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2020-01-14

PCB组装除助焊剂清洗韦德国际1946官方网站分享:PCB清洗工艺及半水清洗工艺的应用

发布者:韦德国际1946官方网站Unibright ; 浏览次数:245

PCB组装除助焊剂清洗韦德国际1946官方网站分享:PCB清洗工艺及半水清洗工艺的应用


摘要:清洗是PCB组装中的一道重要工序,它对电子产品的质量和可靠性起着极为重要的作用。对于高性能电子产品,不论是通孔插装还是表面组装,在回流焊、波峰焊或浸焊后,基板及其组件都需要进行严格有效的清洗,以去除助焊剂残留物和各种污染物。特别是对于表面组装工艺,由于助焊剂可进入表面组装元器件和基板之间的微小空隙中,从而使清洗显得更为困难也更显重要。主要介绍了PCB组件电装生产中清洗的必要性和常见的清洗方法,着重论述了对PCB半水清洗机的试验及应用。

关键词:焊接工艺;残留物;清洗工艺;半水清洗

 

1 产品清洗的必要性及概述

1.1 一般产品清洗的必要性

经过焊接后的PCB会有助焊剂残留,这是焊接过程中不可避免的,残留在PCB上的助焊剂随着时间的推移会逐渐粉化,同时随着环境中的湿度、灰尘油烟、静电及各种有害气体的侵蚀,粉化的助焊剂会不断吸收这些杂质。对精密电路而言,由于污秽中盐分或酸碱及其气体和潮气或水分结合形成电解质溶液,加之碳渍或不活泼金属的存在充当原电池反应的阴极和阳极,使电路表面发生原电池反应,造成电化学腐蚀、漏电、短路和电迁移等;而干燥的灰尘也使触点接触不良而放电,以及造成散热不良和引发火灾事故;酸碱及其气体也直接通过氧化还原腐蚀电路;静电不同程度累积造成元件的软击穿和硬击穿。

因此电子产品装焊后的清洗效果直接关系到该产品的电气性能、工作寿命和可靠性。清洗也是高可靠性电子产品生产过程中的关键工序。另外选择何种清洗方式,更是一项十分重要而技术性很强的工作,也直接影响到电子产品的工作寿命和可靠性,也关系到环境的污染和人类健康[1]。

1.2 “免清洗”技术的概念

从广义上来说,免清洗技术是指印制板在焊接后不需采用任何溶剂清洗,而直接进入后道组装和测试工序的技术。从这个定义出发,对同一种助焊剂而言,当它应用在不同档次的产品生产时,它可以被认为是免清洗助焊剂,也可能被定义为需要清洗的助焊剂。例如在消费性电子产品的生产中,即使使用普通的松香型助焊剂,PCB在焊接以后,虽然板上留有明显的助焊剂残渣,但却不需要清洗,其产品的可靠性也是有目共睹的,因此,在讨论免清洗技术时,应当把特定的产品对象与工艺方法同时做出规定,因而我们对免清洗技术提出一个狭义的定义:“免清洗技术,是指在高可靠性电子产品和耐用电子产品的生产中,印制板在焊接后不需采用任何溶剂清洗,而直接进入后组装和测试工序的技术。”

这里,要搞清免清洗技术和免清洗工艺的区别。免清洗工艺是在产品生产过程中采用的一种工艺条件,在满足特定的免清洗工艺条件后是不需要再进行产品清洗的。而从上面讲述的免清洗技术的概念可以看出,引入免清洗技术并不是完全不用清洗,而是要根据产品的需求来决定需不需要清洗。实际上,有一个常见的错误概念就是使用了免清洗技术再不需要组件的清洗了。

2 电子产品污染物的来源及其危害

污染物是指任何使基板、元器件或组件的化学、物理和电性能降低的表面沉积物、杂质、夹渣以及被吸附物。在PCA的组装、组件安装和表面贴装过程中,焊剂的使用及焊接和生产环境等均会产生不同程度的污染物。

2.1 印制板和组件污染物的来源

2.1.1 元器件引线上的污染

最常见的污染物是表面氧化层和手印。形成表面氧化层的原因是元件的存放时间、环境和包装等。手印的主要成分是水、肤油和氯化钠以及护手用品。

2.1.2 装联操作中的污染

在装联过程中,对不需要焊接的部位多采用胶带、热塑化合物等掩膜保护起来。在高温焊接作用下,胶带粘结残的会变成难以去除的污染物,而残留在组件表面上。

2.1.3 助焊剂的污染:

一般助焊剂的作用是活化焊接表面,但也会带来一定腐蚀性的污染物,目前常用的松香型助焊剂及无机溶剂中的囟货物、氯化物或氢氧化物都可能变成有腐蚀性的污染物。

2.1.4 焊接过程中的污染:

印制板组件在焊接过程中会产生各种各样的污染,主要是印制板上微小的焊料球,焊料槽内的浮渣、焊料中的金属夹杂、防护油脂及其他污染物,波峰焊料中的防氧化油,其主要成分是动、植物油、矿物油和石腊等,在波峰焊后防氧化油会沉积在印制板组件上而造成污染。

2.1.5 工作环境的污染

工作场地尘埃、水及溶剂的蒸汽、烟雾、微小颗粒有机物以及静电引起的带电粒子,加重了对电子产品的污染。

2.2 污染物的危害分析

2.2.1 化学污染的危害

化学污染会造成氧化腐蚀,发生化学反应,这种腐蚀会造成金属机械强度下降,造成元件引线的断裂、印制线条断裂、金属化孔不良、可焊性下降和焊点变暗等严重危害。

2.2.2 物理污染的危害:

物理污染主要指印制板组件外观损坏,或由于湿气的凝聚、吸收和吸附作用,形成离子化污染、溶解进而活化潜在的污染危害,这种物理操作虽然不会影响短期内电路的工作性能,但会加速化学污染,带来更严重的危害。

2.2.3 机械污染的危害

有些产品在生产、使用过程中受到振动或磨擦的影响,造成印制板表面与粘结界面的损伤与污染,还会产生镀层损伤及氧化物,造成金属焊盘容易脱落的危害。

2.2.4 光学污染的危害

在光敏电路中,常会遇到污染物的聚集、灰尘的沉降以及其他污染物的沉积,影响了光敏电路对光的吸收或反射,造成电路信号的改变或终止,使灵敏度降低。

由于上述化学的、物理的、机械的和光学的污染,造成电路性能的危害,导致改变或终止电路的正常信号传输,出现电路中断或电阻增加或局部发热氧化,甚至电路短路。当在较高温度下和潮湿环境下,由于固体聚合物的分解,还会产生漏电流、介电常数及损耗系数的改变等不良现象,最终导致产品失效。

3 PCB板清洗的目的

通过清洗去除设备表面及元器件上的助焊剂、灰尘、纤维、金属和非金属及其氧化物碎屑、汗迹、指纹和油污等污垢,消除电路板漏电、电化学腐蚀的根源,消除导致电路性能改变、退化和失效的根源;

有效消除静电,防止电路软击穿及硬击穿,保证设备正常工作以及避免重大恶性事故的发生;

减少更换硬件(零件)的时间、数量和人力,降低维护成本;

防止设备老化,延长使用寿命,提高设备利用率(延长运行时间),增加运营收入,减少生产成本。

4 常见的清洗工艺

4.1 手工(酒精/异丙醇)清洗

效率低,清洗效果差,许多污染物会残留在元器件底部,同时在清洗过程中极易造成交叉污染,一般不能达到较高的清洁度要求。

4.2 超声波清洗机

清洗效果较好,但超声波应力可能对元器件(如晶振等)造成内部损伤,故不能适用于电子行业PCB清洗。

4.3 汽相清洗

采用氟碳溶剂(阐称CFC)清洗技术,清洗效果较好, 但科学家们发现CFC对大气臭氧层有破坏作用,不能符合环保要求。

4.4 免洗工艺

免洗工艺是指PCB经焊接后,不再进行任何清洗,采用免洗工艺的关键是要选择残余物十分低的新一代助焊剂和助焊剂涂覆方法,焊接方式最好采用氮气保护波峰焊或再流焊。实际上很难保证线路板组件在各环节不被污染,因此在进行三防涂覆前仍需进行清洗。

4.5 半水清洗

半水清洗是将溶剂清洗和水清洗组合起来的工艺方法,先用含表面活性剂的水冲洗(清洗溶剂加热温度及种类选择视残留物需要而定)再用去离子水漂洗的过程[2-4]。也是现今使用最广的一种工艺方法。

其清洗工艺流程通常为:半水溶剂浸没喷洗→去离子水冲洗→去离子水漂洗→干燥。

4.6 纯水清洗

目前有两种类型的水清洗技术,一种是采用皂化剂的水溶液:在60 ℃~70 ℃的温度下,皂化剂和松香型焊剂残留物反应,形成可溶于水的脂肪酸盐,然后用连续的水漂洗去除皂化反应产物,另一种是用于清洗非松香型水溶性焊剂的水清洗工艺。

