自動清洗機在PCB組件上的應用改進

周少雄 何燕春 楊若涵 夏 鵬

（航空工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）組件在電裝焊接完成后，在PCB 表面會有錫膏、助焊劑、油漬等殘留，這些殘留物在PCB 運輸周轉過程中會與灰塵水汽結合產生污染物，如果不進行清洗，這些污染物會對焊點造成腐蝕，從而對電子產品的可靠性及電氣性能造成嚴重影響［1-2］。同時，有污染物殘留也會造成PCB 組件三防材料的附著力變差，影響產品后期的使用壽命［3］。

自動清洗機是一種新型清洗設備，與傳統人工刷洗PCB 相比，使用更方便，操作簡單，自動化程度高，降低了操作人員勞動強度，減少工序時間，提高生產效率，并且可以減少手工刷洗時對產品的損傷，降低生產風險?；谝陨蟽烖c，自動清洗機在電子產品制造領域應用廣泛［4］。

1 清洗原理介紹

自動清洗機主要采用清洗劑對焊接完成后的PCB 組件進行浸泡、鼓泡、噴流等清洗流程。通過以上流程，清洗劑對PCB 組件表面的污染物進行濕潤和滲透，使得清洗劑與污染物充分接觸，接著清洗劑中表面活性物質的極性與非極性基團在污染物和水溶液中產生分子鍵鏈接，從而降低溶液表面張力，產生乳化反應，對污染物起到分散以及增容作用，使得污染物從PCB 上剝離脫落［5-6］。

清洗劑工作原理如圖1 所示。將清洗劑混合在清洗介質當中，接著用去離子水對PCB 組件進行漂洗，對PCB 上附著的少量清洗劑和脫落剝離出來的污染物與清洗劑混合物再處理，進一步減少PCB表面離子殘留物，從而達到潔凈度標準。

圖1 清洗劑工作原理

2 清洗設備及材料

生產中使用的NBQ-TM120 型全自動清洗機（北京某公司產）如圖2 所示，其主要包括排風機、廢液箱、上下料區、控制系統、清洗槽、漂洗槽1、漂洗槽2、干燥槽及料筐等部件。

圖2 NBQ-TM120型全自動清洗機

清洗設備所采用的清洗劑型號為SA-100，是一款可生物降解的溶劑型清洗劑，配方中不含任何鹵素化合物，安全環保，且具有極性和非極性成分應用領域廣泛的特點。其技術參數見表1。

表1 清洗劑SA-100技術參數

3 清洗生產流程

自動清洗機生產流程如圖3所示。

圖3 自動清洗機生產流程

接通設備開啟電源開關，在登錄界面點擊“登錄”進入功能菜單。在功能菜單界面，選擇或設置工藝參數，見表2；確認清洗槽、漂洗槽1、漂洗槽2 的液位狀態，及時補充清洗液或去離子水，復位回零操作完成后，設備進入加熱運行待機狀態。

表2 自動清洗機工藝參數

將產品放入料筐，使用夾板固定產品，產品應處于夾板卡槽內；上緊夾板旋鈕，產品應間隔豎直放置，料筐中同一組夾板間應放入相同尺寸的產品，以保證能夠裝夾固緊。將料筐放在上料區，設備開始自動運行，經上料、清洗、漂洗1、漂洗2、干燥、下料，從下料區取下料筐。在產品結束漂洗2的操作時，應觀測并記錄漂洗槽2的電導率，最終漂洗液的電導率應≤50 μS/cm，若超出則應更換漂洗溶液。

4 問題及解決方法

4.1 產品裝夾問題

電子產品在進行自動清洗前，需通過人工裝夾，將一定數量的產品裝夾固定在料筐上，根據產品大小調整兩個夾板之間的距離，將產品依次固定在夾板卡槽內，然后上緊板夾固定螺釘，完成裝夾，如圖4（a）所示。在這個過程中，由于板夾間的距離與上下高度可調整自由度高，需操作人員花費大量時間根據實物產品來調整裝夾，增加了工作難度與工作量；并且由于產品存在器件分布在PCB 邊緣5 mm 左右的現象，夾板的卡槽會有磕碰印制板邊緣器件的風險存在，造成生產問題。

