摘 要：目前PCB业内有两种检测离子污染洁净度的方式，即，静态与动态，这两种形态的仪器分别为两种独立的机型。而本文着重于介绍：集静态与动态于一体离子污染测试仪的研究与应用，详细分析两种不同原理，及不同原理下：检测结果；性能；精度与效率。并且通过不同的应用测试得以了验证，均满足检测要求。一体机功能的全面性不仅提高了离子污染测试仪的xxx，更带来了无与伦比的便捷性。
关键词：PCB 离子污染检测 电导率 离子浓度
前言
PCB在制程中，会造成表面离子污染物的残留，当残留离子严重时将导致线路出现开路，短路，腐蚀，寿命降低等现象。因此，离子污染的程度必须通过测试仪来得以验证，而检测设备要求，现已有明确的规定[1]。离子污染测试原理最早来源于贝尔实验室，当时仅采用去离子水进行萃取，后经美国一海军航空电子设备中心改进，使用异丙醇和去离子水经行喷淋萃取[2]。萃取液按照每平方厘米1.5ml的流量，以细流的方式喷射到线路板的两面，萃取时间≥1min，然后测量收集的萃取液测试其电导率进行计算，该测试方法也就是：MIL-P-28809标准，若萃取液电阻率为2MΩ即处于合格上限[3]，测试根据电导率与NaCl的等价关系计算得出离子浓度。后来经美国爱法(ALPHA metals)公司，进行了再次的改进,引入了‘动态测试’‘加热萃取’的概念，[2]，静态/动态测试法一直引用至今。
1 静态/动态一体原理分析
◆静态/动态一体测试是以下两种测试原理的结合，两种模式可自由切换，下面对静态模式原理及动态模式原理分别进行分析说明：
1.1）静态模式原理：静态原理如图1、图3所示：首先保证水箱内萃取液电导率及温度达到设定值，然后放入测试样板，通过磁力泵将萃取液不断循环连续冲洗水箱中的PCB，使PCB离子充分被冲洗溶解到萃取液中，经过一定的时间的冲洗后，萃取液的电导率达到一个相对恒定的的值，以电导率与等价氯化钠的关系计算其离子浓度值[4]。
1.2）动态模式原理：动态原理如图2、图3所示：首先保证水箱内，萃取液电导率及温度达到设定值，然后放入PCB，先通过磁力泵循环一定的时间≥1分钟，（目的是将大部分离子先溶解一遍）然后打开再生阀，（同时传感器将数据开始传送至电脑开始计算）水箱的萃取液经过再生后，再次进入水箱连续冲洗，直至交换柱吸收溶解到萃取液的离子，（通过传感器反馈萃取液的电导率数据）至初始的电导率即结束。动态测试过程是以电导率，流量，体积，时间等数据进行微分/函数运算，最终得出离子浓度。
图1 静态过程原理
图2 动态过程原理
图3 动/静态测试原理
2 静态/动态一体测试条件要点分析
2.1）萃取液：采用异丙醇，和去离子水，体积比为3:1。去离子水：电阻率约为18MΩ、满足萃取测试条件。异丙醇：利用溶解能力强，电绝缘性好的特性应用至离子溶解过程中。加热萃取的温度控制在40℃时，既利于更快的萃取离子，又不使得萃取液过快的挥发。
2.2）离子交换树脂：采用阴阳交换树脂，该类型树脂用于如显示设备，精密线路板等电子特殊产品的漂洗[5]。 该树脂吸收萃取液再生能力＞150MΩ≈0.07uS。
2.3）流量：萃取液流速约为12L/min，水压约0.1Mpa，对与加快冲洗溶解PCB表面离子，起到一个很好的作用。且流速的采集以每秒四次的速率实时反馈至PC进行运算。
