靜態(tài)與動態(tài)一體的離子污染檢測的研究與應用

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 ）

靜態(tài)與動態(tài)一體的離子污染檢測的研究與應用

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)有兩種檢測離子污染潔凈度的方式，即靜態(tài)與動態(tài)。文章著重于介紹集靜態(tài)與動態(tài)于一體離子污染測試儀的原理與應用，分析兩種不同方式檢測結果、精度與效率。并且通過測試驗證，均滿足檢測要求。一體機功能的全面性提高了離子污染測試儀的性價比，更帶來了便捷性。

印制電路板；離子污染檢測；電導率；離子濃度

PCB在制程中，會造成表面離子污染物的殘留，當殘留離子嚴重時將導致線路出現(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試儀來進行檢測，而檢測設備要求現(xiàn)已有明確的規(guī)定[1]。離子污染測試原理最早來源于貝爾實驗室，當時僅采用去離子水進行萃取，后經(jīng)美國一海軍航空電子設備中心改進，使用異丙醇和去離子水進行噴淋萃取[2]。萃取液按照1.5 ml/cm2的流量，以細流的方式噴射到線路板的兩面，萃取時間≥1 min，然后對收集的萃取液測試其電導率進行計算，該測試方法也就是MIL-P-28809標準，若萃取液電阻率為2 MΩ即處于合格上限[3]，測試根據(jù)電導率與NaCl的等價關系計算得出離子濃度。后來經(jīng)美國愛法（ALPHA metals）公司，進行了再次的改進，引入了“動態(tài)測試”：加熱萃取“的概念[2]，靜態(tài)/動態(tài)測試法一直引用至今。

1 靜態(tài)/動態(tài)一體原理分析

靜態(tài)/動態(tài)一體測試是以下兩種測試原理的結合，兩種模式可自由切換，下面對靜態(tài)模式及動態(tài)模式的原理分別進行分析說明：

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)萃取液電導率及溫度達到設定值，然后放入測試樣板，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)過一定時間的沖洗后，萃取液的電導率達到一個相對恒定的的值，以電導率與等價氯化鈉的關系計算其離子濃度值[4]。

1.2 動態(tài)模式原理

動態(tài)原理如圖1所示：首先保證水箱內(nèi)萃取液電導率及溫度達到設定值，然后放入PCB，先通過磁力泵循環(huán)一定的時間≥1 min，（目的是將大部分離子先溶解一遍）然后打開再生閥，（同時傳感器將數(shù)據(jù)開始傳送至電腦開始計算）水箱的萃取液經(jīng)過再生后，再次進入水箱連續(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率數(shù)據(jù)）至初始的電導率即結束。動態(tài)測試過程是以電導率，流量，體積，時間等數(shù)據(jù)進行微分/函數(shù)運算，最終得出離子濃度。

圖1 動/靜態(tài)測試原理

2 靜態(tài)/動態(tài)一體測試條件要點分析

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、滿足萃取測試條件。異丙醇：利用溶解能力強，電絕緣性好的特性應用至離子溶解過程中。加熱萃取的溫度控制在40 ℃時，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

采用陰陽交換樹脂，該類型樹脂用于如顯示設備，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，對與加快沖洗溶解PCB表面離子，起到一個很好的作用。且流速的采集以每秒四次的速率實時反饋至PC進行運算。

2.4 電導率

測試萃取液根據(jù)執(zhí)行標準，電阻率必須大于6 MΩ[3]，然，PCB測試電阻率一般以（20～66）MΩ為宜[2]，該范圍內(nèi)大氣與萃取液的化學效應，處于一個相對平衡狀態(tài)。其中電極測量上限為10 ms≈0.1 MΩ，等同離子濃度測量范圍參照圖2：當電導率約為0.6 ms時總質量為24207 mg。以此為例計算最高量程約為：100 000 mg（非直線性增長）。最低量程則以實際儀器性能為準。

2.5 NaCl標準液

無毒，無危險性，在溶液中以離子的形態(tài)構成。用于來檢驗儀器的精度及性能。將0.6 gNaCl溶于1 ml去離子水，誤差約±1%。取總量為40 ml進行測試，測試結果參照圖2，誤差僅1%＜，滿足校準檢驗要求。

圖2 離子濃度與等價氯化鈉測量圖

2.6 測試量程

測試前需要根據(jù)測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PCB面積量程計算：萃取液體積為17 L時，最低檢測質量值為600 mg，最高質量為100000 mg。如3所示。當板面積不足最小測試面積時，也可放入多塊以滿足測試條件≤3塊為以宜。當然水箱可以加大，便于能測量更大面積的測試板，但是加大的水箱，需要重新考慮最低檢測值，以確定最小測試面積。

圖3 測試板范圍計算

3 靜態(tài)/動態(tài)一體NaCl應用測試

3.1 靜態(tài)模式NaCl測試

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

圖4 靜態(tài)測試3000mgNaCl電導曲線

圖5 靜態(tài)測試3000mgNaCl離子濃度曲線

3.2 動態(tài)模式NaCl測試

如圖6、圖7所示，動態(tài)測試模式時，會先攪拌一定的時間（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出電導率曲線從一個很高的值，慢慢的呈現(xiàn)一個下降的趨勢，該趨勢也是說明了，打開閥門再生后，每次進入水箱循環(huán)的萃取液都是相對潔凈的，電阻率也就呈一個持續(xù)下降的狀態(tài)，直到電阻率下降到初始的值即測試結束。離子濃度曲線則與電導曲線為反比呈現(xiàn)。

