超声波清洗技术在国外是一种很成熟的清洗技术, 广泛应用于机械、电子等领域。焊接后电路板的清洗是其中很重要的一个应用。国内在这方面的应用也较为普遍, 但是, 不能不说, 很多厂家并没有搞清超声波清洗的基本原理, 因此, 在应用超声波清洗技术时存在十分不规范的一面, 甚至和超声波清洗的原理完全相悖。有些厂家, 名义上用的是超声波清洗, 实际上只是作为一个普通的浸泡清洗槽来使用, 由于超声波清洗工艺不合理, 根本无法将电路板清洗干净。不仅没有发挥超声波清洗清洗质量好、清洗效率高的优点, 相反, 有可能对电路板及其元器件造成损伤。

1  超声波清洗原理

超声波和其它声波一样, 是一系列的压力点, 即一种压缩和膨胀交替的波。如果声能足够强, 液体在波的膨胀阶段被推开, 由此产生气泡; 而在波的压缩阶段, 这些气泡就在液体中瞬间爆裂或内爆, 产生一种非常有效的冲击力, 特别适用于清洗。这个过程被称做空化作用。超声波清洗正是基于空化作用, 即在清洗液中无数气泡快速形成并迅速内爆。由此产生的冲击将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物剥落下来。随着超声频率的提高, 气泡数量增加而爆破冲击力减弱, 因此, 高频超声特别适用于小颗粒污垢的清洗而不破环其工件表面。

从理论上分析, 爆裂的空化泡会产生超过68. 9MPa的压力和11 000 的高温, 并在其爆裂的瞬间冲击波会迅速向外辐射。单个空化泡所释放的能量很小, 但每秒钟内有几百万的空化泡同时爆裂, 累计起来的效果将是非常强烈的, 产生的强大的冲击力将工件表面的污物剥落, 这就是所有超声清洗的特点。如果超声能量足够大, 空化现象会在清洗液各处产生, 所以超声波能够有效清洗微小的裂缝和孔。空化作用也促进了化学反应并加速了表面膜的溶解。然而只有在某区域的液体压力低于该气泡内气体压力时才会在该区域产生空化现象, 故由换能器产生的超声波振幅足够大时才能满足这一条件。产生空化所需的最小功率被称做空化临界点。不同的液体存在不同的空化临界点, 故超声波能量必须超过该临界点才能达到清洗效果。也就是说, 只有能量超过临界点才能产生空化泡, 以便进行超声清洗。气泡是在液体中施加高频(超声频率)、高强度的声波而产生的。因此, 任何超声清洗系统都必须具备三个基本元件: 盛放清洗液的槽、将电能转化为机械能的换能器以及产生高频电信号的超声波发生器。

2  超声波清洗的优点

2. 1  高精度由于超声波的能量能够穿透细微的缝隙和小孔, 故可以应用于任何形状、任何复杂程度电路板的清洗。被清洗电路板如果比较复杂时, 有一些普通方法难于清洗的缝隙和开孔。超声清洗往往成为能满足其特殊技术要求的唯一的清洗方式。

2. 2  快速高效

超声清洗相对常规清洗方法在电路板除尘除垢方面要快得多。超声清洗可节省劳动力的优点往往使其成为最经济的清洗方式。

2. 3   一致性好无论被清洗电路板是大是小, 简单还是复杂, 单件还是批量或在自动流水线上, 使用超声清洗都可以获得手工清洗无可比拟的均一的清洁度。

3  超声波清洗的工艺参数超声波清洗有几个重要的工艺参数: 频率、功率、时间、清洗溶剂、电路板的放置方式、超声波强度。错误的超声波清洗工艺也正是在这几个问题上没有真正掌握。

3. 1  频率的重要性

当工作频率很低(在人的听觉范围内) 就会产生噪音。当频率低于20 kH z时, 工作噪音不仅变得很大, 而且可能超出职业安全与保健法或其他条例所规定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢而不用考虑工件表面损伤的应用中, 通常选择从20kH z~ 30 kH z的较低清洗频率。该频率范围内的清洗频率常常被用于清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。高频通常被用于清洗较小、较精密的零件, 或清除微小颗粒。高频还被用于工件表面不允许损伤的应用。使用高频可从几个方面改善清洗性能。随着频率的增加, 空化泡的数量呈线形增加, 从而产生更多更密集的冲击波使其能进入到更小的缝隙中。如果功率保持不变, 空化泡变小, 其释放的能量相应减少, 这样有效地减小了对工件表面的损伤。高频的另一个优势在于减小了黏滞边界层(泊努里效应) , 使得超声波能够'发 现'极 细小的微粒。这种情况近似于小溪中水位降低时可以看清溪底的小石子。电路板上由于有各种元器件甚至是比较娇贵的器件, 而且电路板表面凹凸不平, 有许多细小的狭缝, 因此电路板的清洗当然必须采用较高频率。国外资料建议频率在33 kH z~ 66 kH z。但现实中有人认为, 频率越高越容易对电路板造成损伤, 而低频往往是安全的, 这是完全错误的观点。

4  超声波清洗的注意事项

( 1)对于陶瓷封装的集成电路以及其它一些中间有空腔的封装形式, 可能发生的共振现象有可能使封装内部的金丝球焊的金线被拉断。

( 2)在超声清洗的功率太高、时间过长时, 可能造成某些很脆零件的损坏。

( 3)不可预料的共振可能造成一些焊点断裂失效。

( 4)可能有环保方面的问题, 如强烈的噪音、挥发性的溶剂。

( 5)超声波清洗机要保证可靠地接地, 否则产生的静电有可能对电路板上的元器件造成损伤。但至今似乎并无明显证据表明, 超声清洗不可用于电子装联工艺。

5  结束语

超声波清洗工艺是一种价格低廉、安全、高效的清洗工艺, 由于很多厂家对超声波清洗的原理不熟悉, 因此导致许多使用中的误区, 不仅不能把电路板清洗干净, 相反可能对电路板造成损伤。只有对超声波清洗的工艺参数: 频率、功率、时间、清洗溶剂、电路板的放置方式、超声波强度仔细考虑, 才有可能获的满意的清洗效果。