1.16. Ультразвук в технологии отмывки электронных блоков
Технологии очистки электронных модулей от загрязнений постоянно совершенствуются. Широко использующаяся в России спиртобензиновая смесь для отмывки плат от остатков флюса и технологических загрязнений теряет эффективность по мере уменьшения размеров компонентов. В уменьшающихся паузах и зазорах нет нужного обмена раствора, чтобы вымыть оттуда технологические загрязнения. Практикуемая за рубежом конденсационная очистка, использующая хлорированные и фторированные углеводы, наносит вред экологии нашей планеты и в перспективе исчезает. В то же время требования к качеству отмывки непрерывно повышаются. Чистота стала актуальным фактором качества во многих сферах промышленности, чего не было в прошлом. В электронной индустрии, где чистота была всегда важна, она стала еще более критическим фактором в обеспечении состоятельности высоких технологий. Создается впечатление, что каждое усовершенствование технологии требует все большего и большего внимания к чистоте для его реализации. В результате технологии очистки в течение последних нескольких лет были критически пересмотрены. Многие из них теперь основаны на использовании ультразвуковых методов очистки.
Ультразвук (УЗ) – это упругие колебания и волны, частота которых выше 15÷20 кГц. Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной. Верхняя граница обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т. е. при условии, что длина волны значительно больше свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу частот ультразвука определяют из условия приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул. При нормальном давлении она составляет 109 Гц. В жидкостях и твердых телах определяющим является равенство длины волны межатомным расстояниям, и граничная частота достигает 1012÷1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты ультразвук обладает специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область ультразвуковых частот удобно подразделить на три подобласти: низкие – 104÷105 Гц; средние – 105÷107 Гц; высокие – 107÷109 Гц. Упругие волны с частотами 108÷1013 Гц принято называть гиперзвуком.
Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона, а также от инфразвуковых волн.
Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общим для акустических волн любого диапазона частот, обычно называемых звуковыми волнами. К основным законам их распространения относят законы отражения и преломления звука на границах различных сред, дифракция и рассеяние звука при наличии препятствий и неоднородности в среде и неровности на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.
Хотя физическая природа ультразвука, условия его распространения и основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, определяющих его значимость в науке и технике.
Для низкочастотной области ультразвука длины волн не превышают в большинстве случаев нескольких сантиметров и лишь вблизи нижней границы диапазона достигают в твердых телах нескольких десятков сантиметров.
Ультразвуковые волны затухают значительно быстрее, чем волны низкочастотного диапазона, так как коэффициент поглощения звука (на единицу расстояния) пропорционален квадрату частоты.
Еще одна весьма важная особенность ультразвука – возможность получения высоких значений интенсивности при относительно небольших амплитудах колебательного смещения, так как при данной амплитуде интенсивность прямо пропорциональна квадрату частоты. Амплитуда колебательного смещения на практике ограничена прочностью акустических излучателей.
Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложные движения пузырьков, их захлопывания, слияния друг с другом и т. д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), инициируются или ускоряются различные физические или химические процессы (рис. 1.16.1).
При распространении ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности (всего несколько ватт на квадратный сантиметр) в жидкости возникает переменное звуковое давление, амплитуда которого достигает порядка нескольких атмосфер. Под действием этого давления жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Жидкость без существенного изменения ее свойств можно сильно сжать.
Иначе обстоит дело, если в жидкости создать разрежение: уже простое уменьшение давления над водой приводит к закипанию и парообразованию в объеме воды. Нечто аналогичное происходит и при распространении ультразвуковой волны в жидкости: растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидкости разрывов, т. е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки получили название кавитационных, а само явление стали называть ультразвуковой кавитацией. Кавитационные пузырьки в некоторой области жидкости возникают всякий раз, когда до этой области доходит фаза разрежения ультразвуковой волны.
Рис. 1.16.1
Как правило, кавитационные, пузырьки долго не живут: уже следующая за разрежением фаза сжатия приводит к захлопыванию большей их части. Поэтому кавитационные пузырьки исчезают практически сразу вслед за прекращением облучения жидкости ультразвуком. При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная волна, развивающая громадные давления. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, она слегка разрушает его поверхность.
Поскольку кавитационных пузырьков много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, кавитация может произвести значительные разрушения. Кавитация была впервые обнаружена при изучении быстрого движения твердых тел внутри жидкости. Огромную разрушающую силу этого явления почувствовали в первую очередь инженеры, испытывающие гребные винты судов. При большой скорости вращения лопастей винта происходит образование кавитационных пузырьков, аналогичное тому, которое имеет место при распространении ультразвуковой волны. Кавитация приводит к разрушению материала, из которого изготовлены гребные винты. В этом смысле кавитация – вредное явление. Однако создание ультразвуковых генераторов сделало возможным управление кавитационным процессом, а значит и полезное применение его на практике.
