水清洗工艺中的水处理方案

  水清洗工艺在业务增长速度最快的合约制造中经常见到,并在高可靠性电子产品制造中得到普遍认可。水清洗工艺的一个重要问题是水的处理,如从哪里获得需要的水、如何净化、清洗完的废水排放到何处以及如何使整个过程符合环保的要求等等。本文将讨论水洗工艺中的水处理方案,介绍如何才能节省成本并且更加符合环保的原则。虽然免清洗工艺技术在不断前进并得到了广泛应用,但从九十年代中期以来我们却看到水清洗工艺的下降趋势在一定程度上已有所逆转。值得庆幸的是,目前关于水处理的最大的问题是缺乏足够的工艺知识,而不是缺少技术或设备。下面我们先对水清洗工艺及水处理技术的基本情况作一简要介绍,虽然主要是在线式线路板清洗,但其中很多内容一样可用于离线式清洗或其他工艺。直接水洗工艺对有机酸及水溶性助焊剂的清洗非常理想,水(特别是去离子水)是一种颇具威力的极化溶剂,能够清除焊接后留下的酸性残留物等极化污染物,可是单独靠水却无法清除非极化污染物,如松香型焊剂中的粘性树脂。如果不在水中添加非极化成分,那么有害的酸和微粒可能会被树脂覆盖而无法清除,最终使电路板的电气性能下降。因此,甚至免清洗助焊剂有时也需要清洗。添加剂中最常用的是皂化剂,它是一种碱性清洁剂,内含能溶解树脂的表面活化剂,可将树脂溶化使其被水冲洗掉。有添加物的水洗工艺比直接水洗工艺复杂得多,水处理技术也相应要复杂。◆直接水洗工艺 这种工艺使用的在线式水洗机一般由预清洗区、带水槽的循环冲洗区、带水槽的循环漂洗区、终洗区以及烘干区组成。清洗过程中最干净的水从终洗区进入,再依次流到前面几个区域,最后从预清洗区的排水管排出;而待清洗的电路板则由预清洗区开始,逐渐往水越来越干净的区域移动,最后到达烘干区。理想情况下,终洗区的水是非常纯净的,具有低导电和高阻抗等特性,使得烘干过程中留在电路板上的残留物相对于板子清洁度的要求来说,其离子特性完全可以忽略。水洗机的进水量一般是每分钟3到5加仑,水温在60℃左右。进入的水需要经过预热,以使水洗机在清洗过程中保持温度稳定,并使烘干过程更为顺利。入水通常要经过碳离子交换处理,达到满足电路板清洁度的去离子(DI)纯度。另外,进入水洗机的水还必须要流出,所以一个开环的水洗系统每分钟会排出3到5加仑的水。在确定这种工艺的成本时,一般应考虑的因素有:虽然不同厂家算出的成本各不相同,但以每年运行2,000小时计,一个具有活性炭粒(GAC)、阴离子、阳离子和混合底层的开环式DI系统其年费用在35,000到40,000美元之间。采用水处理技术后可以使工艺效率更高并且更加环保,这部分具体内容包括:讨论是否应该从排水口的废水中进行热能回收几乎是多余的,因为把热水直接排走就等于把钱往下水道里扔。热回收系统使水洗机出口的热水通过一个热交换器,从而回收大量热能。在开环式系统中,这些能量可以用来加热新的入水,而在循环系统中则可用来加热回到预清洗区的水。投入到热回收系统的资金在较短的时间内就能得到良好的经济回报。在直接水洗系统中使用完全再循环可将用水量降低十倍,而不会每分钟都有3到5加仑水的浪费,所需要的水仅仅用于补充蒸发、排气和干掉的损失。这种系统有多种构造,但大多数都包括一个带储水槽的循环系统、再循环泵及其控制系统、水槽系统和加热器。将水洗机主排水管排出的水回流到循环系统既可以依靠重力作用也可使用传送装置完成,由中央控制器提供压力,让这些水通过水槽、加热器而回到最后的漂洗区。先进的水槽装置能将重金属如铅、铜等分离出来并把它们集中在一起,以待专门的废物处理人员对其进行处理。去离子的过程是在水通过GAC、阴离子和阳离子槽时进行的,普通系统得到的阻抗值一般能达到1到3MΩ。