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助焊劑的種類解說，電路板焊接後為何要水洗？水洗製程、免洗製程有何差異？有那些電子零件不建議水洗？

你知道早期在電路板組裝(PCBA)後為何還需要清洗嗎？清洗的目的與用意所為為何？為什麼後來/現在的PCBA幾乎都可以不用再清洗了呢？可為什麼還是有客戶要求要清洗板子呢？有那些電子零件不建議水洗？

電路板組裝焊接，最開始的製程是需要水洗的，也就是板子過完「波峰焊(Wave soldering)」或是「表面貼焊(Surface Mount)」後，最終還要使用清潔劑或純水來清洗掉板子上的汙染物，重點是要洗掉助焊劑汙染，因為助焊劑中含有酸性成分，後來隨著電子零件的設計越來越多樣，也越來越小，水洗製程漸漸出現了一些問題，還有就是因為PCBA的清洗製程實在是太麻煩了，後來才演化出了免洗製程。

電路板組裝(PCBA)後清洗板子的主要目的在去除PCB表面上殘留之助焊劑

以SMT製程來說，「水洗製程」與「免洗製程」的最大差異在錫膏中助焊劑的成份不同。而對於波焊製程來說，就純粹是爐前助焊劑的成份。這是因為助焊劑(flux)使用的主要目的在去除被焊接物的表面張力及氧化物以取得潔淨的焊接表面，而去除氧化的最佳良藥當屬「酸」及「鹽」這類化學藥劑，但是它們卻具有腐蝕性，如果長期殘留在PCB或焊點表面，將會隨著時間而逐漸腐蝕銅面或焊點，造成嚴重的品質不良。

建議延伸閱讀：介紹認識【錫膏(solder paste)】的基本知識

其實，就算使用免洗製程所生產出來的PCBA板子，如果助焊劑的配方不當（通常是用到一些來路不明的錫膏，或是有些特別強調吃錫效果或可以強力去除氧化物的錫膏時，這些錫膏的助焊劑配方通常會添加弱酸）或是助焊劑殘留過多，時間久了，殘留的助焊劑將會與空氣中的濕氣及污染物質混合，就可能會對電路板的銅面造成腐蝕現象。當板子有被腐蝕風險時，清洗還是必要的，尤其是針對那些需要高信賴性的軍工產品或某些特殊要求的車用或醫療用電路板。所以，並不是說「免洗製程」的板子就一定不需要清洗，當然能不水洗就不要水洗，畢竟水洗可是很麻煩的。

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另外，在有些特殊目的情況下也會要求將免洗製程的板子拿去水洗，比如說：

• 單賣PCBA給終端客戶者，希望板子的表面看起來乾淨，期能給予客戶良好的外觀印象。

• PCBA的後續製程中需要增加電路板表面附著度者。比如說三防膠(Conformal coating)塗布需要通過百格測試者。

• 或是為了避免錫膏殘留物產生不必要的化學反應者，比如說灌膠(Potting)製程。

• 免洗製程殘留的助焊劑在潮濕環境下會產生微導通（阻抗降低），尤其是細間腳(fine-pitch)零件，比如說0201尺寸以下的被動元件底部，特別是小間距的BGA封裝，因為焊點設置在零件底部，就容易殘留過多的助焊劑，且濕氣也容易在使用時溫度升高不用時冷卻後附著在其下方縫隙，久而久之就形成了微導通，造成漏電流(leakage current)或增加待機電流(retention current)而過度耗電。

所以，板子需不需要水洗？得視個別需求而定，重要的是要去了解「為何要水洗？水洗的目的又是什麼？」。

PCBA助焊劑的種類與解說

既然談到PCBA「水洗製程」與「免洗製程」的最大差異在助焊劑，而且水洗的最大目的在「去除助焊劑的殘留」以及其他污染，那我們就得了解一下助焊劑有哪些種類。

助焊劑基本上分成下列幾大類：

1.無機系列助焊劑

早期的助焊劑中會添加無機酸及無機鹽等物質（比如說鹽酸、氫氟酸、氯化鋅、氯化銨），稱之為「無機助焊劑」，因為無機酸及無機鹽類為中強酸，所以具有非常良好的清潔效果，當然就可以獲得良好的焊錫效果，其幫助焊錫性優異，但缺點是腐蝕性也很強，被焊接物必須有較厚的鍍層厚度才能承受強酸的清洗，所以使用這類「無機助焊劑」後必須馬上進行嚴格的清洗，以避免其繼續腐蝕電路板的銅箔，實用性大受限制。

2.有機系列助焊劑

既然中強酸特別容易發生腐蝕，所以就有人使用酸性較弱的有機酸（比如說乳酸、檸檬酸）添加在助焊劑中來取代強酸，稱之為「有機助焊劑」，其清潔程度雖然沒有強酸來得好，不過只要被焊物的表面污染不算太嚴重，它還是可以起到一定程度的清潔效果，重要的是它焊接後的殘留物可以在被焊物上保留一段時間而無嚴重腐蝕，但弱酸也是酸，所以在焊接後還是得水洗，以免日久造成線路腐蝕等不良。

