Quando il pulito è pulito

SISTEMI DI LAVAGGIO –

I criteri della pulizia: quando un assemblato elettronico può veramente considerarsi pulito.

Il problema del lavaggio, per anni messo in ombra dalla tecnologia no-clean, è tornato recentemente alla ribalta con sempre maggiore insistenza nel settore degli assemblati elettronici. La ragione è semplice:
- siamo in presenza di un aumento della domanda di SIR (Surface Insulation Resistance, resistenza d’isolamento superficiale) in legame con i bassi livelli di segnale usati nei circuiti;
- ci troviamo di fronte all’applicazione di sistemi di controllo elettronico in condizioni ambientali sempre più difficili rispetto a qualche anno fa;
- siamo in presenza di dettagli sempre più minuti negli assemblati elettronici (chip di dimensioni sempre più ridotte, BGA, circuiti CSP, micro-connettori SMD, ecc.).

L’idea di una tecnologia no-clean funziona solo relativamente. I problemi possono presentarsi sia immediatamente dopo il processo di saldatura - per una resistenza d’isolamento insufficiente - sia, nello stesso momento, per degradazione della resina, con emissione di impurità ioniche che creano le condizioni per una crescita dendritica, insieme alla condensazione di umidità e alla creazione di un potenziale elettrico importante. In tal modo i produttori di Classe III, in riferiemnto agli standard IPC, ma anche in caso di classi di livello inferiore, si focalizzano quasi esclusivamente  su tecnologie che permettono di concludere la finitura con la fase di pulizia. Molti sono i miti che riguardano l’area di pulizia dei pcb, molti dei quali nascono da un’insufficiente competenza di chi opera o di chi acquista una particolare tecnologia. Diversi produttori e i loro clienti considerano pulita ogni cosa che visualmente appare tale. Questo approccio cosmetico non possiede alcuna base, parte ad esempio dal fatto che ci sia un’impressione di ordine e di diligenza nel processo di lavorazione, oppure che debba nascondere eventuali interventi di riparazione o processi di verifica. Se tali assemblati non sono esposti a stati critici di condensazione (ad esempio a transizioni termiche o di umidità, oppure a urti che possano determinare fenomeni di condensazione), gli stessi hanno una prospettiva di vita di lunga durata (sarebbe inutile porsi delle domande qualora si escluda qualsiasi stato di condensazione). Coloro che considerano la produzione in modo più serio e che richiedono assoluti livelli di purezza ionica (perché i loro assemblati presentano una maggiore complessità, oppure perché hanno una personale esperienza in fatto di corrosione come utilizzatori finali o, ancora, perché i loro clienti abbiano particolari pareri in relazione alle problematiche della pulizia).

Purezza ionica
Cos’è la purezza ionica? Come la si misura e quali sono i confini che la delimitano?

Metodi di misurazione diretta
Purezza ionica signica che sulla superficie dell’assemblato o sui suoi strati più interni non devono esserci sostanze attive elettronicamente che possano essere rilasciate in un momento successivo. Può trattarsi di acidi, basi, sali e radicali organici (causati ad esempio da polimerizzazione incompleta). Tutte queste sostanze, combinate con umidità, hanno la capacità di creare il dielettrico e provocare quindi la migrazione ionica metallica, migrazione che alla fine, pilotata da una differenza di potenziale, può mettere in collegamento elettrodi conduttivi (fili) sull’assemblato elettronico.

Come misurare l’impurità ionica
Tutti ricorderanno il concetto di ionografo o di contaminometro. Sarà comunque difficile trovare qualcuno che sappia spiegare come questi funzionino e quali dati vengano in realtà misurati. La realtà è assai più complessa di come appare. Gli standard definiscono circa sei metodi basati su diversi dispositivi o attrezzature da laboratorio. In termini di principio si distingue fra il cosiddetto metodo dinamico (quando gli ioni vengono assorbiti durante la fase di misurazione) e il metodo statico (quando si determina un aumento della conduttività del percolato).

