DE69203851T2

DE69203851T2 - Verfahren und vorrichtung zur entfernung von verunreinigungen.

Info

Publication number: DE69203851T2
Application number: DE69203851T
Authority: DE
Inventors: Richard George; Dhiren Mehta; Gifford Rodine; Jennifer Shinno; Thomas Stanford
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1991-11-13
Filing date: 1992-09-28
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2012-09-29
Also published as: DK0566712T3; WO1993010280A1; BR9205457A; MX9206559A; GR3017956T3; AU651253B2; CA2096546A1; KR960002638B1; ATE125885T1; EP0566712B1; EP0566712A1; JPH06504817A; MY129926A; ZA928056B; AU2753792A; DE69203851D1; ES2075718T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und ein System zum Entfernen von Verunreinigungen von festen Substraten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein solches Verfahren und System zur Verwendung mit einem Oxidationsmittel, wie z.B. einer Wasserstoffperoxid-Zusammensetzung, um Verunreinigungen, wie z.B. Lötflußmittel und Ionenarten, zu entfernen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Ein Lötmittel wird beim Zusammenbau von Leiterplatten, integrierten Schaltungen und verschiedenen elektronischen Bauteilen und Vorrichtungen verwendet, um Metallteile zu verbinden. Das Lötmittel selbst umfaßt eine Legierung, wie z.B. von Indium oder Zinn und Blei. Vor der Anwendung des Lötmittels auf die Metalloberfläche wird die Oberfläche mit einem Flußmittel behandelt, um Oxide und andere Verunreinigungen, welche die Metallverbindung stören könnten, zu entfernen und um ihre Rückbildung während des Lötprozesses zu verhindern. Diese Flußmittel sind typischerweise organische Materialien, wie z.B. natürliches Kolophonium, das aus dem Saft der Kiefer extrahiert wird, organische Säuren, wie z.B. Carbonsäuren, Amine und Amide, oder anorganische Materialien, wie z.B. anorganische Säuren oder Salze. Das am häufigsten verwendete Flußmittel ist saures Kolophonium- Flußmittel. Der Begriff "Kolophonium-Flußmittel" bedeutet hierin ein Flußmittelmaterial, welches Kolophonium, d.h. das Harz nach Destillieren von Terpentin aus der Ausscheidung von Kieferarten, umfaßt und welches Abietinsäure und ihr Anhydrid enthält. Typischerweise wird eine kleine Menge einer anderen Säure zu dem Kolophonium-Flußmittel zugegeben, um es zu aktivieren, und solche Zusammensetzungen werden als "saures Kolophonium-Flußmittel" oder "aktiviertes Kolophonium-Flußmittel" bezeichnet. Nachdem der Lötvorgang abgeschlossen ist, bleiben überschüssiges Flußmittel wie auch Flußmittelrückstände auf der gelöteten Oberfläche zurück und diese Rückstände sind harzartig, wachsartig, korrodierend und leitfähig. Diese Flußmittelrückstände und das überschüssige Flußmittel müssen vor den nachfolgenden Verarbeitungsschritten entfernt werden, um deren Reaktion mit den gelöteten Teilen zu verhindern, welche zu Korrosion und resultierenden elektrischen Isolationsverlusten führt. Insbesondere sind alle Ionenarten, wie z.B. jene, die von Adipinsäure oder Halogenen abgeleitet sind, elektrisch leitend und würden die Leistungsfähigkeit der elektronischen Schaltung vermindern, wenn sie nicht entfernt würden. Diese Ionenarten sind in dem organischen Flußmittelrückstand enthalten.
Mittel zur Entfernung von Flußmitteln, welche derzeit weitverbreitet verwendet werden, sind halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie z.B. 1,1,1-Trichlorethan und Freon (ein Warenname von E.I. DuPont de Nemours für polyhalogenierte Kohlenwasserstoffe, die Chlor und Fluor enthalten). Während diese organischen Materialien wirksame Lösungsmittel zum Entfernen von Flußmitteln sind, haben sie den ernsten Nachteil, daß sie aufgrund einer Ozonverminderung einen negativen Einfluß auf die Umwelt haben. Die neuere Umweltgesetzgebung schreibt vor, daß die Herstellung dieser Materialien in den nächsten Jahren strikt beschränkt wird und eventuell eingestellt wird. Wenn diese Materialien, selbst in kleinen Mengen, verwendet werden, müssen teure Betriebssysteme für Transport, Lagerung, Verwendung und Entsorgung und eine Umweltschutzausrüstung verwendet werden, um ein Entweichen in Luft und Wasser zu verhindern. Zusätzlich benötigen bei diesen Materialien die Lösungsmittelabfälle energieintensive Regenerationsvorgänge.
Zahlreiche wäßrige Reinigungsmittel sind erhältlich, welche brauchbare Lösungsmittel zum Entfernen von Flußmitteln sind; jedoch wurde unter diesen keines gefunden, das die strengen Reinigungs- und Verträglichkeitserfordernisse eines Lösungsmittels zur Entfernung von Flußmitteln für hochverläßliche elektronische Anordnungen erfüllt. Dieses ist besonders wichtig für Anordnungen mit engen Toleranzräumen. Zusätzlich benötigen die resultierenden mit organischen Stoffen beladenen wäßrigen Lösungsmittel vor der Entsorgung eine weitere Bearbeitung.
Somit besteht in der Elektronikindustrie ein dringender Bedarf für ein Lösungsmittel, welches wirksam Flußmittelrückstände und Verunreinigungen entfernt, während zur seiben Zeit jeder negative Einfluß auf die Umwelt vermieden wird. Ein solches Lösungsmittel wäre ebenfalls zum Entfernen anderer Verunreinigungen von anderen Substraten nützlich. Diese Anforderungen werden durch die Zusammensetzung und das Verfahren erfüllt, welche in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 07/700,353, die am 7. Mai 1991 angemeldet wurde, und der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 07/583,911, die am 27. September 1990 angemeldet wurde, beschrieben werden, wobei beide dem gegenwärtigen Zessionar übertragen wurden. Gemäß der Erfindung, die in den letzteren zwei Patentanmeldungen beschrieben ist, wird zunächst eine Zusammensetzung zur Verfügung gestellt, welche umfaßt: (a) Wasserstoffperoxid in der Menge von ca. 3 bis 5 Gewichts- Prozent der Zusammensetzung; (b) ein Alkalimetallhydroxid in einer ausreichenden Menge, um einen pH von wenigstens 10,5 in der Zusammensetzung zur Verfügung zu stellen; (c) ein ausgewähltes Benetzungsmittel in der Menge von ca. 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent der Zusammensetzung, wobei das Benetzungsmittel nicht mit dem Wasserstoffperoxid und dem Alkalimetallhydroxid reagiert; und (d) gereinigtes Wasser als das Ausgleichsmittel der Zusammensetzung. Das feste Substrat mit organischen Verunreinigungen darauf wird an die oben angegebene Zusammensetzung ausgesetzt, wodurch die organischen Verunreinigungen von dem Substrat entfernt werden und in nicht-toxische und nicht-gefährliche Produkte umgewandelt werden. Somit wird durch dieses Verfahren ein negativer Umwelteinfluß vermieden. Während diese Zusammensetzung und dieses Verfahren für ihren beabsichtigen Zweck gut arbeiten, wäre es wünschenswert noch weitere Modifikationen und Verbesserungen von diesen für eine größere Wirksamkeit und verminderte Kosten zur Verfügung zu stellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der allgemeine Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues und verbessertes Verfahren und System zur Verfügung zu stellen, um Verunreinigungen von einem ausgewählten festen Substrat unter Verwendung eines ausgewählten Oxidationsmittels, wie z.B. einer Wasserstoffperoxid-Zusammensetzung, welche einen negativen Umwelteinfluß vermeidet, zu entfernen. Dieses Verfahren und System besitzen die Vorteile der früheren Verfahren, während sie deren deutliche Nachteile überwinden oder deren Vorteile weiter verstärken.
Der obige allgemeine Zweck dieser Erfindung wird erreicht durch:
(a) Zur-Verfügung-Stellen eines Anfangsreaktionsbades, das ein ausgewähltes flüssiges Reaktionsmedium für ein ausgewähltes Oxidationsmittel umfaßt;