其清洗工艺流程通常为:

a)φ(皂化剂)6%清洗→去离子水喷洗→去离子水漂洗→干燥(松香型)b)去离子水喷洗→去离子水漂洗→干燥(非松香型)

5 清洗中应注意的若干问题

5.1 助焊剂与清洗的关系

助焊剂与清洗是紧密相关的两个部分,助焊剂的作用是除去焊接表面的氧化物,但同时它的残留物也是污染物的主要来源,不同的助焊剂应选用不同的清洗剂及清洗工艺。

5.2 元器件封装类型与清洗的关系

随着表面贴装元器件的发展,使得表面贴装组件的清洗变的越来越困难,细间距的QFP、PLCC和SOIC等复杂器件焊接后,由于空间范围太小会阻碍清洗溶剂的渗透和替换,因此根据表面安装元器件封装类型确定清洗工艺方法及工艺流程是工艺人员应考虑的一个问题。

5.3 PCB设计清洗的影响

如果在PCB的设计中没有预先考虑到对清洗的潜在影响,就会导致清洗困难,为了保证清洗质量,PCB设计者应注意:

(1)在采用波峰焊接时,焊剂会通过设置在元器件下面的电镀孔流到SMA上表面或SMA上表面的SMD内,这就人为增加了清洗的困难,因此PCB设计时注意避免在元器件的下面设置电镀通孔。

(2)元器件的布局在两个方向影响SMA的清洗质量,即元器件引线伸出方向和元器件的取向,它们对元器件下面通过的清洗溶剂的流动速度、均匀性和湍流有很大影响,通常SOIC的引线伸出方向和片式元器件的轴向应垂直于组件移动方向。

5.4 组件焊接后停留时间

组件焊接后应尽快进入清洗工序,因为焊剂残留物会随时间逐渐硬化,并形成金属卤酸盐等腐蚀物,因此对于具体的SMA必须根据制造工艺和焊剂类型确定允许的最长停留时间。

6 清洗质量分类及检测方法

6.1 清洗质量分类

根据电子产品用途及要求的不同,对清洗后的清洁度的要求也不同,目前通用的清洗等级标准是根据美国军用标准MIL-P-8809中的有关规定来制定的,其清洁度根据被洗件的离子污染量分为以下四个等级:

一级,离子污染物含量<1.5 μg/cm2(NaCl),被认为PCB组件无污染,清洗质量高,适用于军品及生命保障类;

二级,离子污染物含量在1.5 μg/cm2(NaCl)~5.0 μg/cm2(NaCl)范围内,被认为清洗质量较高,适用于高级工业设备类;

三级,离子污染物含量在5.0 μg/cm2(NaCl)~10.0 μg/cm2(NaCl)范围内,被认为清洗质量符合要求,适用于中级工业、医疗设备及普通办公设备类;

四级,离子污染物含量>10.0μg/cm2(NaCl),被认为清洗不干净或不清洗,适用于低级家用电气类。

6.2 清洗检测方法

清洗检测评价的项目主要有:

(1)清洗组件上的残留离子物总量;

(2)有机碳含量;

(3)残余颗粒物;

(4)表面绝缘电阻;

(5)干燥度;

(6)残留分子量测量。

针对不同的评价项目有不同的检测方法。

6.2.1 目检

用放大倍数2倍~10倍的光学显微镜检查电路板是否有焊剂残留物和其他污物。目检是一种定性的检测方法,仅适用于检查较多的污染物。

6.2.2 电导率法(电阻法)

用溶剂萃取法将电路板浸入测试溶液,然后用电导率测试仪测量它的离子电导率,当测试溶液的电阻率>2×106Ω时,表示电路板清洗干净。

6.2.3 表面绝缘电阻测试

表面绝缘电阻测试系统进行直接测量和定量测量。

7 半水清洗机工艺试验

半水清洗是将溶剂清洗和水清洗组合起来的工艺方法。半水清洗是一种介于有机溶剂清洗和水清洗之间的清洗工艺方法。在工艺流程中,首先使用对焊剂残留物有较强的溶解能力的有机溶剂清洗,再用水洗,以除去有机性污垢和其他污染物,然后有机溶剂与水形成的乳化液进行乳化清洗,最后用纯水漂洗和烘干。这种清洗方法的最大优点在于它不仅能清除掉有机性的松香焊剂残留物,而且还能有效除去离子物质的痕迹。半水洗工艺基本上仍属于水清洗工艺的范畴,但加入的有机溶剂可以从水中分离出来重复使用。由于其他清洗方法有着这样或那样的弊端,目前使用半水清洗这种工艺方法的较多。由于我公司工业产品对可靠性要求很高的特殊性,要求PCB组件的焊接必须是采用松香基助焊剂,同时结合洗涤效果、生产成本、适应性、先进性和环保等方面因素,根据我公司实际情况,采用半水洗工艺为优。