Очистка в большинстве случаев требует, чтобы загрязнения были растворены (в случае растворения солей), счищены (в случае нерастворимых солей) или и растворены, и счищены (как в случае нерастворимых частиц, закрепленных в слое жировых пленок). Механические эффекты ультразвуковой энергии могут быть полезны как для ускорения растворения, так и для отделения частиц от очищаемой поверхности. Ультразвук также можно эффективно использовать в процессе ополаскивания. Остаточные химикалии моющих средств могут быть быстро удалены ультразвуковым ополаскиванием. При удалении загрязнений растворением растворителю необходимо войти в контакт с загрязняющей пленкой и разрушить ее. По мере того, как растворитель растворяет загрязнения, на границе растворитель-загрязнение возникает насыщенный раствор загрязнения в растворителе, и растворение останавливается, поскольку нет доставки свежего раствора к поверхности загрязнения.
Воздействие ультразвука разрушает слой насыщенного растворителя и обеспечивает доставку свежего раствора к поверхности загрязнения. Это особенно эффективно в тех случаях, когда очистке подвергаются “направленные” поверхности с лабиринтом пазух и рельефа поверхностей. К таким относятся печатные платы и электронные модули.
Некоторые загрязнения представляют собой слой нерастворимых частиц, прочно сцепленный с поверхностью силами ионной связи и адгезии. Такие частицы достаточно только отделить от поверхности, чтобы разорвать силы притяжения и перевести их в объем моющей среды для последующего удаления. Кавитация и акустические течения срывают с поверхности загрязнения типа пыли, смывают и удаляют их.
Загрязнения, как правило, многокомпонентны и могут в комплексе содержать растворимые и нерастворимые компоненты. Эффект ультразвука в том и состоит, что он эмульгирует любые компоненты, т. е. приводит их в моющую среду и вместе с ней удаляет их с поверхности изделия.
Чтобы ввести ультразвуковую энергию в систему очистки, необходим ультразвуковой генератор, преобразователь электрической энергии генератора в ультразвуковое излучение и измеритель акустической мощности.
Электрический ультразвуковой генератор конвертирует электрическую энергию на ультразвуковой частоте. Это выполняется известными способами и не имеет какой-либо специфики. Однако, предпочтительнее использовать цифровую технику генерации, когда на выходе получаются прямоугольные импульсы чередующейся полярности. Коэффициент полезного действия таких генераторов близок к 100 %, что позволяет решать проблему энергоемкости процесса. Использование сигнала прямоугольной формы приводит к акустическому излучению, богатому гармониками. Преимущества многочастотной системы очистки состоят в том, что в объеме моющей среды не образуется “мертвых” зон в узлах интерференции. Поэтому многочастотное ультразвуковое облучение позволяет располагать объект очистки практически в любой зоне ультразвуковой ванны.
Другим приемом избавления от “мертвых зон” является использование генератора с качающейся частотой. В этом случае узлы и пучности интерференционного поля перемещаются на различные точки очищающей системы, не оставляя без облучения какие-либо участки для очистки. Но коэффициент полезного действия таких генераторов относительно низкий.
С помощью ультразвукового оборудования обеспечивается удаление следующих видов загрязнений:
1. Загрязнения в виде твердых и жидких пленок, с примесью механических загрязнений.
2. Загрязнения в виде твердых осадков, находящихся на поверхности изделий, материалов и деталей, механические загрязнения в виде твердых частиц металла, металлической стружки, а также пигментов. Их отличительная особенность – инертность к растворителям, при затвердевании они образуют трудно отделимую корочку. Водорастворимые или частично растворимые полярные органические и неорганические соединения.
3. Загрязнения в виде продуктов коррозии (ржавчины, окалины, шлама).
4. Предохраняющие, консервирующие и защитные покрытия. Защитные эмали, смазочные масла, наклеечные смолы.
Учитывая большое многообразие загрязнений, процесс отмывки печатных узлов в установках происходит в несколько этапов.
1-й этап: отмывка. Для активирования моющей жидкости в ванне устанавливают следующие устройства: ультразвуковой генератор; систему циркуляции и фильтрации раствора через фильтр; встроенные нагреватели для подогрева; модули охлаждения для стабилизации температуры жидкости; компрессор с системой барботирования сжатым воздухом; систему струйной промывки внутри объема.
2-й этап: первое ополаскивание. Осуществляется проточной водопроводной водой. Процесс подачи воды управляется электромагнитным клапаном, использованная вода сливается через сливное отверстие. Для улавливания загрязнений с поверхности воды в ванне ополаскивания устанавливается скимер. На этом этапе учитываются время ополаскивания и скорость тока воды.
3-й этап: финишное ополаскивание. Осуществляется деионизированной водой. Для выполнения этой задачи ванна оснащена системой циркуляции, в состав которой входят 2 фильтра с активированным углем, ионообменный фильтр на основе смешанной смолы (для удаления ионных загрязнений), измеритель проводимости деионизированной воды. При этом обеспечивается подогрев воды до температуры около 40 ºС.
4-й этап: сушка. Осуществляется обдувом горячим воздухом без его циркуляции. Температура воздуха до 80 ºС. Время сушки определяется с учетом сложности печатного узла (разъемы, преобразователи, пластиковые компоненты с большим объемом полостей).
Применение ультразвука в технологии очистки позволяет значительно улучшить качество удаления загрязнений в труднодоступных участках изделий без применения органических растворителей, что сокращает применение ручного труда и, как следствие, временные затраты. Кроме того, применение современных моющих жидкостей вместо растворителей повышает экологичность процесса.