(b) Dosieren des ausgewählten Oxidationsmittels in das Anfangsreaktionsbad, um das Endreaktionsbad herzustellen, und Dosieren des ausgewählten Oxidationsmittels in das Endreaktionsbad bei einer vorbestimmten ausreichenden Geschwindigkeit, um wirksame Gehalte des Oxidationsmittels im Endreaktionsbad zur Verfügung zu stellen, wobei das ausgewählte Oxidationsmittel ein Material umfaßt, welches mit der Verunreinigung reagiert, um sie ohne eine nachteilige Wirkung auf das Substrat, von dem Substrat zu entfernen; und
(c) Einwirkenlassen des Endreaktionsbades, das das dosierte Oxidationsmittel enthält, auf das Substrat mit den Verunreinigungen, wodurch das Oxidationsmittel für einen verlängerten Zeitraum mit einem wirksamen Gehalt in dem Endreaktionsbad gelassen wird, um dadurch in einer einheitlichen und kontrollierten Weise die Verunreinigungen von dem Substrat zu entfernen. Wahlweise wird das Endreaktionsbad während der Einwirkung auf das Substrat erwärmt. Als eine weitere Option können das Anfangs- und Endreaktionsbad bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit mit Luft oder Sauerstoff durchgeblasen werden und das Durchblasen wird während des Einwirkungsschrittes beibehalten. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid und das Anfangsreaktionsbad umfaßt:
(1) eine alkalische Verbindung in einer ausreichenden Menge, um einen pH von 10,5 bis 14,0 im Endreaktionsbad zur Verfügung zu stellen;
(2) ein ausgewähltes Benetzungsmittel, welches in der Gegenwart der alkalischen Verbindung und des Wasserstoffperoxids stabil ist; und
(3) entionisiertes Wasser.
Das System zum Erreichen des oben beschriebenen Verfahrens umfaßt (a) eine Reaktionsbadkammer, welche die Zusammensetzung in Schritt (a) oben enthält; und (b) ein Mittel, welches mit der Kammer verbunden ist, um das Oxidationsmittel kontinuierlich in das Anfangs- und Endreaktionsbad zu dosieren. Das System kann wahlweise Mittel einschließen, um das Endreaktionsbad zu erwärmen. Alternativ kann das System ein Mittel einschließen, welches mit der Kammer verbunden ist, um Luft oder Sauerstoff durch das Anfangs- und Endreaktionsbad durchzublasen. Dieses System kann weiterhin ein Mittel zur Nachbehandlung umfassen, um restliches Alkali zu neutralisieren, zu spülen und das behandelte Substrat zu trocknen. In alternativen Ausführungsformen kann das System weiterhin ein sprühmittel enthalten, das mit dem verunreinigten Substrat in der Reinigungskammer untergetaucht wird, welches über dem Reaktionsbad angeordnet wird oder in dem Reaktionsbad untergetaucht wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Systems zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Systems gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher ein Sprühmittel unterhalb der Oberfläche des Reaktionsbades zur Verfügung gestellt wird.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Systems gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher ein Sprühmittel oberhalb der Oberfläche des Reaktionsbades zur Verfügung gestellt wird.
Fig. 4 zeigt eine Schar von Kurven, welche die Änderung der Wasserstoffperoxid-Konzentration als eine Funktion der Zeit gemäß der vorliegenden Erfindung, verglichen mit einem früheren Verfahren, zeigen.
Fig. 5 zeigt eine Schar von Kurven, welche die Wirkung von Luft und Stickstoff als den durchgeblasenen Gasen auf die Wasserstoffperoxid-Konzentration in dem Reaktionsbad bei verschiedenen Temperaturen zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung sind wirksam, um Verunreinigungen von einem festen Substrat zu entfernen, während zur gleichen Zeit ein unerwünschter Einfluß auf die Umgebung vermieden wird. Die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich, um Flußmittelrückstände und Ionenarten zu entfernen, welche Oberflächen nach einem Lötvorgang verunreinigen. Diese Flußmittelrückstände umfassen typischerweise harzartige wachsartige Verunreinigungen, welche die Abbauprodukte aus dem Lötvorgang sind. Die Substrate, die gelötet werden, umfassen beispielsweise Leiterplatten, integrierte Schaltungen, elektronische Bauteile, elektronische Vorrichtungen, elektronische Verbindungsstücke oder elektronische Kabel. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Nebenprodukte, wie z.B. Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser, welche gebildet werden, ungefährlich und können entfernt werden, ohne einen negativen Einfluß auf die Umwelt zu haben.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird zuerst ein Anfangsreaktionsbad zur Verfügung gestellt, welches ein ausgewähltes flüssiges Reaktionsmedium umfaßt, zu welchem ausgewählte Reaktionspartner zugegeben werden, um das Endreaktionsbad zu bilden. Das ausgewählte flüssige Reaktionsmedium kann beispielsweise entionisiertes Wasser sein oder andere Lösungsmittel zum Lösen des Oxidationsmittels und anderer Zusätze. Der Begriff "Endreaktionsbad" bedeutet hierin die Fluidzusammensetzung, welche auf das zu reinigende Substrat einwirkt. Der Begriff "Anfangsreaktionsbad" bezieht sich auf die anfangs zur Verfügung gestellten Fluids, zu welchen zusätzliche Bestandteile zugegeben werden, um wie unten beschrieben das Endreaktionsbad zu bilden.
Das ausgewählte Oxidationsmittel wird in das Anfangsreaktionsbad dosiert, um das Endreaktionsbad zu bilden, und wird mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in das Endreaktionsbad dosiert. Das ausgewählte Oxidationsmittel umfaßt ein Material, welches in der Lage ist, die Verunreinigung zu oxidieren, um sie von dem Substrat zu entfernen, ohne eine nachteilige Wirkung auf das Substrat auszuüben. Oxidationsmaterialien, welche für eine Verwendung beim Praktizieren der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, bekannte Oxidationsmittel, wie z.B. Salze von Hypochlorit, Chlorit, Chlorat, Bromat, Persulfat, Perborat und Percarbonat. Ein bevorzugtes Oxidationsmittel für eine Verwendung beim Praktizieren der vorliegenden Erfindung umfaßt Wasserstoffperoxid. Während sich die folgende Diskussion auf die Verwendung von Wasserstoffperoxid konzentriert, versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf Wasserstoffperoxid beschränkt ist, sondern, wie vorher beschrieben, andere Oxidationsmittel umfaßt. Das ausgewählte Oxidationsmittel wird mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, welche ausreichend ist, um wirksame Gehalte des Oxidationsmittels zur Verfügung zu stellen, die mit der Verunreinigung auf dem Substrat reagieren und diese entfernen, in das Anfangs- und Endreaktionsbad dosiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Anfangsreaktionsbad: (a) eine alkalische Verbindung in einer ausreichenden Menge, um während der Behandlung des Substrates in dem Endreaktionsbad einen pH von 10,5 bis 14,0 zur Verfügung zu stellen; (b) ein ausgewähltes Benetzungsmittel, welches in der Gegenwart der alkalischen Verbindung und von Wasserstoffperoxid stabil ist; und (c) entionisiertes Wasser. Wasserstoffperoxid wird bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit in dem Bereich von 0,004 Milligramm Wasserstoffperoxid pro Minute pro Gallone Reaktionsbadfluid bis zu der Sättigungsgrenze von Wasserstoffperoxid in dem Reaktionsbad oder darüber hinaus in das Anfangsreaktionsbad und das Endreaktionsbad dosiert. Die bevorzugte Dosiergeschwindigkeit beträgt ca. 0,004 bis 1500 Milligramm Wasserstoffperoxid pro Minute pro Gallone Reaktionsbadfluid, was in dem Endreaktionsbad für eine Wasserstoffperoxid-Konzentration von ca. 0,01 bis 4,0 Prozent sorgt. Durch das Dosieren des Wasserstoffperoxids in das Reaktionsbad anstatt es als eine einzige große Charge zuzugeben, wird über die Zeit hinweg ein konstantes und hohes Niveau von Wasserstoffperoxid erhalten, während deutlich weniger Wasserstoffperoxid verbraucht wird, wie hierin detaillierter mit Bezug auf Fig. 4 diskutiert wird. Das Wasserstoffperoxid wechselwirkt mit der Verunreinigung, um sie von der Substratoberfläche zu entfernen, und das Wasserstoffperoxid selbst wird zu Wasser und Sauerstoffgas zersetzt.
