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小组会 议 ，包 括 关 键 人员 往往 有 助于 培养 设计人员 ； 这种 方法 可能 是做 可制 造 性设计的 最 快 捷 的 方 法 。 当 清洗 高 密度 表面 贴 装 组件时，计 算 机 辅 助 设计 系统应 该 调 整 为 确保 每 一 步 能 够 提 高 清洗能 力。 这 可能 意 味 着元器 件 应 该 面 向 一个 特定 的 方 向 ，为实现 这 一目标， 它 可能 需 要一个 或者 多 个 额 外 的信 号 层 。 …
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4 组件清洗性设计
4.1 有效清洗组件的设计 由于微型化以及复杂的前沿产品，设计可清洗的印制电路组件已成为一
个非常具有挑战的任务。
1
电子产品可制造性设计（DFM）包括一套修改和提升印制电路和清洗工艺
设计的技术来配合清洗过程中的基板、污染物以及现有的清洗方法。使电子产品微型化、轻量化的
期望驱使设计者转向设计细间距的高密度组件。本章节目的是提供用于清洗前沿印制电路的设计准
则及方法。
随着技术的进步，使用更小的元器件、高密度布局、材料的变化，和环境条件重新提高了电路板清
洁度的重要性。
3
将印制电路组件设计得易于制造，需要计算机辅助设计（CAD）人员从了解制造工
艺及其局限性开始。作为一般规则，通孔组件比表面贴装组件产生的问题少，特别是那些在高密度
互连结构 （HDI）基板上的组件。问题是，在更小元器件的驱动下增加了元器件性能和功能的复杂
性。
2
这种复杂性使得有效去除残留物更加困难。
某些情况下，可能会在良好电气设计、良好焊接布局和良好清洗布局的要求之间有冲突。在这些情
况下，设计人员应该尝试找到适当的折衷方法。随着所有工艺的改变，清洗工艺相对于所提出的设
计必须经过评估。新的组件生产之前，所选择的清洗工艺必须经过验证。清洗工艺的评估应该涉及
设计人员、工程师、品管人员、车间人员、安全/环保顾问和其它关键人员。清洗工艺包括清洗剂、
清洗设
备和清洗方案。清洗工艺应该被演示人员接受；否则，新工艺是不太可能成功。
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小组会议，包括关键人员往往有助于培养设计人员；这种方法可能是做可制造性设计的最快捷的方
法。当清洗高密度表面贴 装组件时，计算机辅助设计系统应该调整为确保每一步能够提高清洗能
力。这可能意味着元器件应该面向一个特定的方向，为实现这一目标，它可能需要一个或者多个额
外的信号层。如果因为经济原因而不可能采取这种方式时，那么可能
必须在电压层或者接地层插入
信号导体。在具有微导通孔的高密度互连结构情况下，通常是在焊盘中有导通孔。这排除了元器件
扇出（狗骨形）的需要，允许更高的元器件密度，如此可能严重危害清洗工艺技术的现状。
4.2 清洗设计 印制电路板按照既定的行业标准进行设计、组装和品质控制。为了减轻由于污染造
成产品失效的风险，清洗工艺必须提供一个已定义的工艺窗口，该窗口是可
重复的，并且是横跨组
装工艺中所遇到的变量的广阔区间。为实现一个高良率的清洗工艺，许多因素影响着清洗工艺窗
口：基板、污染物、可用的清洗技术、清洗设备和环境因素。
4.2.1 基板 设计清洗工艺的第一步是彻底审查印制线路板布局以确定镀覆孔、孔的厚径比、任何
适用堵塞或者掩蔽的导通孔和阻焊膜材料的选择。部件组成、尺寸和几何形状可以创造细间隙和小
出口的夹层元器件，而导致很难去除
残留物。当小型和轻量的部件通过清洗工艺时，会增加夹持组
件的需求。清洗工艺设计首先考虑电路板表面、金属化和兼容性的限制。部件独特的限制可能会使
一些元器件在进行清洗工艺时受到限制。
4.2.1.1 裸板清洗要求 经过电镀和化学蚀刻工艺后，离子污染物成为导电残留物余留在印制电路板
的表面上。导电离子来自于金属清洗剂、蚀刻剂、电镀化学品、热熔液和整平液、加工设备和人体
接触。用于热风整
平工艺的助焊剂可能夹裹在焊盘与阻焊膜之间的间隙或者掩蔽导通孔内。对于来
料裸板，考虑掩膜到金属的间距紧密区和掩蔽导通孔的设计对清洗能力影响不大。裸板通常有不可接
受的来自于制作工艺的加工残留物。IPC-5704规定：按照IPC-TM-650测试方法2.3.28.2进行测试，
接受态的单面或者双面和多层印制板应当符合表4-1中列出的各表面处理方法对应的离子清洁
度的要
求。不适当的组件设计和布局往往造成清洗困难。未完全固化的阻焊膜和/或者图例油墨也会对焊接
后和清洗的外观有不利影响。
4.2.2 组装元器件 元器件微型化促使电子产品更小和更轻，减少元器件之间的间距，增加了性能
和功能的复杂性。
2
高密集组件使用低特征（Z-高度）的元器件，占据了印制电路板上的重要区域。
这些元器件如封装体叠层、片式电容、QF、CSP等。而减少元器件的尺寸和间距增加了元器件端接