1. ROSE (Resistivity of Solvent Extract, resistività del solvente estratto) - Metodo statico di laboratorio.
Il pcb viene lavato con un’esatta quantità di soluzione di acqua distillata e isopropanolo preparata accuratamente. Esistono due standard per la concentrazione IPA: il 75% in percentuale di peso di acqua e il 50% di peso in acqua. L’acqua distillata deve disporre di almeno 6 MΩ/cm- 25 MΩ/cm. Dopo il tempo specificato, la conduttività della soluzione viene misurata e comparata con i valori di calibrazione, ciò nel momento in cui lo stesso bagno di test è stato contaminato dalla stessa quantità di NaCl (pertanto i dati di impurità ionica vengono misurati in microgrammi di NaCl equivalenti per pollice quadrato o per cm2).
Nota: molti si ricorderanno del valore magico 1,56 µg/cm2  o 10 mg/in2. Da dove viene questo limite? Si dice che la commissione formata per creare gli standard MIL (nel 1927) si fosse riunita presso il cottage di montagna di uno dei membri. I partecipanti, dopo una lunga discussione, concordarono sul fatto che “tale livello non è male e normalmente porta a risultati di tutto rispetto”. Nulla da eccepire, naturalmente. Esistono infatti molti limiti simili che si basano sull’esperienza. Si è citato questo caso proprio per chiarire che non esiste un limite al di sopra di questo e che è assolutamente necessario precisare la complessità degli assemblati e considerare quelle che sono le loro applicazioni prima che venga posto un qualsiasi limite. Gli assemblati, a partire dall’anno in cui sono stati segnati i valori citati, avevano probabilmente un aspetto molto diverso da quello che hanno oggi. Pertanto: attenzione!

2. Ionografo
Con il metodo di misurazione dinamico - cioè con risultati di test che vengono rigenerati di continuo - viene calcolato il valore finale della conducibilità equivalente della salinità a partire dalla velocità di recupero della soluzione presa come esempio. Le misurazioni ionografiche vengono registrate a temperature molto basse o estremamente elevate, proprio per la grande sensibilità che è possibile rilevare in tali stati.

3. Misuratore di conduttività ionica
Si tratta di un metodo di misurazione statica. La soluzione di acqua distillata e di isopropanolo viene preparata nello strumento mediante circolazione attraverso uno scambiatore ionico ad alte prestazioni (di valore approssimativo di 20 mΩ). Dopo aver raggiunto il valore voluto, lo scambiatore ionico viene sconnesso dal circolo e la soluzione viene esposta al campione. Il valore della conduttività gradualmente decresce  (normalmente in modo asintotico a un valore fisso, che rappresenta il risultato della misura). Sottoposto ulteriormente a calibrazione con l’NaCl, i risultati vengono considerati in equivaleza di µg di NaCl per area.

4. Contaminometro
Sistema di misurazione statica. Il principio e le caratteristiche sono simili a quelle del misuratore di conduttività ionica. Il classico tempo di misurazione è di 10-15 minuti. Questo tempo è sufficiente a leggere stabilmente i valori delle impurità superficiali. Se in 15 minuti non viene raggiunto un valore stabile, vuol dire che c’è contaminazione del volume del substrato o si è in presenza di contaminanti ionici che possono dare origine a polimeri scarsamente vulcanizzati.

5. Ionex 5000 - Misuratore dinamico simile allo ionografo

6. Zero Ion - Misuratore dinamico simile allo ionografo

Ne segue che, in relazione a differenti regolazioni delle misurazioni, i risultati provenienti da dispositivi individuali non possono essere paragonati in modo accurato. Tutti sono stati ben calibrati in ogni caso con l’NaCl, ma le procedure di misurazione, ad esempio i gradienti di concentrazione e la velocità di lavaggio del campione, sono differenti (per certi metodi l’estrazione viene compiuta a temperatura elevata); il che significa in pratica che i risultati sono reciprocamente indipendenti.
Con una certo livello di successo i risultati possono essere paragonati a un valore a un certo punto. Per ragioni pratiche ciò può rappresentare un limite accettabile di purezza.