Wahlweise werden das Anfangsreaktionsbad und das Endreaktionsbad bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit, wie z.B. für eine Wasserstoffperoxid-Zusammensetzung ca. 0,001 bis 1 Standardkubikfuß pro Minute, mit Luft oder Sauerstoff durchgeblasen. Die bestimmte Durchblasgeschwindigkeit variiert abhängig von dem verwendeten bestimmten Oxidationsmittel. Wie hierin detaillierter mit Bezug auf Fig. 5 diskutiert, führt dieses Durchblasen von Luft oder Sauerstoff zu einer kleinen aber gleichmäßigen Verbesserung beim Beibehalten von erhöhten Wasserstoffperoxid-Niveaus über die Zeit hinweg. Während die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Theorie der Arbeitsweise beschränkt werden soll, wird angenommen, daß dieser Effekt auf der Tatsache beruht, daß der Sauerstoff in der Luft oder der Sauerstoff allein die folgende spontane Zersetzungsreaktion verlangsamt:
2 H&sub2;O&sub2; 2 H&sub2;O + O&sub2;.
Das Substrat mit Verunreinigungen darauf wird auf einen Substrathalter gestellt, welcher an ein Endreaktionsbad ausgesetzt wird, in welches kontinuierlich Wasserstoffperoxid dosiert wird und durch welches Luft oder Sauerstoff durchgeblasen wird, um wirkungsvoll und gleichmäßig die Verunreinigungen von dem Substrat zu entfernen, während die Menge an Wasserstoffperoxid, welche benötigt wird, minimiert wird. Andere Mittel zum Übertragen von kinetischer energie auf das Reaktionsbad können alternativ verwendet werden.
Wenn das Substrat ein Metall umfaßt, wird wahlweise ein Metallschutzmittel zugegeben, um die Metalloberfläche vor einem Angriff durch das Wasserstoffperoxid oder ein anderes Oxidationsmittel und Alkali zu schützen. Das Metallschutzmittel reagiert nicht mit dem Wasserstoffperoxid oder Oxidationsmittel und der alkalischen Verbindung und ist in einer ausreichenden Menge vorhanden, um ca. 0,1 bis 99 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent, in dem Endreaktionsbad zur Verfügung zu stellen.
Die alkalische Verbindung wird zu dem Anfangsreaktionsbad zugegeben, um einen pH von 10,5 bis 14,0, vorzugsweise in dem Bereich von 11,5 bis 14, in dem Endreaktionsbad zur Verfügung zu stellen. Die alkalische Verbindung kann beispielsweise Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid sein, wobei Natriumhydroxid am meisten bevorzugt ist. Wenn Natriumhydroxid verwendet wird, ist es vorzugsweise in der Menge von ca. 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent der Zusammensetzung des Endreaktionsbades vorhanden, kann aber in der Menge von 0,1 bis 99 Gewichtsprozent vorhanden sein.
Das Benetzungsmittel muß so ausgewählt werden, daß es mit den anderen Bestandteilen in dem Reaktionsbad verträglich ist. Herkömmliche Benetzungsmittel, wie z.B. Natriumalkylarylsulfonat und andere organische synthetische Detergenzien zersetzen sich rasch in der Gegenwart von starken alkalischen oxidierenden/bleichenden Lösungen, wie z.B. der Wasserstoffperoxid-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung. Dieses führt zu einer raschen Zersetzung des Wasserstoffperoxids und zu übermäßigem Schäumen in der Lösung.
Ein bevorzugtes Benetzungsmittel für eine Verwendung in der vorliegenden Wasserstoffperoxid-Zusammensetzung umfaßt Natrium-2-ethylhexylsulfat (erhalten von der Niacet Co., Niagara Falls, New York). Es hat eine gute Löslichkeit, Stabilität und Durchdringungswirkung in fast kochenden alkalischen und sauren Lösungen und es ist eines von wenigen anionischen oberflächenaktiven Mitteln, welche in konzentrierten Bleichlösungen stabil sind. Andere geeignete Benetzungsmittel zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung können Natriummetasilicat oder kurzkettige verzweigte oberflächenaktive Mittel umfassen. Das Benetzungsmittel wird in der vorliegenden Erfindung in der Menge von ca. 0,1 Gewichtsprozent der Zusammensetzung des Endreaktionsbades bis zu der Sättigungsgrenze des Benetzungsmittels in dem Reaktionsbad verwendet, vorzugsweise von ca. 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent.
Wenn das Substrat ein Metall umfaßt, wie z.B. in einer Leiterplatte, müssen die Metalloberflächen vor einem Angriff durch das Peroxid oder Oxidationsmittel und das Alkali in dem Reaktionsbad geschützt werden. Das besondere Metallschutzmittel, welches verwendet wird, hängt von dem bestimmten Metall ab, welches geschützt wird. Beispielsweise werden für Kupfer Calcium- und Phosphorverbindungen als Schutzmittel verwendet. Die Auswahl des bestimmten Schutzmittels für ein bestimmtes Metall ist in der Technik bekannt und wird hier nicht im Detail beschrieben. Geeignete Metallschutzmittel zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung schließen Natriumcarbonat oder Natriummetasilicat ein. Das Metallschutzmittel ist in der Menge von ca. 0,1 Gewichtsprozent der Zusammensetzung des Endreaktionsbades bis zu der Sättigungsgrenze des Metallschutzmittels in dem Reaktionsbad vorhanden, vorzugsweise von ca. 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent. Es sollte beachtet werden, daß sowohl für Natriumcarbonat als auch für Natriummetasilicat gefunden wurde, daß diese den pH der Peroxidlösung beeinflussen und in Betracht gezogen werden müssen, wenn der pH des Endreaktionsbades eingestellt wird.
Die optimale Arbeitstemperatur für eine bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, um ein wirksames Entfernen von Verunreinigungen unter Verwendung von Wasserstoffperoxid innerhalb einer kurzen Zeitperiode zur Verfügung zu stellen, liegt in dem Bereich von 32 bis 100ºC (90 bis 212ºF). Ein bevorzugter Temperaturbereich für eine Verwendung der vorliegenden Zusammensetzung ist ca. 60 bis 71ºC (140 bis 160ºF). In diesem Bereich können Flußmittelverunreinigungen in 1 bis 3 Minuten entfernt werden. Die erhöhte Temperatur fördert die Reaktion, verbessert die Durchdringung der Zusammensetzung durch ein Aufweichen von gummiartigen Verunreinigungen und hält Feststoffteilchen in Suspension, so daß sie sich nicht auf den gereinigten Substraten abscheiden. Wenn andere Oxidationsmittel verwendet werden, können andere Temperaturbereiche oder eventuell keine Wärme benötigt werden.
Die Verunreinigungen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt werden können, umfassen organische Materialien, welche die Rückstände, die von gewöhnlich verwendeten Lötflußmittelmaterialien zurückgelassen werden, einschließen, aber nicht auf diese beschränkt sind. Diese Flußmittelrückstände umfassen Öle, Harze und andere organische Materialien. Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung beim Entfernen von Ionenarten wirksam, wie z.B. jenen, die von einer Säure oder einem Halogen abgeleitet sind, die zu dem Flußmittel zugegeben wurden. Da weiterhin das vorliegende Verfahren und die Vorrichtung zum Spalten von Kohlenstoff- zu-Kohlenstoff-Bindungen wirksam sind, können sie ebenso gut für die Entfernung von anderen organischen Verbindungen und anderen Verunreinigungen verwendet werden. Solche Materialien schließen Öl, Fett, Gleitmittel, wasserlösliche Flußmittel, organische saure Flußmittel, ungehärtete Fotolacke, Farbstoffe oder leitfähige Druckfarben ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Verunreinigung liegt typischerweise in der Form einer harzartigen Schicht vor, kann aber auch in der Form von getrennten Partikeln vorliegen.
