戴翼戈，赵鹤然，马艳艳，李俐莹

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032；2.沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳 110866）

1 引 言

电子封装和组装过程一般具有较高的洁净度要求，往往需要在元器件焊接之后增加清洗环节，来去除焊锡球、有机沾污、助焊剂残留等组装多余物及污染。如果清洗不充分，一方面会产生离子或非离子污染，在电流长时间作用下，还易产生电迁移，甚至引发短路。另一方面，可动多余物在航天器件中危害性极大，可能在高加速环境中产生极大的动能，对芯片和元器件有着致命的威胁[1-2]。

有机溶剂具有清洗洁净度高、速度快和清洗均匀等特点，过程标准化与精确控制程度高，易与自动化设备良好结合。同时，有机溶剂清洗特别适用于表面形状复杂、精密而又难以清洗的零件，因此在PCB 板电路的清洗中占有重要的地位，被广泛应用于航天精密零件的加工、装配等生产环节[3-5]。

故此，针对溶剂清洗过程中的器件损伤问题，结合有机溶剂清洗方式的特点，对器件在沸腾溶剂中的运动、碰撞机制展开研究，给出最大应力的仿真分析方法，并提出清洗优化方案，并进行试验验证。

2 常规清洗方法及隐患

优化前的常规清洗操作一般以下述步骤进行：

A.将待清洗工件放入清洗提篮内，工件尽量倾斜摆放，如图1所示；

B.煮洗：打开上盖，将提篮缓缓放入左侧沸腾池中，煮 3～5 分钟，如图2所示；

C.蒸洗：将提篮提至蒸汽区内，以蒸汽清洗3～5分钟；

D.喷淋：手持喷淋枪对准工件表面，用脚踩下喷淋踏板开关，对工件进行喷淋10～20 秒；

E.漂洗：将提篮缓缓放入右侧漂洗池内漂洗1～2 分钟；

F.清洗工作完成后，将提篮提至冷却区域，对工件进行冷凝烘干,待溶剂完全挥发后将提篮取出，放置在通风区域干燥，如图3所示。

图1 待清洗PCB 板放置方法

图2 PCB 板在沸腾池中的清洗

图3 清洗后PCB 板状态

然而按此法进行的清洗存在着问题：有机溶剂清洗机里的溶剂是溴丙烷，在清洗时溴丙烷为沸腾状态。开始清洗后，当把PCB 板放入溶剂时，会发生漂浮现象，由此可能造成PCB 板上的元器件发生磕碰，从而损坏。在清洗过程中，由于溴丙烷为沸腾状态，也会使清洗液中的PCB 板来回翻滚，发生碰撞，从而使元器件损坏。由此发生的损伤如图4所示。

图4 清洗前后器件损伤情况对比

3 有限元仿真及最大应力分析

3.1 参数条件

在仿真时须考虑有机溶剂溴丙烷的材料属性，其详细参数如表1所示。仿真采用FLUENT 软件，用Mixture 多相流模型及Evaporation-Condensation模型可解决相变过程中两相流相变过程中热传递等问题。初始时刻容器包含温度接近沸点溴丙烷（347K），容器底部加热，在热传导的作用下，底部壁面附近温度会超过溴丙烷的饱和温度（348K），此时液体会发生相变（沸腾）而产生气泡，气泡会在浮力作用上升。

表1 溴丙烷材料属性表

在仿真前已对udf 文件做出如下修改：

(1)Mix 混合区的能量相：

返回值=潜热×质量转移率；

(2)Liquid 区质量相：

返回值=质量转移率；

(3)Vapor 区质量相：

返回值=质量转移率；

(4)质量转移率：

仿真结果表明，有机溶液清洗槽底部在达到溶液沸点后，在4 秒钟内，整个溶液区域就进入了较为稳定的有规律波动的沸腾状态。气泡从清洗槽底部生成，受浮力作用高速运动到溶液表面，并溢出到清洗机环境中。气泡运动过程带动溶液产生流动。溶液流动的最大速度在0.44m/s 到0.69m/s 之间波动，其整体变化规律可由图5的曲线来描述。

图5 溶液区域最大速度与时间关系曲线

沸腾溶液中流速分布结果如图6所示。其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为沸腾后 t=4s、5s、6s、7s 四个典型时刻的流速分布云图。可以看出，在有机溶液清洗槽底部达到溶液沸点4s 后，在清洗槽中间区域形成了条状高速流动带，并呈现出有规律的摆动，峰值速度出现在高速流动带中，其中t=6s 时，峰值速度为监控时间段的最大流速值[6]。

图6 最大流速分布云图

3.2 最大撞击力分析

在沸腾有机溶液中，PCB 板在涡流的带动下会产生位移，其可能达到的最大位移速度VPCBmax不会超过溶液的最大速度分量Vmax=0.69m/s。因此，假定被清洗PCB 板的速度与最大流速相同，在沸腾溶液中与另一块静止PCB 板相撞，发生弹性碰撞。此时，被碰撞PCB 板所受到的撞击力即为在沸腾溶液中PCB 板所能受到的最大应力。

碰撞是自然界中常见的物理现象,其持续时间很短，一般只有百分之几秒或千分之几秒。研究表明，两个等质等大的球体作一维移动，完全弹性碰撞时间的计算公式为：

进一步，可以计算到碰撞应力：

综上，即可近似得到最大加速度amax=690m/s2，进而得到PCB 损伤电感线圈（按总质量150g 计算）的碰撞力理论极限值[7]Fmax=103.5N。

4 优化改进方法及验证

对常规的清洗方式的一大主要改进措施是优化夹具的设计。在制作相关的清洗夹具时，为了保证PCB 板的清洗效果，应使PCB 板在清洗时竖立于清洗夹具中。为了杜绝PCB 板的上的器件在清洗使受到应力，应首先避免PCB 板之间相互接触磕碰，保持相应的安全距离[8]。其次，为防止PCB 在清洗时受到溶剂应力而发生运动，应制作相应的固定装置，并且夹具本身不能接触PCB 板上的元器件。

通过以上的夹具改进后，进行实际清洗实验。实验表明，PCB 板在清洗过程，始终固定在自己安全位置上。从根本上避免了PCB 板在清洗时受到的应力，杜绝了PCB 板上元器件损坏现象的发生；清洗方式的优化，夹具固定的增强，有效避免了PCB 板之间的碰撞应力，有力地保护了器件，最终产品的合格率提升到了100%，清洗后目检通过率100%。

5 结 束 语

针对板卡器件在有机溶剂清洗过程中的应力损伤问题，分析了常规清洗中可能导致损伤的原因，利用软件对清洗过程进行了仿真，并对最大速度及最大撞击力进行了分析计算。仿真与实验结果均证实了优化清洗方法的可行、有效，为减少器件损伤，提高产品合格率和可靠性提供了保障。