Esempi (Fonte: Naval Air Weapon Center USA):
ROSE: 10 µg/in2
Zero Ion: 37 µg/in2
Ionografo: 20 µg/in2
Misuratore di conduttività ionica: 14 µg/in2

È pertanto assai pratico chiedere quale metodo di misura sia utilizzato, ciò nel caso in cui i valori di salinità equivalenti appaiano nei criteri di misurazione.
Un’altra limitazione di questi metodi, alquanto seria nelle sue conseguenze, è che questi misurano solo il valore medio di contaminazione degli assemblati elettronici. In pratica, le aree critiche si trovano assai spesso al di sotto dei componenti. Le aree libere dei connettori e dei pcb non sono invece critiche. Determinare se un metodo di pulizia funzioni o meno seriamente nelle aree critiche è praticamente impossibile mediante le misurazioni di contaminazione ionica.
A causa delle limitazioni di cui sopra sono stati sviluppati diversi metodi basati su principi chimici e fisici differenti.

1. Test di contaminazione organica superficiale (metodo che segue le IPC TM 650 2.3.38)
Le impurità organiche vengono dissolte in un solvente aggressivo e depositate su un substrato di vetro. Viene effettuata una semplice valutazione ottica, anche se è possibile effettuare una misurazione rifrattiva usando uno spettrometro a infrarossi sottoponendo a test un sottile strato di impurità (IPC TM 650 2 marzo 39).

2. Dissoluzione di residui organici mediante isopropanolo anidro e successiva localizzazione di resina chimica (IPC TM-650 2.3.27)

3. Analisi al SEM e spettroscopia a raggi X
L’analisi mediante microscopio elettronico a scansione utilizza la capacità di “vedere” gli strati conduttivi così come il flusso di elettroni. Con tali immagini è possibile vedere chiaramente aree potenzialmente conduttive di residui ionici.

4. Misurazione della tensione superficiale utilizzando la misura degli angoli critici
Viene eseguita mediante un profilometro ottico che misura l’angolo di contatto definito dal liquido sulla superficie da pulire

5. Misurazione della tensione superficiale utilizzando inchiostri che possiedono una tensione superficiale specifica
Un gruppo di inchiostri viene gradualmente applicato sulla superficie, finché non si trova quello che non si espande, ma che si trasforma in gocce. Questo è un metodo semplice e veloce, nonostante sia approssimativo, per determinare l’adesione superficiale prima del processo di conformal coating.

I seguenti metodi sono invece particolarmente utili quando i residui organici di contaminazione superficiale rappresentano una limitazione importante per la fattibilità di altri tipi di processi (coating, bonding).

1. Indicazione di residui attivi sui pcb
Metodo d’indicazione chimica che determina residui di acido carbossilico in residui bianchi.
In accordo con l’IPC 610E, i residui bianchi possono essere accettati se questi non sono attivi. Questo metodo indica residui attivi mediante un cambiamento cromatico del reagente nelle aree sottoposte a test. Le indicazioni locali e la natura non distruttiva di questo metodo sono naturalmente un vantaggio. Esempio di tale indicatore è il  Flux Test Kit di Zestron.

2. Indicazione di residui organici
Metodo d’indicazione chimica per la localizzazione di residui organici in residui bianchi. Ha la capacità di evidenziare sali a partire da polimeri organici. Si tratta dunque di un semplice  metodo di scoperta di residui bianchi. Esempio di tale indicatore è il Rosin Test Kit di Zestron.

Metodi di misurazione indiretta
Si tratta di metodi che non misurano l’inquinamento in unità fisiche, ma che misurano o osservano altri elementi. Sono questi metodi più vantaggiosi per uso pratico.

1. Metodi visivi
a) Valutazione della possibile delaminazione degli strati e di possibili problemi di adesione.   
b) Metodo di calibrazione dei PTB nella fase di pulizia al di sotto dei componenti.
Si tratta di metodi basati sulla valutazione dei residui di resina presenti al di sotto di chip ceramici posti su un substrato di vetro. Il substrato viene riempito da un flussante di riferimento, sottoposto a reflow, pulito e analizzato dal suo lato inferiore mediante un sistema AOI. Paragonando i risultati a partire da tale calibrazione con i risultati di un pcb reale c’è la possibilità di determinare con precisione i parametri di processo richiesti. Questo metodo viene utilizzato per controlli ordinari dello stato della macchina, per trattamenti a lungo termine dei processi di cleaning e, last but not least, per lo sviluppo di nuove tecnologie di cleaning.