Das feste Substrat, von welchem Verunreinigungen gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt werden können, kann jedes Material umfassen, das nicht nachteilig durch das Oxidationsmittel oder die alkalischen Bestandteile des Reaktionsbades beeinflußt wird. Solche Materialien schließen Polyimid-Laminate, Epoxy/Glas-Laminate und Aluminiumoxid- Substrate, welche in Leiterplatten verwendet werden, Silizium, welches in elektronischen Vorrichtungen verwendet wird, und Kupfer oder andere Leiter, welche in Bauteilbefestigungen (component loads), Kabeln und Verbindungsstücken verwendet werden, ein, sind aber nicht auf diese beschränkt. Das feste Substrat kann eine einfache oder komplexe Konfiguration aufweisen und kann Zwischenräume aufweisen, welche durch bekannte Verfahren schwierig zu reinigen sind. Die vorliegende Erfindung ist besonders gut zum Entfernen von Verunreinigungen von hochverdichteten elektronischen Vorrichtungen, welche sehr kleine offene Räume aufweisen (d.h. 5/1000stel Zoll oder 0,0127 cm oder weniger), die von Verunreinigungen befreit werden müssen, geeignet. Das Substrat kann in der Form einer kontinuierlichen Schicht oder in der Form von getrennten Partikeln vorliegen.
Das System zum Praktizieren des Verfahrens der vorliegenden Erfindung umfaßt:
(a) eine Kammer, um ein Endreaktionsbad aufzunehmen, welches ein ausgewähltes Oxidationsmittel umfaßt, wobei ein Anfangsreaktionsbad in der Kammer zur Verfügung gestellt wird und ein ausgewähltes flüssiges Reaktionsmedium für das ausgewählte Oxidationsmittel umfaßt; und
(b) ein Mittel, welches mit der Kammer verbunden ist, um das ausgewählte Oxidationsmittel in das Anfangsreaktionsbad zu dosieren, um das Endreaktionsbad zu bilden und um das ausgewählte Oxidationsmittel kontinuierlich in das Endreaktionsbad zu dosieren.
Das vorliegende System kann wahlweise ein Mittel einschließen, welches mit der Kammer verbunden ist, um Luft oder Sauerstoff durch das Anfangs- und Endreaktionsbad zu blasen. Als eine weitere Option kann das vorliegende System ein Mittel einschließen, welches in der Kammer angeordnet ist, um das Endreaktionsbad zu erwärmen.
Gemäß alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Sprühmittel in der Reinigungskammer zur Verfügung gestellt, entweder oberhalb oder unterhalb der Oberfläche des Reaktionsbades, um dem Reaktionsbad kinetische Energie zuzuführen und somit die Wirksamkeit des vorliegenden Verfahrens beim Entfernen von Verunreinigungen zu verbessern. Andere Mittel zum Übertragen von kinetischer Energie auf das Reaktionsbad, wie z.B. Ultraschallenergie, können alternativ verwendet werden.
Als ein zusätzliches Merkmal der vorliegenden Erfindung werden, nachdem das Substrat wie hierin beschrieben behandelt wurde um Verunreinigungen zu entfernen, restliche alkalische Materialien (Alkalien oder Alkalisalze), welche auf dem Substrat zurückbleiben, neutralisiert. Geeignete Neutralisierungsmittel schließen eine breite Vielzahl von schwachen Säuren, wie z.B. Carbonsäuren, ein. Ein bevorzugtes Neutralisierungsmittel umfaßt heißes Kohlensäurewasser, welches bei 32 bis 71,1ºC (90 bis 160ºF) angewendet wird. Das Kohlensäurewasser kann durch Sprudeln von Kohlendioxid in entionisiertes Wasser gebildet werden. Die Verwendung der Kohlensäurewasserspülung hält das Spülwasser unter einem pH von 9,5, was die reglementierte Grenze für die Entsorgung in einen Abwasserkanal ist. Nach dem Neutralisierungsschritt wird das Substrat bei 32 bis 71,1ºC (90 bis 160ºF) in heißem Wasser gespült, vorzugsweise unter Luftrührung, und dann vorzugsweise mit heißer Luft getrocknet. In einer beispielhaften Chargen-Verarbeitungstechnik, bei welcher verunreinigte Substrate in eine Kammer gefüllt und dann der Reihe nach mit der vorliegenden Zusammensetzung, dem Neutralisierungsmittel, Wasser und heißer Luft behandelt werden, können typischerweise die folgenden ungefähren Bearbeitungszeiten angewendet werden: Schritt Zeit Exposition des verunreinigten Substrates in dem vorliegenden Verfahren Neutralisation Spülung mit heißem Wasser Trocknen mit heißer Luft Minuten
Die oben angegebenen Zeiten sind nur für eine Wasserstoffperoxid-Zusammensetzung beispielhaft und können wie benötigt geändert werden. Beispielsweise können diese Zeiten verlängert werden, wenn ein komplexes Substrat, wie z.B. eine hochverdichtete elektronische Vorrichtung, unter Verwendung einer Wasserstoffperoxid-Zusammensetzung gereinigt wird. Diese Zeiten können eine beträchtliche Änderung benötigen, wenn andere Oxidationsmittel verwendet werden.
Alternativ kann das vorliegende Verfahren als ein "Reihen"- Verfahren praktiziert werden. Die verunreinigten Substrate werden in einen Ständer geladen und der Ständer wird in Folge in eine Reihe von Kammern abgesenkt, welche in dieser Reihenfolge die vorliegende Zusammensetzung, das Neutralisierungsmittel und Sprüher für entionisiertes Wasser enthalten. Als noch eine andere Alternative kann diese Reihenverarbeitung durch ein mit einem Förderband versehenes System ausgeführt werden.
Nachdem das Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt wurde, wird das Substrat aus der Kammer, welche das Reaktionsbad enthält, entfernt. Die Ausgangszusammensetzung des Reaktionsbades wird dann durch die Zugabe von Wasserstoffperoxid oder einem anderen Oxidationsmittel, und wenn notig, der anderen Bestandteile der Zusammensetzung, wiederhergestellt. Somit bleibt die Hauptmenge des Reinigungslösungsmittels an ihrem Ort und benötigt keine Entsorgung. Eher wird die Zusammensetzung in situ durch die Zugabe von Bestandteilsmaterialien wie benötigt regeneriert.
Als ein zusätzliches Merkmal der vorliegenden Erfindung entfernt das vorliegende Verfahren Metalloxide von dem Substrat und dient somit ebenfalls als ein Lötaufheller. Dies beseitigt die Notwendigkeit für ein zweites Verfahren, wie z.B. eine Behandlung mit Fluorborsäure.
Ein beispielhaftes System zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 1 gezeigt. Das Reaktionsbad 10, welches vorher beschrieben wurde, wird in einer Kammer 12 als das Anfangsreaktionsbad zur Verfügung gestellt, welches die alkalische Verbindung, das Benetzungsmittel und gereinigtes Wasser umfaßt. Wasserstoffperoxid wird beispielsweise aus einem Behälter 14 über ein Dosiermittel 16 kontinuierlich in das Reaktionsbad 10 dosiert. Das Dosiermittel 16 kann beispielsweise eine Pumpe umfassen, wie z.B. eine chemische Dosierpumpe, welche von der Pulse Feeder Inc. aus Punta Gorda, Florida, erhalten wird. Das Dosiermittel 16 wird so eingestellt, daß das Wasserstoffperoxid mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, beispielsweise ca. 0,004 bis 1500 Milligramm Wasserstoffperoxid pro Minute pro Gallone Fluid in dem Reaktionsbad, in das Reaktionsbad eingeführt wird, was eine konstante Konzentration von Wasserstoffperoxid von ca. 0,01 bis 4,0 Prozent zur Verfügung stellt. Wahlweise wird Luft oder Sauerstoff aus dem Gasvorrat 18 über ein Durchblasmittel 20 in das Reaktionsbad 10 eingeführt. Das Durchblasmittel 20 kann bekannte Mittel umfassen, wie z.B. eine Verteileranordnung, welche ein Rohr oder eine Röhre mit Löchern oder Öffnungen an vorbestimmten Stellen umfaßt. Das Durchblasmittel 20 wird so eingestellt, daß Luft oder Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,001 bis 1 Standardkubikfuß pro Minute in das Reaktionsbad eingeführt wird. Ein Erwärmungsmittel 22 wird in dem Reaktionsbad 10 zur Verfügung gestellt, um das Reaktionsbad auf eine Temperatur in dem Bereich von ca. 32 bis 71,1ºC (90 bis 160ºF) zu erwärmen. Das Erwärmungsmittel 22 kann bekannte Mittel umfassen, wie z.B. einen Edelstahltauchsieder, welcher von der Thermo- Coil Manufacturing aus West Newton, Pennsylvania, erhalten wird. Das zu behandelnde Substrat wird auf einen Substrathalter 23 gestellt, wie z.B. eine Spannvorrichtung (parts fixture), welche über Klammern (nicht gezeigt) an den Innenwänden der Kammer 12 befestigt ist, oder beweglich in der Kammer vorliegen kann oder durch bekannte Mittel (nicht gezeigt) in das Reaktionsbad 10 abgesenkt werden kann. Alternativ kann der Substrathalter 23 ein Gestell umfassen, welches auf der Bodenoberfläche der Kammer 12 verbleibt.