口及元器件下方这两处的清洗困难。
使用微型元器件会造成清洗的挑战增加，如电阻和电容器。01005电阻的尺寸非常小，尺寸为0.4x0.2
mm[0.016inx0.008in]。在焊接工艺中，助焊剂会因
表面张力而填充到元器件的下方。元器件从印制
电路板表面算起的托高高度小于0.001mm[0.00004in]。由这些小元器件所建构的产品来看，若为了
电路板的功能正常，必须去除元器件下方所有残留物。
6
高引脚数封装元器件也呈现出高难度清洗的挑战，特别是清洗球栅阵列（BGA）和芯片尺寸封装
（CSP）的下方。由于数百到上千的引脚数量，了解助焊剂的选择、热梯度、清洗材料，以及清洗材
料的机械传递（即喷嘴）是很必要的。
表 4-1 裸印制板离⼦污染最⼤限值（μg/cm
2
）
离⼦ ⾮OSP OSP
氯化物（Cl） 0.75 0.75
溴化物（Br） 1.0 1.0
钠（a）+ 钾（K） 2.0 4.0
无机离子总量 3.8 5.9
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倒装芯片封装和如DF、QF和盘栅阵列（LGA）等正被越来越多的用于制造大量的高容量电子产
品。在这些情况下，应该提醒设计师必须尽一切努力确保清洗不被阻碍。由设计人员和组装业者形
成团队，以确保电子功能最大化且高良率的制造是成功的关键。设计人员和组装业者的团队应该验
证清洗具有低Z轴间隙的部件下方的能力。
多模块先进封装创
建了一系列的挑战。通风帽用于某些封装来保护倒装芯片中的芯片和被动元器
件。小通风孔使清洗液渗透和夹裹在保护盖下的潜在风险。组装厂商担心夹裹在保护盖下的清洗液
干燥后，可能形成离子残留及导致可靠性问题的潜在风险。由于组件的复杂性增加，以倒装芯片为
例说明，元器件设计人员、组装业者和材料供货商必须发展创新的方法以解决这个问题。设计人员
和组装业者
的团队应该验证清洗具有低Z轴间隙的部件下方的能力。2010年IPC/SMTA的清洗/涂
覆会议介绍了新盖子的设计。本文引用此论文且可从IPC或者SMTA得到（Vuono, Bill, 2010, Cleaning
Fluid Entrapment under Vented Flip Chip Packages, IPC/SMTA Cleaning and Coating Conference）。
（参见第5章之敏感元器件讨论。）
4.2.3 组件污染物 清晰理解独特部件的考虑和限制后，在可制造性设计的下一步则考虑组装（通
常是焊接）工艺后，残留在电路板上的污染物的影响。为了更好的理解污染物的风险，设计人员须
考虑助焊剂残留物的成分、物理特性、数量、清洗材料去除焊接残留物的能力。焊接材料的相互作
用，即助焊剂与相关于组件的热加工工艺及热加工工艺和清洗工艺之间的保留时间对组件的清洁度
会有所影响。后续的处理步骤也可能影响产品的清洁度。
助焊剂同时还要执行以下一些重要的功能：
7
• 去除表面氧化物。
• 防止再氧化-保持产生的表面无氧化。
• 促进产生合金化和机械坚固的接合点。
•降低表面张力以消除桥连和短路。
• 助焊剂也促进了金属焊接工艺中的热稳定性。
• 助焊剂与金属/金属氧化物/电解质溶液界面通过酸碱及氧化还原反应而发生作用。由于元器件焊接
特征的降低，更高的活化剂活性和热稳定
性变得至关重要。另外一个影响电子工业的因素是切换到
低固含量焊料。
2
高锡合金表现不佳的润湿性能和较高的熔点，需要具有高活性活化剂与增加热稳
定性的助焊剂成分，从而增加了助焊剂残留物的程度。
• 关于导体间距，元器件的尺寸和节距可能会增加电迁移和腐蚀的风险。
8
由于转变为无铅焊接，对
金属间间距的可制造性设计指南变得更加敏感。较小的焊点比大接合点更快被腐蚀殆尽。
9
由于粒
径的减小增大了锡粉的暴露面积使得良好的焊料锡粉氧化作用加大。由于无铅焊料比锡铅焊料更容
易氧化，从锡铅焊料改变为无铅焊料更进一步恶化了该问题。
9
问题由带有较高程度的离子助焊剂
残留物的电路板所产生，这增加了电化学反应、金属迁移，和表面电阻降低的风险，从而创造了焊
后清洗的需要。
8
更多信息请参考IPC-5702。
• 焊膏、助焊剂、波峰焊助焊剂影响焊接工艺后残留物去除的程度和难度。助焊剂残留物的不同清洗
速率是与助焊剂的组成、再流后时间、再流温度有关。所有电路板设计都必须考虑这些再流焊因素
及参数的重要性。溶剂包含不同类型的分子间相互作用：氢键、离子偶极和偶极间吸引。随着助焊
剂残留物改变，清洗速率也有所不同。对于所有清洗活动，清洗剂和清洗系统-包
括时间、温度和
力度都会影响清洗效果。
4.2.4 热梯度 焊接再流焊曲线是焊接工艺中最重要的因素之一。
7
在印制电路板上的元器件分布密
度大大影响再流焊曲线。重或者大的元器件应该是均匀分布在印制电路板上。由于根据组件上热需
求最高的元器件而设定再流焊曲线可能会导致出现清洗性问题。
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