3.樹脂、松香系列助焊劑

因為水洗製程實在是太麻煩了，而且也不是所有的電子零件都可以進行水洗，比如蜂鳴器(buzzer)、鈕扣電池(coin battery)、彈簧頂針連接器(pogo pin)就不建議進行水洗。

後來有人將松香加入到了助焊劑中取代原本的酸性清潔劑，松香也可以起到一定程度清除氧化物的功效，但是松香為單體時，化學活性較弱，對促進焊料的潤濕往往不夠充分，因此實用上需要添加少量的活性劑，以提高它的活性。松香還有一個特性，就是松香在固態時呈「非活性」，只有變成液態時才呈活性，其熔點約為127℃，而活性則可以持續到315℃的溫度。目前無鉛錫焊的最佳溫度為240～250℃，剛好處於松香的活性溫度範圍內，且它的焊接殘留物不存在腐蝕問題，這些特性讓松香一躍成為非腐蝕性助焊劑的主流而被廣泛應用於電子設備的焊接中。

IPC-J-STD-004依據助焊劑成份定義了四大助焊劑：有機(OR)、無機(IN)、松香(RO)、樹脂(RE)。

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PCBA水洗製程的麻煩：

所謂「水洗」，就是使用液體溶劑或純水來清洗板子，因為一般的酸性物質都可以溶解在水中，所以可以使用「水」來溶解清洗，所以稱之為水洗。

但是免洗助焊劑因為使用松香，它則無法溶解於「水」中，必須使用「有機溶劑」來清洗，但一樣被稱之為「水洗」。

大部分的水洗製程都會使用「超音波」震盪來加強清洗效果及縮短時間，這些清洗劑在清洗的過程中極有可能會滲透到一些有著細小孔隙的電子零件或電路板之中殘留而造成不良。

有那些電子零件不建議水洗：

以下列出一些水洗前必須特別留意並做好防護的電子零件，以免水洗後造成電子零件損壞，或損害其壽命。

• 因為液體滲入本體後而長期無法乾燥以致造成功能失效之零件，比如說簧片(metal dome switch)開關、彈簧頂針連接器(pogo pin)。

• 清洗後反而把髒東西帶入到零件內部使之作動不順或接觸不良者，比如說蜂鳴器、喇叭、微動開關、繼電器、麥克風…等零件。要注意的是水洗過程中有極大可能把殘留助焊劑帶入到零件內部並沾污於一些接觸點上造成接觸不良。

• 高頻敏感元器件。無法承受震盪清洗而出現不良者，如晶體振盪器、電解電容、鈕扣電池等。

• 另外，如果已經完成三防漆(conformal coating)或是COB（Chip on board）灌膠、LED燈條封膠作業的產品也不建議水洗，因為會有液體滲入導致信賴性失效風險。

這些對水洗製程有疑慮的電子零件一般都必須安排在水洗之後才能進行焊接，以避免清洗時造成永久性損壞，這就增加了生產的製程環節，而且生產的製程越多道就越容易有良損，無形中對生產製程造成了浪費，而且水洗後的焊接通常是手焊，對焊接品質也較難管控。所以，還是那句話「能不水洗就不要水洗」。

補充說明：
錫膏及助焊劑又分成水洗與免洗兩種，一般的水洗錫膏及助焊劑因為使用酸性成份可以溶解於水中，而免洗製程的助焊劑使用松香則無法溶解在水中，只能用有機溶劑來清洗。所以，如果已經決定PCBA要清洗，建議一開始就採用水洗的錫膏與助焊劑，這樣才會有助將助焊劑清洗乾淨。

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免洗助焊劑(flux)的成份簡介

如果你想了解一些比較詳細關於助焊劑的成分介紹，建議你參考【介紹並認識【錫膏(solder paste)】的基本知識(含助焊劑)】一文，這裡只是稍微介紹一下助焊劑的成份組成。

免洗助焊劑的成份基本上包含下列四種主要材料：

• 樹脂松香(Resin)：40~50%。
  松香帶有黏性，可以在被焊金屬的表面形成保護層以隔絕空氣，減少加熱過程中與氧氣的接觸，降低氧化率。
• 活性劑(activator)：2~5%。
  主要作用起到清潔並去除金屬表面的氧化層，並且降低焊錫的表面張力，幫助焊錫。
• 溶劑(solvent)：30%。
  溶劑可以幫助溶解並混合助焊劑中的不同化學物質，並且讓助焊劑可以均勻的混合於錫粉當中。溶劑具有揮發性，所以不建議讓錫膏長期暴露於空氣中，以避免溶劑揮發，錫膏變乾，影響焊接。
• 觸變劑(rheology modifier)：5%。
  用於調節錫膏的黏度達到膏狀的目的，增強錫膏的可印刷性，讓錫膏印刷於電路板後仍能保持原有的形狀不至於坍塌。

~以上文章內容依據個人經驗與網路上查詢到的資訊彙整，如果有錯誤或偏頗的地方請指正~

延伸閱讀：
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如何挑選錫膏 (Solder paste selection)
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