2. Corrosività del flussante
Test di laboratorio. Se viene confermata una buona resistenza alla corrosione del flussante in condizioni estreme, s’immagina che gli assemblati siano altrettanto resistenti.

3. Test SIR
Test su schede speciali a pettine, che possono essere preparati specificamente o far parte di un sistema tecnologico eseguito su un pcb direttamente durante il processo. Il valore misurato non è altro che la resistenza statica del campione.

4. Test di elettromigrazione - in relazione all’IPC TM-650 2.5.27, 2.6.14.1
I campioni a pettine sono soggetti a test di umidità. La resistenza statica viene misurata dopo il test o durante lo stesso.  Misurazioni continue sono particolarmente importanti con assemblati lead-free basati su leghe SAC, visto che i dendriti di Ag si accrescono molto fini e bruciano rapidamente quando sono connessi uno all’altro creando corti circuiti. Un classico test SIR oppure l’esecuzione di un test solo a seguito della rimozione dalla camera di prova non possono identificare tali comportamenti, situazione questa che è critica per una reale funzionalità dell’assemblato.

5. Test di resistenza superficiale
Si tratta di test eseguiti mediante una sonda a quattro puntali, normalmente usata su piazzole di contatto placcate in oro.

6. Test di saldabilità (in relazione al J-STD 003 per PCA)
I residui di saldatura possono influire pesantemente sulla saldabilità.

7. Test di solidità di legame
Viene eseguito sottoponendo a trazione il giunto dopo il processo di bonding.

Stato della standardizzazione nell’UE
Al momento non esistono standard europei che possano descrivere complessivamente la metodologia. Il solo standard collegato potrebbe essere l’EN 61191-1 (“Requisiti degli assemblati per la saldatura elettrica ed elettronica utilizzando la tecnologia di montaggio superficiale), ma anche questo si riferisce all’IPC-TM-650, cioè: il metodo che si riferisce agli standard IPC sarà incorporato nell’IEC. L’unica metodologia completa che si riferisca al cleaning e alle sue classificazioni è l’IPC, cioè la guida metodologica TM-650 B, seguita dalle descrizioni di metodi e procedure specifiche.

Come funziona praticamente?
Esistono richieste serie sulla purezza e l’affidabilità degli assemblati. È sempre raccomandabile eseguire test di elettromigrazione o test di invecchiamento climatico e usare tali risultati per calibrare metodi rapidi di produzione, come ad esempio contaminomentri, sistemi di test della tensione superficiale e SIR. Ogni metodo che sia basato solo sul valore generico della purità ionica, senza sapere il perché, rappresenta un limite abbastanza serio. Si tratta solo di “sparare un colpo nel mucchio” con la speranza che il sistema funzioni.

Come raggiungere la purezza
Nello stesso modo del campo delle misure, il mondo dell’informazione viene inondato quotidianamente da una serie di leggende metropolitane, che spesso sono ulteriormente distorte da una gran massa di slogan commerciali, come quelli finalizzati alla vendita di un prodotto. Tutto ciò è ancora più comune se una macchina è esteticamente gradevole e se appare in spot pubblicitari in cui, ad esempio, viene offerto un prezzo ridotto e se con essa se ne consiglia l’utilizzo di un agente detergente di basso costo. Tale situazione richede dei commenti:
Il prezzo che deve essere pagato dall’utilizzatore non costituisce solo un costo d’investimento e non è solo relativo al costo per litro del detergente. Si tratta in realtà del prezzo totale del processo, prezzo cioè convertito in un singolo assemblato che sia stato sottoposto a cleaning. Ciò comprende integralmente informazioni quali il consumo di agente detergente (che dipende dalla struttura della macchina), ma anche dal grado di volatilità dello stesso - ad es. quanto detergente è necessario per l’utilizzo nella macchina e quanto falcilmente lo stesso evapora, senza dimenticare poi la viscosità del detergente (cioè quando detergente è necessario utilizzare sulla superficie del pcb) e altri parametri fisici a prima vista irrilevanti.
Il consumo della macchina è inversamente proporzionale al suo costo d’acquisto. È possibile costruire una macchina “semplice”, che lavi (senza considerare quanto il processo utilizzato sia valido dal punto di vista della purezza ionica e quale sia la durata della vita media della macchina stessa) ma possiede, a causa del progetto semplificato, limiti negli alti consumi, un controllo ridotto nei parametri critici di processo e, normalmente, non dispone di sistemi di monitoraggio e tracciabilità. Allo stesso modo, determinati detergenti possono essere acquistati a un costo assolutamente abbordabile quando si esegue un calcolo per litro, ma possono essere consumati nel processo assai più rapidamente sia a causa della loro bassa capacità (i componenti chimici attivi perdono la loro efficacia velocemente quando reagiscono con le impurità) sia a causa dell’alto grado di evaporazione, sia ancora per un alto fattore di drag-out (che è determinante se non c’è presenza di una tensione superficiale ottimale). Esistono proprietà più pericolose, così come detergenti inappropriati che possono danneggiare il trasduttori ultrasonici mediante cavitazione, che possono reagire con le parti plastiche e che possono causare danni chimici assai seri sugli assemblati elettronici.

