Отмывка: как не тратиться попусту?

Олег Пилипенко

Еще в детско-пионерском КВН услышал я как-то каверзный вопрос: «На какие большие части делится человечество». Ответ: «Человечество делится на две большие части — недоедающую и переедающую». Скажу прямо, тогда ответ не показался мне ни смешным, ни глубокомысленным, так как в столовке пионерского лагеря «Юный ленинец» кормили сносно и пионеры давали привес. «Что ни день — то сто грамм. А то и сто пятьдесят». С возрастом приходит более глубокое понимание жизни, и ответ кажется уже не глупым, а грустным. Одного беглого взгляда на современный рынок услуг по контрактной сборке и пайке электронных изцелий достаточно, чтобы прийти к той же мысли: оцна часть субъектов этого рынка не знает, гце взять деньги, другая — не знает, куда их девать.

При создании малобюджетной технологической линии сборки и пайки электронных изцелий ($70 000-200 000) приходится экономить буквально на всем. Очевидно, что при этом нельзя экономить на сборочной машине (именно она определяет технологические возможности, производительность и надежность). К подбору печи оплавления также нужно подхоцить взвешенно. Она во многом определяет энергозатраты и качество пайки. При одинаковых прочих характеристиках мощность, потребляемая разными конвейерными печами в рабочем режиме, может различаться в разы (от 5 цо 15 кВт). Неравномерность нагрева в зоне оплавления приводит к разнице момента начала оплавления паяльной пасты цо 1 минуты.

Следовательно, экономию следует искать в другом месте. Где? Например, за счет трафаретного принтера. Цена автоматического трафаретного принтера с системой очистки трафарета приблизительно равна цене сборочной машины. Его применение не дает существенного выигрыша в производительности, так как нанесение паяльной пасты или клея методом трафаретной печати — достаточно производительная операция, даже при выполнении ее вручную. При этом возникает проблема качества нанесения. Человек, сколько бы ему ни писали инструкций, не может обеспечить постоянную чистоту нижней поверхности трафарета и постоянное равномерное заполнение окон трафарета. Если второе несоответствие приведет к отсутствию пайки, что заметно даже при визуальном контроле и устранимо, то первое приводит к наличию большого количества шариков припоя (особенно это критично межцу вывоцами микросхем) и, как следствие, к многочисленным замыканиям. Последнее обстоятельство делает совершенно невозможным применение безотмывочной технологии. Слецовательно, если мы сэкономили в оцном месте, то потратимся в цругом. Нужно мыть. Дело еще осложняется тем, что подавляющее большинство электронных изделий имеет множество элементов, монтируемых в отверстия, следовательно, они требуют ручной пайки или пайки волной припоя.

При применении волны припоя, на первый взгляд, есть предпосылка для внедрения безотмывочной технологии: флюсы, не требующие отмывки, остатки которых даже совместимы с влагозащитными покрытиями. Несть им числа, и цены вполне приемлемы. Но это только на первый взгляд. Для того чтобы такой флюс правильно отработал и потерял свои агрессивные свойства (большинство этих флюсов на кислотной основе), он должен пройти через волну припоя (чаще — через две, турбулентную и ламинарную). А как быть с остатками флюса, попавшими на верхнюю сторону платы через переходные отверстия и края платы? При пайке с применением флюса с малыми остатками, не требующими отмывки с использованием пенного флюсователя, наблюдается следующая закономерность. Первые десять плат выходят из волны припоя практически идеально чистыми, как и обещало техническое описание флюса. Далее наблюцается постепенное увеличение остатков флюса на пропаянной плате. Может быть, и бог с ними, с этими остатками, ведь техническое описание обещает полную деактивацию входящих в состав кислот. Дело обстоит хуже. Это не остатки флюса, а окислы и прочие нечистоты, которые смываются с предыдущих плат и накапливаются во флюсе при пенном флюсовании. Их нужно смывать.

Пенное флюсование имеет еще два существенных недостатка. Вследствие интенсивного испарения флюс очень быстро теряет растворитель (в большинстве случаев это изопропиловый спирт) и требует постоянного контроля и регулировки плотности. При первых попытках использования флюсов с малым содержанием сухих веществ (2,5% и менее) я, грешным делом, подумал, что флюс попросту выпивают, так велик был расход (еще бы — 98% чистого изопропилового спирта). Спиртосодержащие жидкости интенсивно накапливают влагу из воздуха, и через некоторое время флюс становится непригодным ввиду его высокой влажности. Выход есть. Это применение флюсования распылением. Вот только одна загвоздочка. При цене волны припоя для нашей малобюджетной линии (вместе с пенным флюсователем) в пределах 28 000 евро, устройство для нанесения флюса распылением стоит порядка 10 000 евро. Каково? Производительности оно не добавляет, ценность его в качестве фактора экономии флюса сомнительна. Устройство для нанесения флюса распылением повышает качество и стабильность технологического процесса и без него невозможно внедрение безотмывочной технологии. Но оно нам не по карману. Опять остается только одно — мыть. Осталось выбрать, чем мыть и на чем мыть.