Wahlweise kann in der Kammer 12 ein Sprühmittel 46 zur Verfügung gestellt werden, welches unterhalb der Oberfläche des Reaktionsbades 10 angeordnet sein kann, wie in Fig. 2 gezeigt, oder oberhalb der Oberfläche des Reaktionsbades 10, wie in Fig. 3 gezeigt. Das Sprühmittel 46 kann beispielsweise einen Verteiler mit einer Sprühbank umfassen, d.h. eine Röhre oder ein Rohr, an welchem an vorbestimmten Stellen entlang dessen Länge Sprühdüsen 48 angeordnet sind. Die zu sprühende Flüssigkeit, nämlich das Endreaktionsbadfluid, wird an einem Einlaß 50 in das Sprühmittel 46 eingeführt. Mittel (nicht gezeigt), wie z.B. Pumpen und Schläuche, werden zum Transportieren eines Teils des Endreaktionsbades zum Einlaß 50 zur Verfügung gestellt. Die Düse muß für die gesprühte Flüssigkeit eine ausreichende kinetische Energie erzeugen, um das Substrat angemessen zu reinigen. Es wurde gefunden, daß Düsendrucke in dem Bereich von ca. 10 bis 90 Pfund pro Quadratzoll (0,70 bis 6,33 kg/cm²) am nützlichsten waren. Zusätzlich wurde es vorteilhaft gefunden, eine Düse zu verwenden, welche ein konisches Sprühmuster von ca. 45 bis 90 Grad zur Verfügung stellt. Darüber hinaus wurde gefunden, daß eine Düse, welche eine große Tropfengröße, beispielsweise ca. 1800 Mikrometer im Durchmesser, zur Verfügung stellt, vorteilhaft zum Sprühen unter der Flüssigkeit ist. Eine Düse, welche diese Anforderungen erfüllt, ist kommerziell von der Spraying Systems Corporation aus Wheaton, Illinois, erhältlich.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche in Fig. 2 gezeigt ist, ist das Sprühmittel 46 unterhalb der Oberfläche 51 des Reaktionsbades 10 angeordnet. Das gesamte Sprühmittel 46 oder wenigstens die Düsen 48 sind in dem Reaktionsbad 10 eingetaucht. Der Substrathalter 23 ist in dem Reaktionsbad 10 unter dem Sprühmittel 46 und in einem vorbestimmten Abstand zu den Düsen 48 angeordnet. Der Abstand wird so ausgewählt, daß er nahe genug an den Düsen liegt, so daß die gesprühte Flüssigkeit eine ausreichende kinetische Energie hat, um das Substrat wirksam zu reinigen, und weit genug von den Düsen entfernt ist, um Hardwarekonfigurationen mit großen Ausmaßen aufzunehmen. Es wurde gefunden, daß ein Abstand von ca. 0,25 bis 4,0 Zoll (0,6 bis 10,2 cm) zwischen dem Substrathalter 23 und der Düse 48 nützlich ist. Die zu reinigenden Substrate werden auf den Substrathalter 23 gestellt, welcher so konfiguriert ist, daß er das Substrat an seinem Platz hält, wenn es der Kraft des Sprays aus den Düsen 48 unterworfen wird. Zusätzlich ist es vorteilhaft, das Substrat in Bezug auf die Düse so anzuordnen, daß die gesprühte Flüssigkeit aus der Düse 48 beispielsweise den Rand eines angebrachten Bauteils streift, so daß die Flüssigkeit wirkungsvoll in die kleine Lücke unter dem Bauteil gezwungen werden kann. Zur Vereinfachung sind das Dosiermittel 16 und das Durchblasmittel 20, welche in Fig. 1 gezeigt sind, in der Fig. 2 ausgelassen worden, aber es ist beabsichtigt, daß sie enthalten sind. Wie vorher angemerkt, kann anstelle des Sprühmittels ein anderes Mittel zum Übertragen von kinetischer Energie auf das Reaktionsbad verwendet werden.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche in Fig. 3 gezeigt ist, ist das Sprühmittel 46 mit den Düsen 48 oberhalb der Oberfläche 51 des Reaktionsbades 10 angeordnet. Der Substrathalter 23 ist ebenfalls über der Oberfläche 51 und unter dem Sprühmittel 46 in einem vorbestimmten Abstand von den Düsen 48 angeordnet. Mit der Ausnahme der Lage des Sprühmittels 46 und des Substrathalters 23 treffen die oben mit Bezug auf Fig. 2 diskutierten Details ebenfalls auf Fig. 3 zu. Wie vorher angemerkt, kann ein anderes Mittel zum Übertragen von kinetischer Energie auf das Reaktionsbad anstelle des Sprühmittels verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nach dem Einwirkenlassen des Reaktionsbades, welches Wasserstoffperoxid enthält, auf das Substrat, das Substrat der Reihe nach mit einem Neutralisierungsmittel, Wasser und heißer Luft behandelt, wie vorher beschrieben wurde. Wieder zurück zu Fig. 1, wird dort entionisiertes Wasser 24 gezeigt, welches in der Kammer 26 zur Verfügung gestellt wird. Kohlendioxid aus einem Gasvorrat 28 wird in das entionisierte Wasser 24 eingeführt, indem der Verteiler 30 mit einer Geschwindigkeit von ca 1 Standardkubikfuß pro Minute durchgeblasen wird, um Kohlensäurewasser zu erzeugen. Ein Wärmemittel 32 wird in dem entionisierten Wasser 24 zur Verfügung gestellt, um das letztere auf eine Temperatur von ca. 32 bis 71,1ºC (90 bis 160ºF) zu erwärmen. Das warme Kohlensäurewasser in der Kammer 26 neutralisiert das restliche alkalische Material auf dem Substrat, welches in dem Reaktionsbad 10 behandelt wurde. Andere Neutralisierungsmittel, beispielsweise schwache Säuren, wie z.B. Carbonsäuren, können verwendet werden.
Ein abschließendes Spülbad, welches entionisiertes Wasser 34 umfaßt, wird in einer Kammer 36 zur Verfügung gestellt. Ein Wärmemittel 38 wird in dem entionisierten Wasser 34 zur Verfügung gestellt, um das letztere auf eine Temperatur von ca. 32 bis 71,1ºC (90 bis 160ºF) zu erwärmen.
Das Trocknen des behandelten Substrates wird erreicht, indem es an heiße Luft aus Luft-Schlitzdüsen (air knives) 40 und/oder an ein Infrarotwärmemittel 42 ausgesetzt wird. Die zu trocknenden Substrate können wahlweise auf ein Förderband 44 gestellt werden, um die Effizienz dieses Verfahrensschrittes zu verbessern.
Wahlweise kann der Substrathalter 23, welcher die zu behandelnden Substrate enthält, auf ein Förderband gestellt werden, welches sich der Reihe nach von dem Reaktionsbad, zu dem Neutralisierungsbad, zu der abschließenden Wasserspülung und zu der Trockenkammer bewegt.
Im Hinblick nun auf Fig. 4 wird dort eine Schar von Kurven dargestellt, welche die Änderung der Wasserstoffperoxid- Konzentration als eine Funktion der Zeit gemäß der vorliegenden Erfindung (Kurve A), im Vergleich zu einem früheren Verfahren (Kurve B), zeigen. Gemäß dem früheren Verfahren wurde ein einziges großes Aliquot von Wasserstoffperoxid zu dem Reaktionsbad zugegeben (d.h. eine Chargen-Zugabe). Bei der Chargen-Zugabe betrug die durchschnittliche Konzentration, welche in dem Bad über eine Periode von 100 Minuten festgestellt wurde, 0,07 mg/ml, was ungefähr 0,1 des Anfangswertes war, und 28 Gramm Wasserstoffperoxid wurden verbraucht. Wenn im Gegensatz dazu Wasserstoffperoxid gemäß der vorliegenden Erfindung kontinuierlich unter Durchblasen von Luft in das Reaktionsbad dosiert wurde, betrug die durchschnittliche Konzentration von Wasserstoffperoxid in dem Reaktionsbad über eine Periode von 100 Minuten hinweg 0,4 mg/ml. Der letztere Wert entspricht ungefähr sechsmal dem Wert, welcher in dem Chargen-Zugabeverfahren erreicht wurde. Zusätzlich wurden in dem vorliegenden Verfahren während derselben Zeitperiode nur 23 Gramm Wasserstoffperoxid verbraucht, verglichen mit den 28 Gramm, die durch das frühere Verfahren verbraucht wurden. Wie in Fig. 4 gezeigt, wird somit gemäß der vorliegenden Erfindung das Wasserstoffperoxid in dem Endreaktionsbad eine ausgedehnte Zeitperiode lang bei einem wirksamen Niveau gehalten, was es möglich macht, daß die Verunreinigungen auf eine gleichmäßige und kontrollierte Weise von dem Substrat entfernt werden.
Fig. 5 zeigt eine Schar von Kurven, welche die Wirkung von Luft und Stickstoff als dem Durchblasgas auf die Wasserstoffperoxid-Konzentration in dem Endreaktionsbad bei verschiedenen Temperaturen zeigen. Wie in Fig. 5 gezeigt, erzeugt die Verwendung von Luft als dem Durchblasgas (in den Kurven C1, C2 und C3), verglichen mit der Verwendung von Stickstoff als dem Durchblasgas (in den Kurven D1, D2 und D3), bei allen untersuchten Temperaturen eine kleine aber gleichmäßige Verbesserung der Wasserstoffperoxid- Gleichgewichtskonzentration.
Praktische Beispiele der vorliegenden Erfindung sind wie folgt.

