Ультразвук для очистки печатных плат

Теория и практика ультразвуковой очистки печатных плат. Преимущества такого метода очистки. Моющие растворы. Удаляемые загрязнения.

Ультразвуковая мойка и очистка

В электронике, приборостроении, радиотехнике, оптике, точном машиностроении, медицине и фармакологии большой удельный вес занимает производство мелких и средних деталей, работа с лабораторными посудой и инструментом, в технологию изготовления и обработки которых включены операции очистки.

Основные преимущества ультразвуковой мойки и очистки перед всеми известными методами удаления загрязнений следующие: быстрота и высокое качество очистки, механизация трудоёмких ручных операций, исключение дорогостоящих токсичных и взрывоопасных растворителей и замена их более приемлемыми щелочными растворами, обработка изделий сложной конфигурации, возможность в ряде случаев удалять загрязнения, не поддающиеся удалению другими методами.

Оптимальная интенсивность ультразвуковых колебаний, используемых при очистке, составляет 3....5 Вт/см²для водных растворов и 1....3 Вт/см² для органических растворителей.

Действие ультразвука в основном сказывается на ускорении процесса растворения загрязнений в растворителях, доставке свежих порций растворителя к загрязнённым поверхностям и удалении отделившихся частиц загрязнений из зоны очистки.

В таблице 1. даны составы водных моющих растворов и режимы ультразвуковой очистки в зависимости от видов загрязнений и материала очищаемых изделий.

Таблица 1.Состав водных моющих растворов и режимы ультразвуковой очистки в зависимости от материала изделий.

Компонент	Содержание, г/см³	Температура, град. С	Материал очищаемых деталей	Загрязнения
Едкий натр Сода кальционарованная Жидкое стекло Нитрит натрия Неионогенное ПАВ	20-30 10-20 20 5-10 0,5-1,5	60-80	Сталь	Жир, консервирующие смазки
Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	20-35 3 0,5-1,5	55-80	Сталь, медные сплавы, никель	Полировочные пасты, консервирующие и волочильные смазки, минеральные масла
Кальцинированная сода Жидкое стекло Неионогенное ПАВ	15-20 8-10 3	55-80	То же	То же
Жидкое стекло Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	5-10 10-30 3 0,5-1,5	55-80	Сталь, медные сплавы, алюминий	Масла, жиры, густые смазки и полировочные пасты
Дистиллированная вода		45-55	Полимерные пленки	Механические загрязнения, пыль
Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	30 3 1	60-70	Сталь	Прокатные смазки, закаты, плены, конгломерированные загрязнения
Жидкое стекло НеионогенноеПАВ	5	55-80	Алюминий, латунь	Полировочные пасты, сульфафрезол, эмульсол, стружка, масла, эмульсии олеиновой кислоты, флюсы.
Компонент	Содер-жание, г/см³	Темпе-рату-ра, град. С	Материал очищае-мых деталей	Загрязнения
Тринатрийфосфат или кальционированная сода	3-5 5-10	85-95	Кремний, герма-ний	Пицеиновый клей
Деионизированная вода		60-80	Кремний	Удаление абразив- ной суспензии
Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол 25% -ный раствор аммиака в воде	10 3 1 5	60-70	Пластмассы Золото, драго-ценные камни	Пемза с веретенным маслом, полировочные пасты

В таблице 2. приводится классификация органических растворителей, применяемых при ультразвуковой очистке.

При выборе конкретных технологических режимов и приемов очистки и вспомогательных операций следует учитывать особенности конструкции, материала очищаемых поверхностей, виды загрязнений.

Из вспомогательных операций, как предшествующих ультразвуковой очистке, так и последующих за ней, следует отметить следующие:

- предварительное замачивание, которое приводит к ослаблению связей между отдельными частицами загрязнений. Однако, замечено, что изделия, выдержанные после замачивания на воздухе более 30 минут, очищаются значительно хуже изделий, вообще не подвергавшихся замачиванию.

- предварительный разогрев, который способствует размягчению загрязнений и их текучести. Особенно эффективен при очистке изделий большой массы.

- дополнительные операции очистки, применяемые как до, так и после ультразвуковой очистки, но обычно для удаления остатков моющих веществ и растворителей.

