新型环保 高性能清洗剂/漂洗剂 【MICROCLEAN ECO-8100U/MICROCLEAN ECO-R81U】

公司介绍

化研科技成立于1966年,是一家以研究与开发为导向的化学品制造商,迄今已有57年历史。 公司总部位于大阪府交野市,在滋贺县设有两处研究所,公司约四成的员工隶属于研发部门。(图1)

图 1总社(左)、技术开发研究所(右上)、材料开发研究所(右下)

 

公司主要在电子、汽车等领域开展业务,提供高性能化学品,解决客户在各领域的问题。 特别是在电子领域的助焊剂清洗业务方面,公司不仅开发、设计和制造清洗剂,还配套研发制造清洗设备。化研科技作为日本国内唯一提供液体和设备整体系统的制造商,在该领域中占有最高市场份额。

公司还致力于研发导电性银胶,所研发产品作为一种可以替代焊料进行低温粘合的材料而备受关注,该技术可将银粉随意改变形状(图2)。利用银胶的低银含量、高导电性等特性,研发出多种具有独特功能的膏类产品。

图 2 化研科技开发的毛栗状银粉(示例)

发展历程

大约30年前,随着以CFC-113为中心和其他指定的氟利昂类的完全废除,一直依赖氟利昂类清洗剂的电路板焊接后的助焊剂残渣的清洗迎来了一个重大转折点。 当许多清洗剂和清洗设备制造商都在向半水基清洗系统的方向发展时,只有化研科技在当时预测到了在高速通信时代,水漂洗系统具有诸多待解决课题。与此同时,我司研发出了一种独特的不会造成介电损耗的含水酒精类漂洗剂--MARKLESS ST-05U(以下简称ST-05U),同时研究开发出了配套的清洗系统并投入实际使用。

水漂洗方式的最大问题点是,通过纯水冲洗时所产生的大量废水。 (图3)

图 3半水基清洗系统的工艺流程(示例)

另一方面,使用ST-05U作为漂洗剂的化研科技超微净清洗系统【MICROCLEANER】内置小型蒸馏再生器,可以在不改变ST-05U(一种含水酒精的混合液体)成分的情况下进行稳定的蒸馏和再生。 如图4所示,漂洗1槽中的液体通过蒸馏再生成为干净的蒸馏液,并流向最终漂洗槽,污染物则集中在再生器中。 当蒸馏液供给最终漂洗槽并使液面达到一定高度时,就会溢流至漂洗1槽。通过这种循环,使ST-05U完全封闭在一个循环系统中,并保持液体的高清洁度。 另外,此系统无需水漂洗系统那样的大型辅助设备,和水漂洗系统相比系统中的废液量极少即高浓缩的助焊剂残渣和清洗剂成分等的废液排出即可。

图 4 ST-05-漂洗系统  MICROCLEANER的工艺流程

这些特点在众多客户的生产现场受到好评,使ST-05U漂洗系统与半水基系统并列成为助焊剂清洗的主流,并且不断扩大市场采用率。最近,在中国的【SMT China 表面组装技术】主办的第15届远见奖评选活动中,【MICROCLEANER】清洗系统荣获两个奖项。 (图5)

图 5 【MICROCLEANER】在第15届远见奖中荣获优秀奖(左)、网络推荐奖(右)

当ST-05U作为漂洗剂使用时,不需要像半水基系统那样在清洗剂中添加表面活性剂以确保漂洗性,也不存在因电子电路表面亲水化而增加介电损耗的风险。 此外,由于含水酒精自身具有很高的杀菌能力,无需额外的诸如水漂洗系统中非常重要的对微生物污染防治措施。

即使在当前对清洗质量要求更高的5G时代,我们的清洗系统也是公认有效的清洗系统,并且得益于ST-05U含水酒精漂洗剂的特点,我们的清洗系统市场采用率仍在稳步上升。

另一方面,挥发性有机溶剂(VOC)的低排放量和水本身的高安全性,使得半水基清洗系统至今仍被持续使用。

近年来,环境问题日益严重,助焊剂清洗剂需要以更加环保的方式进行设计。特别是减少VOC的环境排放量,它是导致悬浮颗粒物(SPM)和光化学氧化剂等空气污染物的主要因素,是清洗剂环保设计的关键。

