La corretta pulizia migliora l’affidabilità dei componenti elettroniciERT

La sempre crescente domanda di affidabilità e di miniaturizzazione che coinvolge i componenti elettronici non ha fatto altro che ingigantirne la pericolosità dei rischi di guasto e perciò stanno diventando sempre più importanti le procedure di pulizia soprattutto nella fase di produzione per volumi e poi anche durante le fasi di manutenzione previste nel ciclo di vita dei prodotti elettronici. Fortunatamente per i processi industriali sono già disponibili sul mercato numerose soluzioni che consentono di implementare il processo di pulizia ottimale per ogni contesto.

Del resto, i recenti progressi nell’industrializzazione di flussi produttivi sempre più puliti e affidabili resi efficaci dall’uso di paste di saldatura quasi perfette che consentono assemblaggi precisissimi ha di fatto distolto l’attenzione degli addetti ai lavori dal cercare di introdurre opportune tecnologie di pulizia sui componenti in fase produttiva. È ben vero che per la maggior parte dei componenti che non verrà mai a trovarsi a lavorare in ambienti ostili ciò non costituisce alcun problema dato che le tecniche di verifica funzionale sono adeguate per correggere qualsivoglia difetto, ma è anche vero che stanno aumentando le applicazioni che si trovano a lavorare in ambienti umidi o con ampie escursioni di temperatura o di pressione. In queste condizioni gli strati protettivi usualmente utilizzati in elettronica possono essere gradualmente ma inevitabilmente erosi con la conseguente liberazione di sostanze ionizzanti che a loro volta generano elettromigrazione e diffusione di gas. È il caso soprattutto degli spazi ristretti come quelli fra i connettori oppure fra i morsetti e gli zoccoli di appoggio dei chip.

Inoltre, l’aumentato uso di rivestimenti protettivi e di paste speciali sui contorni vicini ai contatti, nonché l’incremento generale dell’utilizzo dei componenti ad alto voltaggio hanno realmente determinato l’inasprirsi della necessità di estrema pulizia superficiale per tutti i componenti elettronici. Queste problematiche sono diventate ancor più critiche dopo l’adozione delle paste di saldatura senza piombo che contengono una maggiore percentuale di sostanze chimiche più facilmente deperibili rispetto al piombo. Ciò significa che è ora necessario pulire le parti residue dopo ogni processo di saldatura perché possono contaminare gli altri cicli di lavorazione in corso.

Un fattore chiave per ottenere economia ed efficienza nella pulizia durante i processi di produzione è la scelta dei detergenti più adatti a ogni lavaggio. I criteri di selezione per un detergente non sono semplici perché devono tenere conto della natura e della quantità delle impurità da rimuovere e occorre, pertanto, deciderne accuratamente la composizione con le giuste percentuali di solventi, supporti a base di acqua, tensioattivi alcalini e altri agenti tensioattivi specifici per ogni particolare esigenza di pulizia.

Oggi l’industria elettronica utilizza principalmente solventi contenenti idrocarburi non alogenati, alcoli modificati e idrofluoroeteri (hydrofluorether, HFE). Questi ultimi sono stati concepiti come alternativa ai clorofluorocarburi (CFC) usualmente impiegati fino a circa 20 anni fa dopo che ne fu comprovata l’intrinseca capacità di danneggiare fortemente l’ozono. Gli HFE hanno le stesse proprietà caratteristiche dei CFC ma non sono infiammabili, non costituiscono un pericolo per l’ozono e hanno un bassissimo potenziale di impatto sull’effetto serra. Inoltre, hanno ottime proprietà detergenti particolarmente adatte per l’elettronica come la densità relativamente alta, la bassa viscosità e la bassa tensione superficiale. I solventi che si ricavano con gli HFE possono, inoltre, essere suddivisi in sostanze monosolventi, bisolventi e co-solventi.

Una sostanza monosolvente usa tipicamente un puro HFE o un azeotropo, ossia una miscela con due o più componenti capace di vaporizzare senza cambiare la sua composizione chimica e viene tipicamente impiegata per rimuovere le piccole impurità come oli leggeri, composti alogeni, residui di altri solventi, particelle e polvere.

Il co-solvente consiste in un HFE combinato con un solvente organico di bassa volatilità che ne favorisce la solubilità. In pratica, è il solvente organico che rimuove le impurità dalla superficie del pezzo e poi l’HFE interviene per sciacquare via dalla superficie il solvente insieme alle impurità. Questa tecnica di pulizia è estremamente versatile e dà buoni risultati anche con le impurità più ostinate come oli pesanti, grassi, cere, residui, adesivi e colle termofusibili. Inoltre, la scelta di un solvente organico a bassa volatilità consente una maggior compatibilità chimica con i materiali dei componenti da pulire.

Le tecniche a co-solvente e a bisolvente sono quasi uguali e differiscono solo perché nelle prime l’HFE solvente e l’agente organico di risciacquo sono mescolati insieme mentre nelle seconde si tratta di due fasi distinte che vengono svolte separatamente.

L’ottimizzazione dei processi in funzione delle tecnologie

Per garantire una pulizia efficace e riproducibile è essenziale abbinare la scelta del detergente alle tecnologie di fabbricazione utilizzate in ogni impianto. Invero, ci sono svariati metodi di pulizia che si differiscono proprio per la specificità delle caratteristiche in funzione delle molteplici tecnologie di assemblaggio impiegate negli impianti produttivi. Per esempio, ci sono impianti di lavaggio a ultrasuoni che funzionano per immersione del pezzo mentre altri lavano i pezzi spruzzando i solventi e aspirando i residui. Inoltre, ci sono solventi che rimangono eternamente chiusi in box dentro ai quali si possono fare lavaggi specifici.