Таблица 2. Органические растворители, применяемые при ультразвуковой очистке

Растворитель	Взрывамость смесей	Предельная концентрация, г/м³	Температура, град. С	Материал очищаемых деталей	Удаляемые загрязнения	Недостатки растворителя
Трихлорэтилен	Не взрывается	0,01	5-70	Все металлы, кроме алюминия	Мин. масла, парафинсмлы, каучук, пасты	Разлагается в воде и при перегреве, токсичен
Четыреххлори-стый углерод	Не взрывается	0,02	5-70	Сталь	Мин. масла, парафинсмлы, пасты	Разлагается, токсичен
Фреон-113	Не взрывается	0,8	5-70	Все металлы	То же	Высокая стоимость

В ряде случаев, особенно при очистке массивных изделий или изделий сложной формы, целесообразно производить перемещение рабочего инструмента колебательной системы относительно изделия, либо вводить рабочий инструмент непосредственно в полости изделия.

Распространённым приёмом, снижающим энергоёмкость ультразвуковой очистки, является облучение отраженной волной. Для этого используется полуволновой слой моющей жидкости в стакане миксера при его использовании или полуволновой слой над очищаемым объектом.

При очистке изделий с полостями, сообщающимися с атмосферой узкими каналами, целесообразно в процессе очистки периодически извлекать изделия из ванны для вытекания из полостей технологической жидкости.

После проведения ультразвуковой очистки следует провести операции промывки и, если необходимо, пассивирования и сушки.

-----------------------

Преимущества ультразвуковой чистки по сравнению с другими способами:

1. Минимальное применение ручного труда;
2. Очистка труднодоступных участков изделий без применения органических растворителей;
3. Повышение экологической чистоты процессов;
4. Сокращение времени технологических процессов.

Предназначение:

1. Очистка засохших принтерных головок
2. Очистка печатных плат от пыли, остатков флюса и др. видов загрязнений
3. Очистка топливных и масляных фильтров, часовых деталей, шестерeн подшипников, оптических стeкол, деталей электровакуумного производства, узлов радиоаппаратуры: печатных плат, реле, деталей точных приборов;
4. Очистка и обезжиривание разнообразных деталей машиностроения от мелкой стружки после механической обработки, от полировальных паст и других производственных загрязнений;
5. Обезжиривание крепежа и мелких деталей перед гальванопокрытием;
6. Очистка деталей двигателей внутреннего сгорания, топливных фильтров, деталей газовых турбин, поршневых колец от машинного масла и частичек абразива;
7. Очистка шарикоподшипников, колец подшипников качения, калибров, зубчатых колец, шарнирных соединений, линотипных матриц, пресс-форм резиновых изделий, пластмассовых светорассеивателей;
8. Очистка инструмента - свёрл, резцов, лерок, надфилей и напильников от окалины;
9. Очистка листовой стали от ржавчины и окалины, труб от коррозии и нагара, ленточных трансформаторов от консервирующей смазки;
10. Очистка хирургического инструмента, шприцев, медицинских ампул и флаконов; деталей в зубоврачебной практике от цемента и камней на мостах, искусственных зубах; мойка консервной тары, банок;
11. Очистка деталей ювелирного производства, деталей авторучек, кристаллов кремния и германия.

С помощью ультразвукового оборудования обеспечивается удаление следующих видов загрязнений:

1. Загрязнения в виде твeрдых и жидких плeнок. Различные масла, жиры (растительные, минеральные и животные), углеводороды, мазут, мыла, жирные кислоты; полировальные, притирочные пасты и шлифовальные составы, обычно состоящие из пригоревших жиров, мыла, воска, с примесью механических загрязнений.
2. Загрязнения в виде твeрдых осадков, находящихся на поверхности изделий, материалов и деталей. Механические загрязнения - твeрдые частички металла, металлическая стружка, частички абразива, волокна, пыль. Нагар - твeрдый осадок, состоящий из кокса, золы, смолы, сажи и других продуктов сгорания топлива. Пигменты - мел, тальк, сера, цемент, графит, а также твeрдые осадки - накипь, флюсы (водонерастворимые неорганические соединения). Их отличительная особенность - инертность к растворителям, при затвердевании образуют трудно отделимую корочку. Водорастворимые или частично растворимые полярные органические и неорганические соединения - сахар, крахмал, белок, кровь, неорганические соли.
3. Загрязнения в виде продуктов коррозии. Ржавчина - образуется на железе при наличии влаги, солей и кислорода воздуха. Ввиду рыхлости не изолирует металл от дальнейшего разрушения. Окалина - окисленная поверхность железа, образующаяся в результате термообработки. Окалина твердо связана с поверхностью металла и частично изолирует его от дальнейшего разрушения. Шлам - вторичные продукты, образующиеся после травления прокорродировавшего металла. (Следует отметить, что потеря от коррозии составляет 2 % от общего тоннажа потребляемого металла). Окисная плeнка на меди, алюминие и серебре.
4. Предохраняющие, консервирующие и защитные покрытия. Защитные эмали, смазочные масла, наклеечные смолы. (Возврат оптических деталей после очистки от наклеечных смол при применении ультразвука уменьшился до 15 % вместо 50-60 % из-за наличия царапин).

---------------------------------------

При распространении ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности (всего несколько ватт на квадратный сантиметр) в жидкости возникает переменное звуковое давление, амплитуда которого достигает порядка нескольких атмосфер. Под действием этого давления жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Жидкость без существенного изменения ее свойств можно сильно сжать. Иначе обстоит дело, если в жидкости создать разрежение: уже простое уменьшение давления над водой приводит к закипанию и парообразованию внутрь воды.
Нечто аналогичное происходит и при распространении ультразвуковой волны в жидкости: растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидкости разрывов, т. е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки получили название кавитационных, а само явление стали называть ультразвуковой кавитацией.
Кавитационные пузырьки в некоторой области жидкости возникают всякий раз, когда до этой области доходит фаза разрежения ультразвуковой волны.
Как правило, кавитационные, пузырьки долго не живут: уже следующая за разрежением фаза сжатия приводит к захлопыванию, большей их части. Поэтому кавитационные пузырьки исчезают практически сразу вслед за прекращением облучения жидкости ультразвуком. При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная волна, развивающая громадные давления. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она слегка разрушает его поверхность.
Поскольку кавитационных пузырьков много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, кавитация может произвести значительные разрушения. Кавитация была впервые обнаружена при изучении быстрого движения твердых тел внутри жидкости. Огромную разрушающую силу этого явления почувствовали в первую очередь инженеры, испытывающие гребные винты судов. При большой скорости вращения лопастей винта происходит образование кавитационных пузырьков, аналогичное тому, которое имеет место при распространении' ультразвуковой волны. Кавитация приводит к разрушению материала, из которого изготовлены гребные винты. В этом смысле кавитация - вредное явление. Однако создание ультразвуковых генераторов сделало возможным управление кавитационным процессом а значит, и полезное применение его на практике.

Определение частоты ультразвука и калибровка генератора.

Резонансную частоту ультразвуковых колебаний излучателя можно рассчитать, зная длину ферритового стержня.
При резонансе в стернежне устанавливается стоячая волна, при этом в длину стержня укладывается целое число полуволн, т. е. за время полного периода Т(с) колебаний волна в феррите проходит расстояние L(см), равное удвоенной длине стержня l(см) : L=2*l. Зная скорость распространения звука в феррите V~5,32*(10^5)(см/с) и длину l, можно рассчитать все собственные частоты стержня Fn(Гц) =n/T =n*V/L =n*V/(2*l) Fn(кГц) =(10^(-3))*n*V/(2*l).

Пример рассчета:

Если l=10см, то Fn(кГц) =(10^(-3))*n*5,32*(10^5)/(2*l) =n*532/(9*l) =n*266/l =n*266/10 =n*26,6(кГц) при n=1,2,3,... , т. е. резонансные частоты кратны 26,6кГц.
Мы будем приводить стержень в состояние резонанса на основной собственной частоте (n=1).
Имея набор ферритовых стержней разной длины с определенной резонансной частотой, мы легко можем проградуировать ультразвуковой генератор, делая пометки на выдвижном сердечнике трансформатора задающего генератора.