由于ST-05U含酒精,VOC的排放量比水多而且有闪点,单从这一方面来说,半水基清洗系统是具有优势的。

对此,为解决ST-05U漂洗系统的缺点,化研科技在常年积累的清洗剂设计技术和清洗工艺开发技术的基础上,开发了新型环保高性能清洗剂MICROCLEAN ECO-8100U(以下简称ECO-8100U)和漂洗剂MARKLESS ECO-R81U(以下简称ECO-R81U),在下文中将对该清洗系统进行介绍。

优点

低VOC

ECO-8100U/ECO-R81U含水量约为70%,保持了与传统漂洗系统ST-05U相同的清洗品质的同时,可将因挥发或烘干引起的VOC总排放量减少约一半。

对材料影响小

清洗剂和漂洗剂的pH值均为中性,因此即使含有大量的水,对包括铜和铝在内的金属材料构成的电子回路也不会产生影响。此外,也不会导致基板或清洗设备所使用的环氧树脂、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯等树脂材料类膨胀或变形。

安全性高

ECO-8100U和ECO-R81U均无闪点,可作为常规非危险品进行运输,运输成本低。

1 MICROCLEAN ECO-8100U和漂洗剂MARKLESS ECO-R81U的一般性状

产品名称

清洗剂
MICROCLEAN ECO-8100U

漂洗剂
MARKLESS ECO-R81U

主成分

乙二醇醚类

乙二醇醚类

比重(20℃)

0.98

0.98

粘度 mPa・S
(20℃)

4.0

2.7

表面张力 mN/m
(20℃)

32

31

沸点 ℃

>100

>100

闪点 ℃

臭氧层破坏系数
(ODP)

0

0

 

漂洗效果佳

与传统的半水基清洗系统不同,ECO-8100U和ECO-R81U共用一种主成分,使得清洗剂和漂洗剂之间可以无限互溶。这种设计确保了即使在狭窄间隙的部件上也有良好的清洗性能。

图 6 15µm间隙下各清洗系统的漂洗性能比较

图6是使用平均为15 µm的狭窄间隙样品对液体置换率进行评估的结果数据。将染有颜色的ECO-8100U和半水基清洗剂渗透到样品缝隙内,用相应的漂洗剂在相同条件下进行漂洗,测量清洗剂完全置换和排出的时间。如图所示结论为,使用半水基清洗剂/水完成漂洗所需的时间约为7分钟,而使用ECO-8100U/ECO-R81U则只需约4分钟,时间缩短将近一半。

大幅减少废液的产生和运行成本

漂洗剂ECO-R81U虽然是一种非共沸混合物,通过使用图4所示的化研科技蒸馏再生装置,可以像ST-05U一样在不改变成分的情况下维持清洁度。此外,在传统的ST-05U漂洗系统中,进入漂洗剂的清洗剂成分会作为污垢通过蒸馏再生被除去,而ECO-8100U/ECO-R81U中的成分超过9成相同,因此ECO-R81U中的大部分ECO-8100U也可以再利用为漂洗剂。与传统的漂洗系统ST-05U相比,该系统的废液产生量可以减少约85%(图7)。

图 7  ST-05U漂洗系统和ECO-8100U/ECO-R81U的液体消耗量、废液产生量比较

(使用规格为50L液量槽、漂洗3槽的化研科技MICROCLEAN的情况下)

多功能性

ECO-8100U具有特殊的相结构,肉眼无法观测到的微米级别油相分散在水相中,因此即使含有大量水分(70〜80wt%),也展现出超越市面上已有低含水量助焊剂清洗剂的溶解能力。此外,这种结构在去除待清洁物体上的各种颗粒方面也表现出优异的效果。详细内容将在下一段落中进行介绍。

同时,ECO-8100U具有高效的铜氧化膜去除能力,同时不会腐蚀纯铜表面。

特点

设计低VOC含量清洗剂时,如果只是简单地将活性成分稀释在水中,会使水分子与活性成分的极性部分产生强烈的相互作用(水合作用),进而抑制污垢与活性成分之间的反应,导致助焊剂溶解度和清洗能力大大降低。化研科技迅速解决了这一问题,开发了低VOC含量清洗剂“MICROCLEAN ECO-3002U”(以下简称ECO-3002U),该产品采用水和溶剂成分二相分离的设计,独立的溶剂相(油相)以白色乳状液状态分散在水相中。

此后,针对其他公司参考化研科技的技术开发出类似产品的情况,化研科技追求进一步的发展,开发出了一项与其他公司产品有着明显差异的新技术, 这就是 "微相分离结构"(图8)。