如果再加一个混合离子槽(阴离子和阳离子同在一个槽内)还可以进一步去除水中的离子,最高能达到18.2MΩ的DI纯度。当水槽的去离子能力降到设定值以下时,就必须要对其更新,它主要受工艺中焊剂和污染物的数量以及补充入水质量的影响。在很多情况下,进入的自来水中溶有很多固体物质,这加大了水槽的负担,会增加更新的频率和费用。为解决这个问题,补充入水可以用一个单独型强制水流通过渗透膜的逆渗透(RO)系统过滤提纯。水流分离后,部分水通过渗透膜,而另一部分则用于保持膜的清洁。这样产生的水一般阻抗在25,000到500,000Ω/cm之间,比自来水的2,000到3,000Ω/cm好了很多;而剩余的废水也可直接排出,因为过程中没有增加任何致污物。当然也有其他节约成本的方法,但当自来水的质量较差时,在循环系统中增加逆渗透系统还是有用的。◆改进型水洗工艺 在改进型水洗工艺中,无论是机器还是水处理技术其复杂度都有所增加,因为皂化剂或其他任何一种化学添加剂都非常昂贵,所以这些化学材料必须循环使用,把排水口关闭而将水流重新引到清洗槽中。因此,预清洗和清洗结合起来成为了一个较大的清洗区。除了成本因素外,皂化剂还含有较高的离子成分,所以绝不能残留在电路板上,同时它对水槽的寿命也有很大影响。不同的设备制造商采用不同的技术使皂化剂残留最少,不过较为有效的一种方法是在清洗区与循环漂洗区之间增加一个中间漂洗区,有时候它也被称为化学材料分离区,该技术将皂化剂从板上冲洗掉,然后再用风刀将它刮掉。这种清洗机不像直接水洗工艺一样只有一个出水口,而是有三个,分别设在:从效果上看,漂洗水流如同直接水洗工艺一样,可用传统方式再循环利用。中间漂洗区的水流会残留一些皂化剂,并可能含铅。在一些城市里,这部分水流的污染程度低于规定值,可以排放到下水道;但在一些规定比较严格的地方,中间漂洗区和清洗区排出的水在排出前必须经过中间处理去除重金属,一些地方甚至还对水的pH值有要求,需要通过蒸发处理才能符合规定。选择水处理系统时,必须要充分了解当地的法规制度。在皂化水洗工艺中,对入水进行逆渗透预处理同样也存在争论,由于要向漂洗区及中间漂洗区连续供应纯水,所以使用逆渗透的好处要大一些。◆特殊应用 对一个使用两个或多个清洗机的生产场合,在热能回收、水循环利用及使用逆渗透循环利用方面可能节约的成本更多。现在已有大容量系统用一个中央控制系统支持四台清洗机,也有系统能在模板清洗过程中帮助去除铅,以符合法规的要求。和任何生产应用一样,工艺监控、设备维护和基本常识同样也是循环系统成功的关键。这类系统经常遇到的问题是树脂更新的时间间隔长度,它取决于几个因素,包括工艺的用水量(与运行时间直接相关)、入水质量(可使用逆渗透预处理改善)以及工艺中污染物的数量和类型。实际上任何带离子的物质都会增加树脂底层的负担,同样,有机物质也会阻塞活性炭粒槽,另外水溶性胶带和掩膜的使用也常常有一些问题。应该咨询这些材料的制造商,以便知道它们对碳离子交换过程的影响。我们发现水槽寿命缩短通常是因为生产时间或电路板数量增加,用水越多以及处理的污染物越多,水槽就需要越快更新。清洗机的工作时间及线路板产量应记录并保存下来,以确定水处理的基本操作规程。成功应用的另一个关键是要按照设备制造商的指导进行安全正常操作,这一点对重金属分离槽特别重要,这些槽必须按所建议的时间间隔由专门的废物处理人员将其从线上取下进行处理,否则会使铅漏到下一个槽中。只要对水处理技术充分了解,并建立强大的工程设备力量,这些优点就完全可以变为现实。

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