2.4）电导率：测试萃取液根据执行标准，电阻率必须大于6MΩ[3]，然，PCB测试电阻率一般以20-66MΩ为宜[2]，该范围内大气与萃取液的化学效应，处于一个相对平衡状态。其中电极测量上限为10uS≈0.1MΩ，等同离子浓度测量范围参照图4：当电导率约为0.6uS时总质量为24207ug。以此为例计算xx量程约为：100000ug （非直线性增长）。xx量程则以实际仪器性能为准。
图4 离子浓度与等价氯化钠测量图
2.5）NaCl标准液：xx，无危险性，在溶液中以离子的形态构成。用于来检验仪器的精度及性能。将0.6gNaCl溶于1ml去离子水，误差约±1%。取总量为40ml进行测试，测试结果参照图4，误差仅1%＜，满足校准检验要求。
2.6)测试量程：测试前需要根据测试板的大小选择适合的水箱，保证其能xx侵没PCB。在此，我们做了一个PCB面积量程计算：萃取液体积为17 L时，xx检测质量值为600ug，xx质量为100000ug。如图5所示。当板面积不足最小测试面积时，也可放入多块以满足测试条件，≤3块为以宜。当然水箱可以加大，便于能测量更大面积的测试板，但是加大的水箱，需要重新考虑xx检测值，以确定最小测试面积。
水箱尺寸 | PCB最小测试尺寸 | PCBxx测试尺寸 |
35cm×70cm×60cm 约17 L | xx检测质量/浓度标准=600ug/cm²÷1.56ug/cm²≈250px×500px | xx检测质量/浓度标准 =100000ug/cm²÷1.56ug/cm²≈2500px×7500px |
图5 测试板范围计算
3 静态/动态一体NaCl应用测试
3.1）静态模式NaCl测试：如图9，图10所示，静态测试电导率起初为上升趋势，xx慢慢趋于平稳状态。NaCl标准溶液起初呈一个上升的趋势，说明此时的NaCl正在逐步被溶解到萃取液中，而经过一定的时间的搅拌溶解，NaCl被充分均匀的溶解到了萃取液中，电导率曲线呈现一个相对平稳状态。离子浓度与电导率成正比呈现。
图9 静态测试3000ugNaCl电导曲线
图10 静态测试3000ugNaCl离子浓度曲线
3.2） 动态模式NaCl测试：如图11，图12所示，动态测试模式时，会先搅拌一定的时间（曲线起初图空白段），之后，打开过滤阀门，打开阀门的一瞬间，曲线图中直观的反应出电导率曲线从一个很高的值，慢慢的呈现一个下降的趋势，该趋势也是说明了，打开阀门再生后，每次进入水箱循环的萃取液都是相对洁净的，电阻率也就呈一个持续下降的状态，直到电阻率下降到初始的值即测试结束。离子浓度曲线则与电导曲线为反比呈现。
图11 动态测试3000ugNaCl电导曲线
图12 动态测试3000ugNaCl离子浓度曲线
3.3）静态/动态一体NaCl检测总结
等量NaCl测试：如图10（静态）与图12（动态）所示：离子浓度均为：0.33ug/cm²，由此得出结论：一体离子污染检测中的静态方式与动态方式，均满足离子污染的检测要求。下面为了进一步验证，采用PCB板进行实测。
4 PCB板测试
4.1）PCB静态测试：通过图13，图14，电导与浓度曲线可以解析为：萃取之初电导率呈一个快速的上升曲线，这与NaCl的溶解方式一样，此时很大一部分的离子被溶解，而过一段时间后，由于PCB表面离子黏附程度的不同，一些死角位置或者黏附较强的离子，随着循环冲洗溶解的时间推移，只能慢慢的被溶解，电导率也就一直呈一个缓慢的上升的曲线，这与Na Cl呈现的平稳曲线不同。原因是NaCl放入后全部被溶解，没有黏附。所以实际测试PCB呈现缓慢的上升曲线状态时（15S内±0.02ug变化)，表明测试已经完成，继续测试已无太大的意义（特殊要求除外）。