图 8 ECO-3002U(左)和ECO-8100U(右)相分离结构示意图

ECO-8100U具有一种肉眼无法观测到的微米级别油相分散在水中的稳定相结构,外观保持均匀透明,同时具有出色的助焊剂清洗能力(此项已获得专利)。

图9展示了由乙二醇醚和水以及清洗助剂组成的非分离型高含水清洗剂、乙二醇醚类清洗剂、ECO-8100U三者对助焊剂溶解力的对比照片。在每种清洗剂中加入3wt%的松香型助焊剂残渣,并在超声波照射下溶解分散后,在25℃下静置并观察其外观。不具备相分离结构的高含水清洗剂会使助焊剂残渣中的主要树脂成分无法完全溶解,导致悬浮和沉淀(图9右)。相比之下,ECO-8100U(图9左)与乙二醇醚类清洗剂(图9中)一样保持着无悬浮物的均一透明状态,溶解力的差异一目了然。

ECO-8100U具有一种肉眼无法观测到的微米级别油相分散在水中的稳定相结构,外观保持均匀透明,同时具有出色的助焊剂清洗能力(此项已获得专利)。

图9展示了由乙二醇醚和水以及清洗助剂组成的非分离型高含水清洗剂、乙二醇醚类清洗剂、ECO-8100U三者对助焊剂溶解力的对比照片。在每种清洗剂中加入3wt%的松香型助焊剂残渣,并在超声波照射下溶解分散后,在25℃下静置并观察其外观。不具备相分离结构的高含水清洗剂会使助焊剂残渣中的主要树脂成分无法完全溶解,导致悬浮和沉淀(图9右)。相比之下,ECO-8100U(图9左)与乙二醇醚类清洗剂(图9中)一样保持着无悬浮物的均一透明状态,溶解力的差异一目了然。

图 9 为3wt%的助焊剂残渣被溶解后的外观比较图。

ECO-8100U(左)、乙二醇醚类清洗剂(中),非分离型&高含水清洗剂(右)

与传统的清洗系统相比,这种微相分离结构的存在以及ECO-8100U和ECO-R81U的高互溶性,在清洗零部件下小于15微米的狭窄缝隙时也具有优势。

通常间隙越窄、助焊剂量越大,清洗的难度就越大。因为渗透到零部件下的清洗剂会随着助焊剂成分的溶解而变稠,很难将其从零部件下排出并替换为被污物浓度较低的清洗剂。此外,在半水基清洗系统中,由于清洗剂和水的互溶性有限,因此需要一定的时间才能让水渗入到填充有清洗剂的零部件下并将其替换掉。而ECO-8100U的情况不同,包括导致清洗剂增稠的松香成分在内,大多数非极性树脂成分,都溶解在油相中,但由于油相纳米分散在水相中的结构,因此清洗剂整体增稠的可能性较小。(图10)

图 10  ECO-8100U与传统乙二醇醚类清洗剂在混入助焊剂残渣时的粘度上升倍率比较图

由于ECO-8100U和ECO-R81U的主要成分相同,因此即使是狭窄的间隙下也能在短时间内展现良好的漂洗性能,此外,即便被污染的ECO-8100U被带入了ECO-R81U中,也不会发生助焊剂成分的排出和再次附着在被清洗物上的现象,保证了清洗质量的稳定。(见图11)

图 11 在水漂洗中排出助焊剂的示例(左)和添加3wt%助焊剂后,ECO-8100在各种浓度下的ECO-R81外观对比图

此外,由于微相分离结构,在水相中存在大量的疏水区域,可有效去除各种颗粒物。如下图是特别针对难以去除的颗粒,即源自人体的有机微粒(皮脂+皮脂块),ECO-8100的清洗机制,详见图12。

图 12 ECO-8100U去除有机微粒子(皮脂+皮脂块)的机制

高亲和性的一方相(通常是油相)通过覆盖颗粒表面来扩散,从而减弱被清洗物表面与颗粒之间的相互作用和物理粘附。另一方的相(通常是水相)则被推测具有将含有颗粒的油相从被清洗物表面剥离并分散的作用。

最近,在制造HDD、相机模块、CPU封装基板等,即使留下微小的杂质也可能影响性能的电子产品的过程中,清洗过程特别重视同时进行助焊剂以及微米级颗粒的除去。超声波清洗是广泛使用的颗粒去除方法,但如果不从清洗剂方面进行最佳配合设计,就很难清洗好由不特定数量的有机和无机物质组成的颗粒物。