7.1 清洗机和清洗剂的选择

7.1.1 清洗机的选择

我们选择的水清洗设备具有以下一些特点:

(1)全方位喷淋,20个不对称排列的喷嘴同时喷淋PCB,上下两个方向的喷嘴每旋转180° 产生20个相互交织的的喷淋模式,配合运动式PCB清洗框,完全消除了阴影效应,大大提高清洁效果及速度;

(2)内置清洁度控制装置,操作者可以根据要求,预先设定清洁度数值,机器自动对漂洗水进行测定,直到PCB达到预定的清洁度要求;

(3)配置缺水保护功能,避免设备缺水状态下运行对设备造成损坏及产品在缺水状态下进入烘干程序后,引起产品损坏;

(4)全电脑控制,只需要设定几个参数即可使其自动完成溶剂加热、溶剂加注、清洗、漂洗、清洁度测试、烘干和打印等流程;

(5)一体化结构,操作方便,可全自动操作,适用于电子行业多种类型PCB批量性清洗。

7.1.2 清洗剂的选择

我们选择的清洗剂稳定性好、毒性低、清洗效率高,对金属塑料及橡胶制品无腐蚀作用,其主要性能见表1。

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7.2 半水清洗的工艺试验

我们选择了比较具有代表性的板件(型号为WB700E)进行清洗试验。同时借助我们工艺结构实验室里的A-200型清洁度测试仪做清洗后的清洁度检测。

7.2.1 试验步骤

将相同条件的组件分为三组采用不同的清洗参数进行设置,第一组3块;第二组5块;第三组15块,采用半水清洗机清洗。

7.2.2PCB组件清洁度标准值

依据美军标MIL-STD-2000规定的离子清洁度标准值1.5 μg/cm2(NaCl),低于该值,越低越好。

7.2.3清洗数据及检测结果

第一组3块PCB组件,组件清洗参数见表2。

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检测结果:

目检:阻焊漆完全被清洗干净,PCB基本烘干不滴水,电容色环存在掉色,另有拖焊时留下的焊锡。

A-200清洁度测试仪:0.14 μg/cm2(NaCl)。

第二组5块PCB组件,组件清洗参数见表3。

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检测结果:

目检:阻焊漆完全被清洗干净,PCB基本烘干不滴水,电容色环掉色情况较第一批要好,拖焊时留下的焊锡还有部分存在,主要原因焊接温度过高。

A-200清洁度测试仪:0.19 μg/cm2(NaCl)。

第三组15块PCB组件,组件清洗参数见表4。

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检测结果:

目检:阻焊漆完全被清洗干净,PCB板基本烘干不滴水,电容色环不掉色,拖焊时留下的焊锡基本被冲洗干净。A-200清洁度测试仪:0.15 μg/cm2(NaCl)。

7.3半水清洗的工艺试验结论

7.3.1 无水乙醇手工清洗法有待改进。

根据此次清洗试验及测试结果,如我们采用毛刷醮无水乙醇刷洗组件,虽然按规定在30 min内完成手工焊及波峰焊后的组件清洗,但其清洁度仅为1.35μg/cm2(NaCl),接近指标值1.55 μg/cm2(NaCl)。在批量生产时,随着清洗数量的增多,酒精里的污染物含量也会增加,用此方法清洗,清洁度指标很难保证。由此可见,须用机器代替手工清洗。

7.3.2水清洗机能够满足要求

水清洗机的使用能够满足我单位电子产品高可靠性要求。

(1)通过本次试验,绝大多数元器件和插头均不掉漆,不掉字符;

(2)机械加工件,如板边框、加强筋和冷板等,洗后清洁,不掉漆,不掉字符;

(3)散热板与印制板之间的粘接薄膜在清洗后,无异常现象;

(4)使用该类设备清洗SMT板时,清洁度可控制在0.08 μg/cm2(NaCl)以下,并能适用各种清洗溶剂,有利于成本的降低及适应更多的产品清洗要求。

7.4 半水洗清洗应注意的几个问题

根椐工艺试验的结论,半水清洗在应用过程中,有以下几点需要注意:

(1)烘干问题,这个问题对于所有清洗设备都存在,因为利用机器本身烘干,时间比较长,是资源的一种浪费,现在我们基本都是将产品烘干到不滴水后,放入烘箱进行彻底烘干,当然如果生产任务不紧张的话,也可以用机器自身烘干。