4.2） PCB动态测试：通过图15，图16，电导与浓度曲线可以看出，动态PCB测试曲线图与NaCl测试类型一致，区别在于PCB板测试时，时间会相对较长。因为，NaCl的溶解能力高于PCB表面离子。测试完成后软件运行自动停止，生成测试结果。
4.3）静态/动态一体PCB测试结论
4.3.1） 效率对比：图6，图7，为动态/静态测试步骤。
图6 静态测试步骤 图7 动态测试步骤
通过以上的测试步骤可以看出：静态测试测试结束后。进行下一次测试前，则必须再生。使测试槽内萃取液达到电阻率基准。而动态测试完成后，进行下一次测试前是不需要再生的，因为动态在测试的同时，就已经在不断的再生萃取液，再生的过程也就是动态测试计算的全过程，直至萃取液至起始电阻率的状态即结束。如图8所示，等同的条件下，以20mlNaCl为基准，17L萃取液测试。在保证测试完成后，水箱内能保持一个相对洁净的状态（达到起始的电阻率），对于两种模式实测统计：动态效率提升约27%。
图8 连续测试静态与动态测试效率对比
4.4） 离子污染浓度对比： 如图13图15，图14，图16统计得出下图：（图示17）
阻焊板静态浓度 | 0.77ug/cm² | 覆铜板静态浓度 | 0.86ug/cm² |
阻焊板动态浓度 | 1.24ug/cm² | 覆铜板动态浓度 | 1.37ug/cm² |
阻焊板 动态＞静态 | 62% | 覆铜板 动态＞静态 | 63% |
图17 动态/静态测试测试值比较
图示17表明：PCB测试时动态模式高于静态模式。原因分析：原理的不同及PCB自身的特性，静态为不断的循环，循环后PCB板上面的洁净度与萃取液的洁净度比较相近，两个洁净度相对相等的物质在一起时，是不能xx的进行更深层清洁萃取的。而动态测试时，因为经过了再生，再次回到水箱的萃取时是相对纯净的，而且相对纯净的萃取液能够更深层萃取PCB表面顽固的黏附离子，甚至将PCB内更深层的离子萃取掉。这也就是图示17，动态结果值高于了静态＞60%的原因了。
PCB测试附图：
图13静态阻焊板测试图
图14静态覆铜板测试图
图15动态阻焊板测试图
图16动态覆铜板测试图
总结
1）现今MIL-P-28809标准标定了PCB离子污染程度＜1.56ug/cm²即合格。 而IPC标定了测试的条件[1]，这是以‘静态’为基准所建立的。而对于PCB表面离子污染的检测，我们可以理解静态为：浅度表面离子污染的检测。动态为：深度表面离子污染的检测。其中：动态的检测更为：xx（萃取离子能力动态＞静态60%），高效（动态检测效率高于静态27%），动态测试已远高于了行业的标准。
2）作为PCB生产商以动态检测可更好的监控在线的制程工艺。当然PCB的验收还是以现行标准静态为准。对于特殊要求例如航天，军工及超高集成的核心PCB板，建议用动态测试作为xx的验证参考，以确保PCB后期使用的稳定性。
参考文献：
[1] 执行标准：
GB 4706.1 《电器安全标准》
GB/T 4677.22-2002 《印制板表面离子污染测试方法》
GB/T 18268.1 《测量、控制和实验室用电设备电磁兼容性要求》
IPC-TM-650 《印制板表面离子污染测试方法》
MIL-P-55110E 《刚性印制板通用技术规范》对于测试设备及要求、
[2] 黄汉松 《关于离子污染测试仪的发展和讨论》
[3]CIPC信息网《电子线路板表面离子污染的检测》
[4]2007年正业科技成功研发的静态离子污染测试仪，被列入国家火炬计划项目。
[5]摘选自豆丁网 —《离子交换树脂》