BEISPIEL 1

Testproben

Das unten beschriebene Testen wurde mit gedruckten IPC-B-36 Schaltungsanordnungen (PWA's), welche von Cartel Electronics aus Placentia, Kalifornien, erhalten wurden, durchgeführt, wobei vier elektronische Bauteile mit 68 leitungsfreien Eingabe/Ausgabe Keramik-Chip-Trägern (LCC's) auf jedem PWA angebracht waren. Abstände unter den LCC's stellten eine 5/1000stel Zoll (0,013 cm) große Luftlücke zwischen der PWA-Oberfläche und dem Boden der LCC's zur Verfügung. Die LCC's wurden durch Dampfphasen-Aufschmelzlötung mit einem schwach aktivierten Kolophonium(RMA)-Flußmittel in einer Lötpaste auf den PWA's angebracht. Die PWA's wurden nachfolgend dem Wellenlötverfahren unterworfen, um ein durchkontaktiertes Löten der Bauteile zu simulieren, welches zusätzliches aktiviertes Kolophonium(RA)-Flußmittel auf den PWA aufbringt.

Testlösung

Die Testlösung, welche verwendet wurde um die Testproben wie unten beschrieben zu reinigen, umfaßte eine Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung, welche die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent in 45 Gallonen entionisiertem Wasser aufwies, das auf 160ºF (71,1ºC) erwärmt worden war:
1,0% Wasserstoffperoxid
0,2% Benetzungsmittel (2-Ethylhexylsulfat)
0,3% Natriumhydroxid
0,5% Natriummetasilicat
1,0% Natriumcarbonat.

Allgemeines Testverfahren

Die zu reinigenden Proben wurden wie vorher hierin beschrieben behandelt, wobei eine Reaktionsphase, d.h. eine Behandlung mit der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung, gefolgt von zwei Spülphasen und einer Trockenphase angewendet wurde. Die Entfernung des Flußmittels von den Testproben fand in der Reaktionsphase statt. Die Spül- und Trockenphasen wurden in einem kommerziell entworfenen aus Polypropylen konstruierten Reihen-Wasserreinigungssystem durchgeführt, welches bei Westek aus Arcadia, Kalifornien, gekauft wurde. Die Spülung im ersten Stadium bestand aus entionisiertem Wasser, welches auf 150ºF (65,5ºC) erwärmt war. Die Spülung im zweiten Stadium bestand aus entionisiertem Wasser, welches auf 140ºF (60ºC) erwärmt war. Das Trockenstadium, welches aus Infrarot-Erwärmung und komprimierter Luft bestand, wurde bei 160ºF (71,1ºC) betrieben. Die Testproben wurden über dem Flüssigkeitsniveau durch die Phasen dieses Systems auf einem Förderband bearbeitet, welches sich mit 2,5 ft/min (0,76 Meter/min) bewegte. Dieses entspricht ungefähr 1 Minute in jeder Phase. Das Spülwasser wurde über ein Pumpen durch Sprühdüsen, die direkt über und unter dem Förderband angebracht waren und auf dieses auftrafen, auf die Test-PWA's angewendet.
Nach dem Reinigen der Testproben wurde das Ausmaß des eingeschlossenen Flußmittels bestimmt, indem die LCC's durch Heißluft-Aufschmelztechniken entfernt wurden, gefolgt von einer visuellen Untersuchung der exponierten Fläche. Der Prozentsatz von entferntem Flußmittel wurde durch Vergleich mit ungereinigten PWA's, welche so betrachtet wurden, als würden sie 100% zurückbleibendes Flußmittel aufweisen, visuell quantifiziert. Von den Testproben, welche gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt wurden, wurde alles Oberflächenflußmittel (d.h. Flußmittel auf Flächen, die nicht durch LCC's bedeckt waren) entfernt.