La pulizia a ultrasuoni con solventi a base d’acqua offre un’ampia gamma di applicazioni nella produzione elettronica. In questa tecnica un fattore che può influenzare molto l’efficacia dell’azione di pulizia, oltre alla scelta del detergente, è la frequenza dei segnali di comando per il generatore di ultrasuoni che li converte in onde sonore nel bagno liquido di pulizia. In genere, tanto più bassa è la frequenza del segnale elettrico di comando e quanto maggiore è l’energia rilasciata dalle onde sonore di pulizia. Tuttavia, ci sono sistemi multi-frequenza che permettono il lavaggio a ultrasuoni dei pezzi da pulire con diverse frequenze in modo da essere più efficace su tutte le sostanze da pulire presenti.

D’altro canto, la combinazione ottimale fra la quantità di solvente, l’agente di risciacquo e la frequenza degli ultrasuoni può essere determinata solo con prove preventive di pulizia effettuate dai fornitori delle apparecchiature di pulizia o dai fornitori dei solventi, purché dispongano di un adeguato know-how maturato con una lunga esperienza sul campo.

In definitiva, nella scelta del tipo di attrezzatura più adatto per ogni fase di pulizia le domande da porsi sono le seguenti: qual è la velocità di lavaggio necessaria? quanto spazio c’è a disposizione per l’attrezzatura? è possibile integrare le operazioni di pulizia nel processo produttivo ossia direttamente dentro la catena di montaggio?

Alternative di pulizia con l’anidride carbonica

La pulizia con l’anidride carbonica compressa può essere una valida opzione per il lavaggio dei processi dove possono esserci problematiche chimiche.

Il termine “anidride carbonica compressa” indica la CO₂ quando è convertita nella forma liquida (che è la sua fase super-critica) dall’applicazione di una forte pressione e in questa forma manifesta proprietà solventi eccellenti su un’ampia gamma di impurità non polari e soprattutto sui grassi e sugli oli. La CO₂ liquida ha una bassa viscosità e una bassa tensione superficiale che ne migliorano notevolmente la capacità di penetrare le fessure. Ciò consente la pulizia dei componenti caratterizzati dalle geometrie più complesse con fori o crepe di piccole dimensioni sparse ovunque. Nei processi di fabbricazione per i prodotti elettronici questa tecnica permette di pulire le schede PCB comprendendo tutti i componenti che vi si trovano assemblati sopra e sotto, nonché i residui di lavorazione, gli oli e i grassi che tipicamente contornano i componenti metallici e/o i contatti saldati. Inoltre, è conforme alle normative che prescrivono procedure rispettose dell’ambiente, asciutte e prive di scorie nocive.

L’anidride carbonica liquida è oggi utilizzata nelle tecniche di pulizia dette “CO₂ snow-jet cleaning” o “pulizia a getto di neve” e in tal caso viene preparata sotto forma di minuscoli cristalli di neve che offrono una preziosa combinazione di proprietà meccaniche, chimiche e termiche e, inoltre, non sono velenosi né infiammabili e così si prestano alla rimozione delle pellicole superficiali e dei contaminanti che vi si depongono sopra come particolato. Una peculiarità di questa tecnica è la possibilità di utilizzo selettivo su aree funzionali anche piccole come punti di contatto e supporti. Per di più, essendo un processo di pulizia a secco non c’è bisogno di successive procedure di essicazione e perciò si ottiene un ulteriore risparmio nei consumi di potenza. Questa tecnica viene impiegata nelle più diverse applicazioni tipiche della produzione elettronica come, per esempio, nella preparazione dei processi di incollaggio, nell’assemblaggio componenti sulle PCB e anche nella fabbricazione dei componenti di potenza con giunzioni metallo-isolante-semiconduttore (MIS) e consentono di automatizzare le fasi di pulizia localizzandole in punti ben precisi.

Il plasma è una miscela gassosa di atomi, molecole, ioni ed elettroni liberi che permette di effettuare trattamenti superficiali efficaci sulle parti elettroniche e sui componenti anche se sono fabbricati con diversi materiali ottenendo la pulizia simultanea delle impurità organiche, degli oli e dei grassi. L’elevato livello di pulizia ottenibile con il plasma è dovuto a una reazione chimica e fisica che avviene durante la procedura, ma l’efficacia può variare in funzione dell’applicazione in questione anche perché si può scegliere di utilizzare il plasma a bassa pressione oppure a pressione atmosferica e i risultati sono diversi.

Il plasma a bassa pressione oltre a pulire ha anche un effetto ossidante e uno riducente entrambi molto utili. L’effetto ossidante consente di pulire bene i contaminanti organici come grasso, olio e residui di adesivo tipici della saldatura o dell’incollaggio, mentre l’effetto riducente può servire per migliorare i contatti incollati con processo di riduzione di strati metallici elettro-placcati. La pulizia con plasma a pressione atmosferica ha un effetto di attivazione sulle superfici che può essere utile nei processi di fabbricazione tipici dell’industria elettronica come la pre-stampa, l’incollaggio o la fusione dei semiconduttori sulle schede elettroniche, il disegno delle piste sopra le schede stampate e anche nei processi di assemblaggio dei componenti optoelettronici.