(2)当清洗的组件上有遇清洗液而产生溶解标记和粘接剂时,应采取有效的防护措施后方可清洗或更换清洗溶剂。

(3)经过测定,第一二次排放的漂洗水有机物含量超标,按规定应不能直接排放。

(4)溶剂配制的清洗液使用一段时间后,如要彻底更换,需送到污水处理厂。但按我公司清洗量计算此问题可以忽略,因为在每次清洗过程中会损失一定的清洗液,经过一段清洗后再填加一些新的清洗液到原溶剂槽中,将快饱和的溶剂进行稀释以此来保证清洗液的容污能力,可不断地循环利用。

(5)为了保障设备供水需求,需专门为其配置一台去离子水装置。去离子水装置要求:去离子水的阻值必须大于10 MΩ,出水量要求纯水产量为大于200 kg/h。

8 结论

PCB在焊接以后采用溶剂进行清洗,目的是提高电子产品质量。清洗是电子装联中一道关键工序,在生产高、精、尖电子产品中尤其需要完善的清洗工艺来保证产品质量。由本文的分析及试验可以看出,半水清洗应该是目前最适合大多数电子产品的清洗工艺。


参考文献:

[1] 陈正浩. 印制电路板组装件绿色清洗技术[J].确电子工艺技术, 2007,28(06):367-369.

[2] 张玲芸. 印制电路组件的清洗工艺[J]. 电子工艺技术,2009, 30(04):206-209 .

[3] 吴民,孙海林,陈兴桥. 印制板半水清洗技术研究[J]. 电子工艺技术,2010,31(04):209-211 .

[4] 胡志勇. 利用离心式半水工艺实施清洗处理[J].印制电路信息, 2007 (03):65-68.


来源: 刘建国 高可靠电子装联技术





韦德国际1946官方网站谈:为什么PCBA电路板清洗推荐使用水基清洗剂而不是溶剂清洗剂?

 

 

讨论 “为什么PCBA电路板清洗推荐使用水基清洗剂”这个问题前,我们先来看看溶剂型清洗剂的优缺点。

有机溶剂清洗剂按照安全性能可分为可燃性清洗剂和不可燃性清洗剂,前者主要为有机烃类、醇类及酯类,后者主要为氯代烃类和氟代烃类等。其工艺特点简介如下:

H FC /H C FC 类,主要成分是含氢的氟氯烃,优点是挥发性好,PCBA清洗后干燥速度快,缺点是价格比较高,清洗能力弱,不环保,会对大气臭氧层产生破坏作用,未来使用必将受到限制。

氯代烃类,主要代表物质有二氯甲烷、三氯乙烷等,其清洗油脂类污染物能力较强,不易燃易爆,使用安全。缺点是毒性大,与塑料、橡胶等兼容性差,易腐蚀线路板,且该类物质稳定性差。

烃类,主要是碳氢化合物,如汽油、煤油等。烃类对油脂类污染物清洗能力强,由于低表面张力,对PCBA夹缝部分有良好的清洗效果,不腐蚀金属,毒性低,使用方便。缺点最主要的就是因易燃易爆,有安全隐患,必须采用严格的防范措施。

醇类,如甲醇、乙醇和异丙醇等,醇类对极性污染物溶解能力强,对松香清洗效果好,但难清洗油脂类污染物;不易腐蚀金属和塑料等,干燥快。缺点是挥发性大,易燃烧,使用有安全隐患。

如果针对有机溶剂清洗的优缺点,取其利避其弊,不就完美了?是否可行?答案是肯定的!水基清洗剂就围绕解决这个困扰诞生了。.

水基清洗技术是以水为清洗介质,并附加表面活性剂、溶剂、消泡剂、缓蚀剂等各类添加剂而制成,通过溶解、吸附、浸透等多种机理除去各类污染物,水清洗工艺主要特点是不易燃易爆、无毒环保、操作安全,清洗能力强、清洗过程中损耗小、成本低,因为有效成份自由度大,可由PCBA的特殊要求而制定配方,解决了很多有机溶剂清洗剂无法解决的难题,清洗范围广、适用能力强,水基清洗剂灵活的组分可极大满足客户端需求,尤其在采用超声清洗和喷淋清洗时,较有机溶剂更具优势。当然水基清洗剂也有缺点,对清洗设备要求高,且需对失效的清洗剂即废水进行处理等。

 

综合溶剂型清洗剂和水基清洗剂的特点,不难发现,随着安全环保意识的加强和PCBA特殊清洗需求的增加,水基清洗剂因其灵活配方和组分脱颖而出,代表了未来PCBA清洗技术发展方向。




以上一文,仅供参考!

 

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