圖6 動態(tài)測試3000mgNaCl電導曲線

圖7 動態(tài)測試3000mgNaCl離子濃度曲線

3.3 靜態(tài)/動態(tài)一體NaCl檢測總結

等量NaCl測試：如圖10（靜態(tài)）與圖12（動態(tài)）所示：離子濃度均為：0.33 mg/cm2，由此得出結論：一體離子污染檢測中的靜態(tài)方式與動態(tài)方式，均滿足離子污染的檢測要求。下面為了進一步驗證，采用PCB板進行實測。

4 PCB板測試

4.1 PCB靜態(tài)測試

通過圖13、圖14，電導與濃度曲線可以解析為：萃取之初電導率呈一個快速的上升曲線，這與NaCl的溶解方式一樣，此時很大一部分的離子被溶解，而過一段時間后，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的離子，隨著循環(huán)沖洗溶解的時間推移，只能慢慢的被溶解，電導率也就一直呈一個緩慢的上升的曲線，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。所以實際測試PCB呈現(xiàn)緩慢的上升曲線狀態(tài)時（15 s內(nèi)±0.02 mg變化），表明測試已經(jīng)完成，繼續(xù)測試已無太大的意義（特殊要求除外）。

4.2 PCB動態(tài)測試

通過圖15、圖16，電導與濃度曲線可以看出，動態(tài)PCB測試曲線圖與NaCl測試類型一致，區(qū)別在于PCB板測試時，時間會相對較長。因為，NaCl的溶解能力高于PCB表面離子。測試完成后軟件運行自動停止，生成測試結果。

4.3 靜態(tài)/動態(tài)一體PCB測試結論

4.3.1 效率對比

圖8、圖9為動態(tài)/靜態(tài)測試步驟。

圖8 靜態(tài)測試步驟

圖9 動態(tài)測試步驟

圖10 連續(xù)測試靜態(tài)與動態(tài)測試效率對比

通過以上的測試步驟可以看出：靜態(tài)測試測試結束后。進行下一次測試前，則必須再生。使測試槽內(nèi)萃取液達到電阻率基準。而動態(tài)測試完成后，進行下一次測試前是不需要再生的，因為動態(tài)在測試的同時，就已經(jīng)在不斷的再生萃取液，再生的過程也就是動態(tài)測試計算的全過程，直至萃取液至起始電阻率的狀態(tài)即結束。如圖10所示，等同的條件下，以20 ml NaCl為基準，17 L萃取液測試。在保證測試完成后，水箱內(nèi)能保持一個相對潔凈的狀態(tài)（達到起始的電阻率），對于兩種模式實測統(tǒng)計：動態(tài)效率提升約27%。

4.3.2 離子污染濃度對比

如圖11～圖14統(tǒng)計得出圖15。

圖11 靜態(tài)阻焊板測試圖

圖12 靜態(tài)覆銅板測試圖

圖13 動態(tài)阻焊板測試圖

圖14 動態(tài)覆銅板測試圖

圖15 動態(tài)/靜態(tài)測試測試值比較

圖示17表明：PCB測試時動態(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，兩個潔凈度相對相等的物質在一起時，是不能進行更深層清潔萃取的。而動態(tài)測試時，因為經(jīng)過了再生，再次回到水箱的萃取時是相對純凈的，而且相對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，動態(tài)結果值高于了靜態(tài)＞60%的原因了。

5 總結

（1）現(xiàn)今MIL-P-28809標準標定了PCB離子污染程度＜1.56 mg/cm2即合格。 而IPC標定了測試的條件[1]，這是以‘靜態(tài)’為基準所建立的。而對于PCB表面離子污染的檢測，我們可以理解靜態(tài)為淺度表面離子污染的檢測。動態(tài)為深度表面離子污染的檢測。其中動態(tài)的檢測更為精確（萃取離子能力動態(tài)＞靜態(tài)60%），高效（動態(tài)檢測效率高于靜態(tài)27%），動態(tài)測試已遠高于行業(yè)的標準。

（2）作為PCB生產(chǎn)商以動態(tài)檢測可更好的監(jiān)控在線的制程工藝。當然PCB的驗收還是以現(xiàn)行標準靜態(tài)為準。對于特殊要求例如航天，軍工及特殊PCB板，建議用動態(tài)測試作為最好的驗證參考，以確保PCB后期使用的穩(wěn)定性。

[1]GB 4706.1.電器安全標準[S].

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

[3]GB/T 18268.1.測量、控制和實驗室用電設備電磁兼容性要求[S].

[4]IPC-TM-650.印制板表面離子污染測試方法[S].

[5]MIL-P-55110E.剛性印制板通用技術規(guī)范[S].

[6]黃漢松. 關于離子污染測試儀的發(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[J/OL].

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

張也，工程師，主要從事線路板測試儀器的研發(fā)與應用。

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