圖4 自動清洗機料筐夾板改進

針對以上問題，對自動清洗機的料筐夾板進行改進，如圖4（b）所示，將原來的凹槽型夾板改為立柱式工裝，在一條夾板上增加10 根長約15 cm底部有內螺紋孔的立柱；通過螺釘將立柱連接固定在夾板上，且2 個立柱式工裝之間的距離調整為產品上2 條鎖緊座之間的寬度，并擰緊工裝固定螺釘，使得2 個立柱式工裝之間的距離固定。在后續產品裝夾過程中無需操作人員再進行調整，極大地減少了操作難度，縮短了操作時間，減少了工作量；并且在使用立柱式工裝過程中，工裝上的立柱僅與產品鎖緊邊接觸，不會磕碰器件，完全消除損傷產品的風險。

4.2 水箱改進

自動清洗機在完成產品清洗后會由機械手拖動料筐進入漂洗槽1、漂洗槽2 依次進行漂洗，兩個漂洗槽需加入去離子水，在自動清洗機的機柜內設立水箱，采用手動開關上水裝置。在給漂洗槽加水時，通過水泵將水箱內的去離子水引入2個漂洗槽內，每次都需要手動開關上水，但水箱的補水開關為人工手動，水位到達指定量時不會自動停止補水，因此可能會造成水箱溢水現象。

針對上述現象，對水箱補水開關添加自動感應補水裝置，對控制開關進行改進。加裝自動感應控制器對水位進行監測，當電子探頭監測到目標水位有水/沒水時，通過PLC 控制單元對開關進行控制［7-8］，從而使得水箱內的去離子水容量維持在恒定的數值范圍內。

4.3 清洗參數正交試驗

自動清洗機清洗參數包括溫度、噴流時間和鼓泡時間等3 個因素，清洗效果用離子濃度檢測儀檢測其清洗后產品表面的離子濃度。根據廠家推薦參數范圍，對以上參數進行三因素三水平單指標的正交試驗，用少量的試驗找出最佳的組合結果。

本次正交試驗采用直觀分析法，因素波動范圍及指標如下。

溫度：30、50、70 ℃。

噴流時間：240、390、540 s。

鼓泡時間：240、390、540 s。

考察指標：表面離子濃度。

綜上所述，需設計三因素三水平的表格，故選用L9（33）正交表，見表3。

表3 三因素與離子濃度關系試驗

由表3 可見，表面離子濃度最低（0.560 5 μg/cm2）時，對應的A、B、C 3個因素所在的水平分別為2、2、3，即方案A2B2C3。首先計算A、B、C 3 個因素在3 個水平下的指標之和，為K1、K2、K3；再分別計算其平均值，為Kˉ1、Kˉ2、Kˉ3，最后算出A、B、C三因素的極差R，見表3。

A 因素對應的表面離子濃度最小平均值為0.832 2，對應的水平數為2；B 因素對應的表面離子濃度最小平均值為0.787 2，對應的水平數為3；C 因素對應的表面離子濃度最小平均值為0.765 5，對應的水平數為3。因此，3 個因素最優組合為A2B3C3。采用正交試驗設計，僅通過上述9 次試驗，就選擇出了三因素三水平的最優方案。這種方法可以縮短試驗時間，節約時間和人力成本，并且通過極差R還得到了對試驗結果影響程度的因素的順序［9-10］。

5 結語

本文對自動清洗機的清洗原理、設備材料以及生產流程進行介紹說明，并針對料筐夾具進行更新改進，減少產品損傷風險，提高生產效率；針對水箱溢水造成人工成本與材料的浪費問題，在水箱手動開關上加裝自動感應補水裝置，提升設備實用性；根據廠家提供的清洗參數范圍，完成三因素三水平的正交試驗，得出清洗參數的最優組合。

目前自動清洗機在生產中還存在一些問題，例如，在清洗過程中存在某些器件字符殘缺脫落等，初步分析是因為清洗劑呈堿性，對油墨有一定的腐蝕作用，會造成字符殘缺脫落現象。在后續的工作中，將進一步了解清洗劑與產品各種材料的兼容性，在清洗潔凈度達標的前提下，保證不對產品狀態造成改變。