例如,表2展示了ECO-8100U/ECO-R81U,传统半水基清洗系统和水在有机物和无机物颗粒物去除能力方面的对比评估的结果。用于评估有机物颗粒去除率的试样是将测试者的皮脂或皮脂块粘附在玻璃板上,在90℃下干燥3小时后使用。对于无机物试样,使用通常用作研磨剂的氧化铝颗粒(颗粒直径:3.7µm),将其分散在有机溶剂中,滴在玻璃板上并干燥后使用。

 

清洗对象物

ECO-8100U/ECO-R81U

半水基清洗剂/水

 

搅拌

超声波

搅拌

超声波

搅拌

超声波

皮脂+皮脂块

〇'

×

×

氧化铝颗粒

×

×

〇'

评估标准]  ◎:100% / 〇:99~90% / 〇':89~70% / △:69~40% / ×:39%以下 

[清洗条件] 搅拌:室温500rpm/1分钟,超声波:室温28kHz(100W)/1分钟。

 

皮脂+皮脂块样本清洗后外观

氧化铝颗粒样本清洗后外观

ECO-8100U
超声波清洗后


超声波清洗后

ECO-8100U
超声波清洗后


超声波清洗后

 

表2. 颗粒去除性比较评估结果

 

由于微相分离结构的作用,即使在仅搅拌的清洗条件下,ECO-8100U/ECO-R81U对皮脂、皮脂块和氧化铝颗粒的清洗效果,依然展现出高于其他任何清洗剂的去除率,并且通过与超声波的结合使用,可以实现完全去除上述残渣。

综上所述,ECO-8100U/ECO-R81U是新一代清洗系统,满足了同时清洗助焊剂残渣和颗粒这一高难度清洗要求的同时,也保证了对狭窄缝隙内助焊剂的清洗能力。

使用实例

适用的清洗对象

ECO-8100U/ECO-R81U对于基板使用的树脂部件和金属部件影响较小,因此广泛应用于各种电子部件和电子材料。此外,由于对金属盐和树脂成分具有出色的溶解能力,对水溶性助焊剂和无铅锡焊助焊剂也有着足够的清洗能力。

清洗设备

图13.化研科技MICROCLEANER系列各种清洗设备 外观照片

清洗方法

ECO-8100U/ECO-R81U均没有闪点,在液体特性方面也没有什么特殊限制,可以广泛运用于各种清洗系统,包括液流清洗、超声波清洗和喷淋清洗。

未来趋势

ECO-8100U/ECO-R81U在海内外市场均取得了优异的成绩。在迎接5G时代的今天,对于助焊剂清洗的需求更加复杂,需要更高的清洗质量,以及适应各种不同的清洗对象,超越传统的助焊剂通常清洗的范畴。然而,全球对化学物质的法规越来越严格,这对配方设计提出了制约,这意味着需要同时满足这些条件的清洗剂和清洗流程,这是一种权衡的关系。因此,需要一种能够应对这些严峻要求的清洗剂和清洗流程。本章介绍的ECO-8100U/ECO-R81U正是面对这些严格要求的划时代产品,我们自豪地说,它们是划时代产品,是解决您现场难题的最佳选择。

在持续高速发展的电子行业领域,我们始终紧跟行业前沿技术发展并进行研发工作,为每个客户提供最佳的清洗方案。今后,我们不会满足于现状,将继续进行领先于时代的研究开发,为您的现场作业做出贡献。

参考文献

1) Akamatsu: Electronic Materials July Supplement, Mounting Technology Guidebook 2009, pp.90-94 (2009)

【Source】
 Industrial Cleaning, November 10, 2021, No. 28 (Japan Industrial Conference on Cleaning)

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技术资料

助焊剂清洗

摘自《微型组装与接合技术》(2012年)。

本文解说助焊剂清洗剂的演变、助焊剂清洗的目的和本质,以及目前在工作现场中最广泛使用的助焊剂清洗剂,以乙二醇醚类清洗剂为主的现有技术和未来挑战的相关课题。

产品介绍

高机能·低VOC助焊剂清洗系统

新开发的高技能·低VOC助焊剂清洗剂“MICROCLEAN ECO-8100U”和漂洗剂“MARKLESS ECO-R81U”在清洗狭窄间隙内助焊剂和去除颗粒物方面具有卓越的清晰性能!均为环保·低VOC配方,无闪点!划时代的助焊剂清洗系统!

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