Spezifisches Testverfahren und Ergebnisse

Dieses Beispiel zeigt Daten, welche die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung beim Entfernen von eingeschlossenem Flußmittel von den Testproben, welche oben beschrieben wurden, zeigen und liefert Vergleichsdaten für zwei Düsen- Systeme, nämlich ein Nadeldüsen-Sprühsystem und ein konisches Spühdüsensystem. Das letztere wurde von Westek aus Arcadia, Kalifornien, erhalten. Das Nadeldüsen-Sprühsystem bestand aus vier Edelstahlrohren mit 0,5 Zoll (1,27 cm) im Durchmesser und 16 Zoll (40,6 cm) in der Länge, auf welchen parallel vierzehn 0,054 Zoll (0,14 cm) Edelstahlsprühnadem, 1 Zoll (2,54 cm) lang, pro Rohr angebracht waren, die im Abstand von 1 Zoll (2,54 cm) angeordnet waren, und durch Löten befestigt waren. Die Rohre wurden oberhalb der zu reinigenden Hardware montiert, wobei die Nadeldüsen in einer senkrechten Weise nach unten auf die Hardware zeigten. Die Testproben wurden in einem System behandelt, welches die in Fig. 2 hierin beschriebene Konfiguration aufwies, mit Sprühmitteln in dem Reaktionsbad, unterhalb dem Flüssigkeitsniveau.
Die Testdaten, welche in Tabelle I dargestellt sind, zeigen die Prozente an eingeschlossenem Flußmittel, welche durch die zwei Düsensprühsysteme bei verschiedenen Längen der Expositionsdauer entfernt wurden. TABELLE I FLUßMITTELENTFERNUNG GEGEN EXPOSITIONSDAUER MIT UNTERSCHIEDLICHER DÜSENGESTALTUNG Flußmittelentfernung Expositionsdauer (Minuten) Sprühverfahren Sprühdruck Nadeldüsen konische Düsen
Diese Testergebnisse zeigen, daß die vorliegende Erfindung beim Entfernen von eingeschlossenem Lötflußmittel von unterhalb der Oberfläche auf PWA's angebrachten Vorrichtungen (d.h. LCC's) mit 5/1000stel Zoll (0,013 cm) Luftlücken sehr wirksam ist. Die Wirksamkeit des vorliegenden Verfahrens wird verbessert, indem eine hohe Flußgeschwindigkeit und Düsen mit konischem Sprühmuster verwendet werden.

Beispiel 2

Testproben

Die Testproben waren dieselben, wie sie in Beispiel 1 oben beschrieben wurden.

Testlösung

Die Testlösung, welche verwendet wurde um die Testproben zu reinigen, war dieselbe, wie sie in Beispiel 1 oben beschrieben wurde.

Allgemeines Testverfahren

Das allgemeine Testverfahren, welchem gefolgt wurde, war dasselbe, wie es in Beispiel 1 oben beschrieben wurde.

Spezifisches Testverfahren und Ergebnisse

Dieses Beispiel zeigt Daten, welche die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung beim Entfernen von eingeschlossenem Flußmittel von den Testproben, welche oben beschrieben wurden, zeigen und liefert Vergleichsdaten für konische Düsensprühsysteme über dem Flüssigkeitsniveau, wie sie in Fig. 3 hierin beschrieben sind, und unterhalb dem Flüssigkeitsniveau, wie sie in Fig. 2 hierin beschrieben sind. Es wurde ein konisches Düsensprühsystem, welches von Westek aus Arcadia, Kalifornien, erhalten wurde, verwendet.
Die Testdaten, welche in Tabelle II gezeigt sind, zeigen die Prozente von eingeschlossenem Flußmittel, welche durch die zwei Sprühverfahren bei unterschiedlichen Sprühdrucken entfernt wurden. TABELLE II FLUßMITTELENTFERNUNG GEGEN SPRÜHDRUCK FÜR UNTERSCHIEDLICHE DÜSENPOSITIONEN Flußmittelentfernung Sprühdruck Sprühverfahren Expositionsdauer unterhalb der Flüssigkeit oberhalb der Flüssigkeit Minuten
Die Testergebnisse zeigen, daß die vorliegende Erfindung beim Entfernen von eingeschlossenem Lötflußmittel von unterhalb der Oberfläche auf PWA's angebrachten Vorrichtungen mit 5/1000stel Zoll (0,013 cm) Luftlücken (d.h. LCC's) wirksam ist, sowohl bei der Verwendung von Düsen oberhalb des Flüssigkeitsniveaus als auch unterhalb des Flüssigkeitsniveaus.

Testproben

Das unten beschriebene Testen wurde auf Glas-Deckgläschen durchgeführt, welche mit Glas-Basisplatten verbunden waren, wobei Luftlücken von 3 Millizoll (0,008 cm) zwischen dem Deckgläschen und der Basisplatte vorlagen, um auf der Oberfläche angebrachte elektronische Vorrichtungen auf Leiterplatten zu simulieren. Auf Kolophonium basierendes Lötflußmittel wurde auf die Luftlücken zwischen den Deckgläschen und den Basisplatten angewendet, welche dann fünf Minuten lang bei 450ºF (232ºC) gebrannt wurden, um den Lötvorgang zu simulieren. Das Ausmaß des eingeschlossenen Flußmittels wurde für jede Testprobe bestimmt, indem visuell der Prozentsatz des Oberflächenbereiches unter dem Deckgläschen, welcher mit Flußmittel bedeckt war, quantifiziert wurde.

Testlösung

Die Testlösung, welche verwendet wurde, um die Testproben wie unten beschrieben zu reinigen, umfaßte eine Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung, welche die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent in entionisiertem Wasser, das auf 160ºF (71,1ºC) erwärmt wurde, aufwies:
4,0% Wasserstoffperoxid
0,2% Benetzungsmittel (2-Ethylhexylsulfat)
0,3% Natriumhydroxid
0,5% Natriummetasilicat
1,0% Natriumcarbonat.

Allgemeines Testverfahren

Die zu reinigenden Proben wurden wie vorher in Beispiel 1, Allgemeines Testverfahren, beschrieben behandelt, indem eine Reaktionsphase, d.h. eine Behandlung mit der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung, gefolgt von zwei Spülphasen und einer Trocknungsphase angewendet wurde. Die Entfernung von Flußmittel von den Testproben geschah in der Reaktionsphase. Die Spülungen des ersten und zweiten Stadiums bestanden aus entionisiertem Wasser, welches auf 140ºF (60ºC) erwärmt wurde. Nach dem Reinigen der Testproben wurde das Ausmaß von eingeschlossenem Flußmittel visuell bestimmt, indem visuell der Prozentsatz des mit Flußmittel bedeckten Oberflächenbereichs quantifiziert wurde, welcher zwischen dem Deckgläschen und der Basisplatte zurückblieb.

