圖4 靜態(tài)測(cè)試3000mgNaCl電導(dǎo)曲線

圖5 靜態(tài)測(cè)試3000mgNaCl離子濃度曲線

3.2 動(dòng)態(tài)模式NaCl測(cè)試

如圖6、圖7所示，動(dòng)態(tài)測(cè)試模式時(shí)，會(huì)先攪拌一定的時(shí)間（曲線起初圖空白段），之后，打開過濾閥門，打開閥門的一瞬間，曲線圖中直觀的反應(yīng)出電導(dǎo)率曲線從一個(gè)很高的值，慢慢的呈現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢(shì)，該趨勢(shì)也是說明了，打開閥門再生后，每次進(jìn)入水箱循環(huán)的萃取液都是相對(duì)潔凈的，電阻率也就呈一個(gè)持續(xù)下降的狀態(tài)，直到電阻率下降到初始的值即測(cè)試結(jié)束。離子濃度曲線則與電導(dǎo)曲線為反比呈現(xiàn)。

圖6 動(dòng)態(tài)測(cè)試3000mgNaCl電導(dǎo)曲線

圖7 動(dòng)態(tài)測(cè)試3000mgNaCl離子濃度曲線

3.3 靜態(tài)/動(dòng)態(tài)一體NaCl檢測(cè)總結(jié)

等量NaCl測(cè)試：如圖10（靜態(tài)）與圖12（動(dòng)態(tài)）所示：離子濃度均為：0.33 mg/cm2，由此得出結(jié)論：一體離子污染檢測(cè)中的靜態(tài)方式與動(dòng)態(tài)方式，均滿足離子污染的檢測(cè)要求。下面為了進(jìn)一步驗(yàn)證，采用PCB板進(jìn)行實(shí)測(cè)。

4 PCB板測(cè)試

4.1 PCB靜態(tài)測(cè)試

通過圖13、圖14，電導(dǎo)與濃度曲線可以解析為：萃取之初電導(dǎo)率呈一個(gè)快速的上升曲線，這與NaCl的溶解方式一樣，此時(shí)很大一部分的離子被溶解，而過一段時(shí)間后，由于PCB表面離子黏附程度的不同，一些死角位置或者黏附較強(qiáng)的離子，隨著循環(huán)沖洗溶解的時(shí)間推移，只能慢慢的被溶解，電導(dǎo)率也就一直呈一個(gè)緩慢的上升的曲線，這與NaCl呈現(xiàn)的平穩(wěn)曲線不同。原因是NaCl放入后全部被溶解，沒有黏附。所以實(shí)際測(cè)試PCB呈現(xiàn)緩慢的上升曲線狀態(tài)時(shí)（15 s內(nèi)±0.02 mg變化），表明測(cè)試已經(jīng)完成，繼續(xù)測(cè)試已無太大的意義（特殊要求除外）。

4.2 PCB動(dòng)態(tài)測(cè)試

通過圖15、圖16，電導(dǎo)與濃度曲線可以看出，動(dòng)態(tài)PCB測(cè)試曲線圖與NaCl測(cè)試類型一致，區(qū)別在于PCB板測(cè)試時(shí)，時(shí)間會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)。因?yàn)?，NaCl的溶解能力高于PCB表面離子。測(cè)試完成后軟件運(yùn)行自動(dòng)停止，生成測(cè)試結(jié)果。

4.3 靜態(tài)/動(dòng)態(tài)一體PCB測(cè)試結(jié)論

4.3.1 效率對(duì)比

圖8、圖9為動(dòng)態(tài)/靜態(tài)測(cè)試步驟。

圖8 靜態(tài)測(cè)試步驟

圖9 動(dòng)態(tài)測(cè)試步驟

圖10 連續(xù)測(cè)試靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)試效率對(duì)比

通過以上的測(cè)試步驟可以看出：靜態(tài)測(cè)試測(cè)試結(jié)束后。進(jìn)行下一次測(cè)試前，則必須再生。使測(cè)試槽內(nèi)萃取液達(dá)到電阻率基準(zhǔn)。而動(dòng)態(tài)測(cè)試完成后，進(jìn)行下一次測(cè)試前是不需要再生的，因?yàn)閯?dòng)態(tài)在測(cè)試的同時(shí)，就已經(jīng)在不斷的再生萃取液，再生的過程也就是動(dòng)態(tài)測(cè)試計(jì)算的全過程，直至萃取液至起始電阻率的狀態(tài)即結(jié)束。如圖10所示，等同的條件下，以20 ml NaCl為基準(zhǔn)，17 L萃取液測(cè)試。在保證測(cè)試完成后，水箱內(nèi)能保持一個(gè)相對(duì)潔凈的狀態(tài)（達(dá)到起始的電阻率），對(duì)于兩種模式實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)：動(dòng)態(tài)效率提升約27%。