I principi base per un lavaggio efficiente

1) Scelta appropriata dell’agente detergente
a) L’ “attività” del detergente deve essere sufficiente, ma non eccessiva. Anche se gli agenti di pulizia possono essere facilmente equiparati, questi normalmente (in tecnologie a base d’acqua) presentano grandi consumi, problemi di compatibilità con componenti specifici presenti sul pcb e comportano una grande propensione all’esaurimento. Tale processo è tutto sommato costoso.
b) Percentuale minima di solventi presenti nel sistema a base d’acqua. Se tale percentuale non viene rispettata, nell’acqua di risciacquo rimangono alti livelli di residui organici ossidabili che eccedono i limiti di standard. Ciò impone naturalmente un cambio costante dell’acqua di risciacquo, che determina un relativo aumento dei costi del processo.

2) Progetto ottimale della macchina
La selezione di un appropriato sistema di agitazione meccanica del bagno, in particolare la struttura che ne sta alla base, è in questo caso essenziale. Mostriamo alcuni esempi di sistemi di spray:
a) Le dinamiche massime dello spray, siano esse in aria o in immersione, vengono tenute in considerazione. Questo sistema può accelerare il processo di cleaning e compensare la bassa attività dell’agente detergente. Il processo è tutto sommato economico.
b) Sezione di irrorazione ottimizzata. In questo caso la matrice di spray, o un array lineare oscillante funziona senz’altro meglio dei più reattivi bracci rotanti. Tale sistema è assai più conveniente a livello di costo di produzione, ma in genere non riesce a coprire l’intera sezione d’irrorazione, richiede un tempo ciclo assai più esteso, che non si riferisce soltanto a una questione di energia per pompare il detergente, ma che ha un riflesso anche sul consumo dello stesso, a problemi di evaporazione e di compatibilità sul pcb a causa della lunga esposizione agli agenti chimici.
c) Forma ottimizzata e particolare struttura costruttiva di una camera di cleaning per lo spray in aria. La camera è sigillata quasi ermeticamente ed è provvista di valvole di scarico integrate nelle pareti della camera. Il sistema di scarico presenta una superficie minima a contatto col liquido.
d) Asciugatura ottimizzata. Non agisce solo mediante riscaldamento dell’assemblato, ma con l’applicazione di vere condizioni termodinamiche che operano l’asciugatura in un tempo assolutamente ridotto.
e) Processo di controllo complesso ma di semplice gestione. Se possibile, tutti i parametri di processo dovrebbero essere tenuti sotto controllo. Ciò comprende la pressione sugli ugelli (e non solo prima degli elementi di filtraggio), la temperatura, la gestione dello stato della macchina e il controllo dei parametri di processo. Sistemi software ben progettati permettono di ottimizzare al meglio e più rapidamente attività di estrema complessità. La documentazione dei parametri di processo e la tracciabilità sono elementi poi sempre più richiesti dal cliente.

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