Spezifisches Testverfahren und Ergebnisse

Dieses Beispiel präsentiert Daten, welche die deutliche Verbesserung beim Entfernen von eingeschlossenem Flußmittel von den Testproben zeigen, die durch Verwendung eines Sprühmittels in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erreicht wurde. Die Testdaten, welche in Tabelle III dargestellt sind, zeigen die Prozente von eingeschlossenem Fluß mittel, die von den Testproben entfernt wurden, welche gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ohne ein Sprühmittel (Testproben Nr. 1 - 5) und gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung mit einem Sprühmittel (Testproben Nr. 6 - 10) behandelt wurden. Das Sprühmittel umfaßte das Nadeldüsen-Sprühsystem, welches in Beispiel 1 beschrieben ist. Das Sprühmittel war unterhalb des Flüssigkeitsniveaus des Reaktionsbades angeordnet, wie in Fig. 2 hierin gezeigt ist. TABELLE III FLUßMITTELENTFERNUNG OHNE UND MIT SPRÜHMITTEL Flußmittelentfernung Testprobe Nr. Ohne Sprühen Mit Sprühen
Diese Testergebnisse zeigen, daß die vorliegende Erfindung deutlich effektiver beim Entfernen von eingeschlossenem Flußmittel war, wenn ein Sprühmittel verwendet wurde.
Während sich die vorausgehende Diskussion auf die Verwendung der vorliegenden Zusammensetzung und des Verfahrens zum Entfernen von Flußmittelrückständen von festen Substraten konzentriert hat, ist es nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf diese besondere Verunreinigung zu beschränken. Es ist eher beabsichtigt, die Entfernung von anderen organischen Materialien außer Flußmittelrückständen und anderen Verunreinigungen außer organischen Materialien in den Umfang der vorliegenden Erfindung einzuschließen. Beispielsweise können die vorliegende Zusammensetzung und das Verfahren verwendet werden, um Verunreinigungen zu entfernen, welche anorganische Materialien, wie z.B. Ionenarten, enthalten.
Indem somit beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, sollte von den Fachleuten anerkannt werden, daß die darin enthaltenen Offenbarungen nur beispielhaft sind, und daß verschiedene andere Alternativen, Anpassungen und Modifikationen im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemacht werden können. Demgemäß ist die vorliegende Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen, wie sie hierin dargestellt wurden, beschränkt, sondern ist nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

1. Ein Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem ausgewählten festen Substrat durch Behandeln mit einem Endreaktionsbad, das ein ausgewähltes Oxidationsmittel umfaßt, wobei das Verfahren umfaßt:

a) Zur-Verfügung-Stellen eines Anfangsreaktionsbades, das ein ausgewähltes flüssiges Reaktionsmedium für das ausgewählte Oxidationsmittel umfaßt;

b) Dosieren des ausgewählten Oxidationsmittels in das Anfangsreaktionsbad, um das Endreaktionsbad herzustellen, und Dosieren des ausgewählten Oxidationsmittels in das Endreaktionsbad bei einer vorgegebenen ausreichenden Geschwindigkeit, um wirksame Gehalte des Oxidationsmittels im Endreaktionsbad zur Verfügung zu stellen, wobei das ausgewählte Oxidationsmittel ein Material umfaßt, welches mit der Verunreinigung reagiert, um die Verunreinigung aus dem Substrat, ohne eine nachteilige Wirkung auf das Substrat, zu entfernen; und

c) Einwirkenlassen des Endreaktionsbades, das das dosierte Oxidationsmittel enthält, auf das Substrat mit den Verunreinigungen, wodurch das Oxidationsmittel in dem Endreaktionsbad mit einem wirksamen Gehalt für einen verlängerten Zeitraum gelassen wird, um dadurch die Verunreinigungen aus dem Substrat in einer einheitlichen und kontrollierten Weise zu entfernen.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin vor Schritt (c) das Übertragen von kinetischer Energie auf die Anfangs- und Endreaktionsbäder und Beibehalten des Übertragens von kinetischer Energie während des Einwirkenlassens in Schritt (c) umfaßt.

3. Das Verfahren nach Anspruch 2, worin das Übertragen der kinetischen Energie auf die Anfangs- und Endreaktionsbäder das Durchblasen der Reaktionsbäder mit Luft oder Sauerstoff bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit umfaßt.

4. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin das Einwirkenlassen auf das Substrat das Endreaktionsbad, das in der Form eines Sprays zur Verfügung gestellt wird, umfaßt, und das Spray innerhalb des Endreaktionsbades oder über der Oberfläche des Endreaktionsbades angeordnet ist.

5. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin das Einwirkenlassen des Endreaktionsbades oberhalb der Raumtemperatur durchgeführt wird.

6. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin das ausgewählte Oxidationsmittel ein aus Wasserstoffperoxid, Hypochlorit-, Chlorit-, Chlorat-, Bromat-, Persulfat-, Perborat- und Percarbonatsalzen ausgewähltes Material umfaßt.

7. Das Verfahren nach Anspruch 3, worin:

(a) das Anfangsreaktionsbad umfaßt: (1) eine alkalische Verbindung in ausreichender Menge, um einen pH von 10,5 bis 14,0 im Endreaktionsbad zur Verfügung zu stellen;

(2) ein ausgewähltes Benetzungsmittel, welches in der Gegenwart der alkalischen Verbindung und des Wasserstoffperoxids stabil ist; und

(3) entionisiertes Wasser;

(b) das Wasserstoffperoxid in die Anfangs- und Endreaktionsbäder bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 0,004 mg Wasserstoffperoxid pro Minute pro 3,785 10&supmin;³ m³ (Gallone) des Reaktionsbadfluids oder höher dosiert wird; und

(c) die Anfangs- und Endreaktionsbäder mit Luft oder Sauerstoff bei einer Geschwindigkeit innerhalb des Bereiches von ungefähr 28,317 10&supmin;&sup6; m³/min bis 28,317 10&supmin;³ m³/min (0,001 bis 1 Standardkubikfuß pro Minute) durchgeblasen werden.

8. Das Verfahren nach Anspruch 7, worin das Einwirkenlassen des Endreaktionsbades bei einer Temperatur innerhalb des Bereichs von 32 bis 100ºC (90 bis 212ºF) durchgeführt wird.

9. Das Verfahren nach Anspruch 7, das nach Einwirkenlassen des Endreaktionsbades auf das Substrat, weiterhin Neutralisieren der restlichen alkalischen Verbindung oder deren Produkte auf dem Substrat, Spülen des Substrates mit Wasser, und Trocknen des Substrates umfaßt.

10. Ein System zum Entfernen von Verunreinigungen von einem ausgewählten festen Substrat, mit einem ausgewählten Oxidationsmittel, wobei das System folgendes umfaßt

a) eine erste Kammer, die ein Endreaktionsbad beinhaltet, worin ein Anfangsreaktionsbad in der ersten Kammer vorgesehen ist, das ein ausgewähltes flüssiges Reaktionsmittel für das ausgewählte Oxidationsmittel umfaßt; und

b) mit der ersten Kammer verbundene Mittel zum Dosieren des ausgewählten Oxidationsmittels in das Anfangsreaktionsbad, um das Endreaktionsbad herzustellen und um das ausgewählte Oxidationsmittel kontinuierlich in das Endreaktionsbad zu dosieren.

11. Das System nach Anspruch 10, das weiterhin innerhalb der ersten Kammer angeordnete Mittel zum Erwärmen des Endreaktionsbades umfaßt.

12. Das System nach Anspruch 10, das weiterhin mit der ersten Kammer verbundene Mittel zum Übertragen von kinetischer Energie auf das Anfangsreaktionsbad und das Endreaktionsbad umfaßt.

13. Das System nach Anspruch 10, das weiterhin Sprühmittel umfaßt, um das Endreaktionsbad in der Form eines Sprays zur Verfügung zu stellen.

14. Das System nach Anspruch 13, worin das Sprühmittel und das Substrat innerhalb des Endreaktionsbades angeordnet sind, und das Sprühmittel oberhalb des Substrates angeordnet ist.

15. Das System nach Anspruch 13, worin das Sprühmittel und das Substrat oberhalb der Oberfläche des Endreaktionsbades angeordnet sind, und das Sprühmittel oberhalb des Substrates angeordnet ist.

16. Das System nach Anspruch 10, das weiterhin Mittel zum Entfernen von unerwünschtem Rückstand des Endreaktionsbades von dem Substrat umfaßt.

17. Das System nach Anspruch 10, das weiterhin Mittel zum Halten des Substrates zum Einwirkenlassen des Endreaktionsbades umfaßt.