4.3.2 離子污染濃度對(duì)比

如圖11～圖14統(tǒng)計(jì)得出圖15。

圖11 靜態(tài)阻焊板測(cè)試圖

圖12 靜態(tài)覆銅板測(cè)試圖

圖13 動(dòng)態(tài)阻焊板測(cè)試圖

圖14 動(dòng)態(tài)覆銅板測(cè)試圖

圖15 動(dòng)態(tài)/靜態(tài)測(cè)試測(cè)試值比較

圖示17表明：PCB測(cè)試時(shí)動(dòng)態(tài)模式高于靜態(tài)模式。原因分析：原理的不同及PCB自身的特性，靜態(tài)為不斷的循環(huán)，循環(huán)后PCB板上面的潔凈度與萃取液的潔凈度比較相近，兩個(gè)潔凈度相對(duì)相等的物質(zhì)在一起時(shí)，是不能進(jìn)行更深層清潔萃取的。而動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，因?yàn)榻?jīng)過了再生，再次回到水箱的萃取時(shí)是相對(duì)純凈的，而且相對(duì)純凈的萃取液能夠更深層萃取PCB表面頑固的黏附離子，甚至將PCB內(nèi)更深層的離子萃取掉。這也就是圖示17，動(dòng)態(tài)結(jié)果值高于了靜態(tài)＞60%的原因了。

5 總結(jié)

（1）現(xiàn)今MIL-P-28809標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定了PCB離子污染程度＜1.56 mg/cm2即合格。 而IPC標(biāo)定了測(cè)試的條件[1]，這是以‘靜態(tài)’為基準(zhǔn)所建立的。而對(duì)于PCB表面離子污染的檢測(cè)，我們可以理解靜態(tài)為淺度表面離子污染的檢測(cè)。動(dòng)態(tài)為深度表面離子污染的檢測(cè)。其中動(dòng)態(tài)的檢測(cè)更為精確（萃取離子能力動(dòng)態(tài)＞靜態(tài)60%），高效（動(dòng)態(tài)檢測(cè)效率高于靜態(tài)27%），動(dòng)態(tài)測(cè)試已遠(yuǎn)高于行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）作為PCB生產(chǎn)商以動(dòng)態(tài)檢測(cè)可更好的監(jiān)控在線的制程工藝。當(dāng)然PCB的驗(yàn)收還是以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)為準(zhǔn)。對(duì)于特殊要求例如航天，軍工及特殊PCB板，建議用動(dòng)態(tài)測(cè)試作為最好的驗(yàn)證參考，以確保PCB后期使用的穩(wěn)定性。

[1]GB 4706.1.電器安全標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB/T 4677.22-2002. 印制板表面離子污染測(cè)試方法[S].

[3]GB/T 18268.1.測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備電磁兼容性要求[S].

[4]IPC-TM-650.印制板表面離子污染測(cè)試方法[S].

[5]MIL-P-55110E.剛性印制板通用技術(shù)規(guī)范[S].

[6]黃漢松. 關(guān)于離子污染測(cè)試儀的發(fā)展和討論.

[7]CIPC信息網(wǎng). 電子線路板表面離子污染的檢測(cè)[J/OL].

[8]2007年正業(yè)科技成功研發(fā)的靜態(tài)離子污染測(cè)試儀.豆丁網(wǎng). 離子交換樹脂[OL].

張也，工程師，主要從事線路板測(cè)試儀器的研發(fā)與應(yīng)用。

Research and application of combination of static & dynamic ionic contamination testing

ZHANG Ye LIU Shi-qun MO Ling-ling CAI Lin

There are two methods for ion contamination cleanliness in PCB industry: static and dynamic. While this essay focuses on the introduction of the application of ionic contamination testing with static testing and dynamic testing combined together. It clearly analyzes the two different test methods and their test result, function, accuracy and efficiency. The static-dynamic combined ionic contamination testing method has been verified by different application testing. Its comprehensive features reduce the cost and bring unparalleled convenience.

Ionic Contamination Test; Conductivity; Ion Concentration

TN41

A

1009-0096（2015）01-0015-05