Прежде всего, нужно правильно выстроить технологический процесс. О спиртобензиновой смеси вообще пора забыть по нескольким причинам:

1) пожаровзрывопасная;

2) дорогая;

3) быстро насыщается смываемыми продуктами и для отмывки требуется в больших количествах;

4) не смывает соли (отпечатки пальцев) и остатки современных флюсов (как канифольных, так и бесканифольных);

5) для последующей сушки необходим сушильный шкаф взрывобезопасного исполнения, который дорог;

6) утилизация проблематична, а сжигание не экологично;

7. Практически нигде в развитых странах не применяется и соответствующее оборудование не производится. Теперь, когда мы договорились мыть водой (а альтернативы нет), давайте применять паяльную пасту с водосмываемыми остатками. Остатки таких паст удаляются чистой водой с последующим ополаскиванием деионизи-рованной водой. Некоторые пасты с водосмываемыми остатками допускают отсрочку отмывки после пайки до 96 часов, что удобно при смешанном монтаже. Тем более, что остатки канифольных паст, не требующих отмывки,
очень тяжело удаляются как водой с моющими средствами (в том числе и хвалеными ZESTRON и VIGON, которые, как ни пропагандируй их и ни раскручивай, дороги для малобюджетной технологии; кроме этого, ZESTRON, например, имеет жуткий запах, который в техническом описании почему-то называют незначительным), так и спирто-бензином (им еще хуже) при любых способах активации моющего раствора (в том числе и ультразвуком). Так чего уж проще — моешь водой, паяй пастой с водосмываемыми остатками.

Рисунок. Схема отмывки

Для организации операции отмывки водой в малобюджетном малосерийном производстве очень удобны струйные моющие машины. Они обеспечивают высокий уровень автоматизации техпроцесса и приемлемые результаты отмывки. При использовании струйных машин такого типа есть три основные проблемы. Первая — специализированное оборудование очень дорого. Так, струйная машина для отмывки печатных узлов после пайки, сделанная на базе обычной бытовой посудомоечной машины за 350 евро, стоит порядка 3500 евро. Спрашивается, за что? За гибкий программатор и бумажный фильтр на воздухозаборнике? За такие деньги можно придумать что-нибудь посерьезнее. Вторая — большой расход ионообменной смолы при предварительной отмывке, ополаскивании и финишном ополаскивании деионизированной водой. Одна загрузка ионообменной смолы в деионизаторе за 1500 евро стоит около 200 евро. Ее хватает на 1400-2500 литров воды, в зависимости от жесткости. При высокой жесткости и расходе воды на один печатный узел размером 220×230 мм около 1 литра, загрузки ионообменной смолы хватит на 1500 печатных узлов, не более. Третья — сильное пенообразование при отмывке водосмываемых остатков паяльных паст моющими средствами и щелочными концентратами, что резко снижает эффективность отмывки.

Первая проблема решается разделением предварительной отмывки и ополаскивания фильтрованной водопроводной водой и окончательного ополаскивания деионизированной водой между двумя бытовыми или промышленными (используются для мытья посуды в столовых и кафе) струйными посудомоечными машинами. Вторая проблема — при использовании деонизированной воды повторно, в замкнутом контуре, только для финишного ополаскивания. Третья проблема — предварительным ополаскиванием в ванне с чистой водопроводной водой или введением
дополнительной предварительной отмывки в струйной машине без моющих средств.

Далее приводится схема и состав оборудования малобюджетной струйной системы отмывки с рациональным расходом ионообменной смолы.

На рисунке представлена система струйной отмывки печатных узлов после пайки, которая состоит из двух промышленных посудомоечных машин. Спецификация оборудования приведена в таблице 1. Промышленные посудомоечные машины выбраны потому, что они предназначены для продолжительной работы и очень быстро нагревают воду. Первая машина осуществляет предварительную отмывку и полоскание проточной водой. Вторая — финишное ополаскивание деионизированной водой. При отсутствии перебоев подачи воды бак-накопитель 4 и подкачивающий
насос 5 из системы можно исключить. При прекращении водоснабжения они позволяют системе функционировать в течение одной смены.

На выходе машины предварительной отмывки установлены два механических фильтра для улавливания шариков припоя при сливе грязной воды в канализацию. Для заполнения бака 14 необходимо открыть кран 11. После заполнения бака кран закрывают и финишное ополаскивание действует по замкнутой схеме. Замкнутый оборот деиони-зированной воды позволяет увеличить срок жизни ионообменной смолы в 5 раз по сравнению с проточной системой. Кондуктометр, установленный
на выходе машины финишного ополаскивания, позволяет оперативно следить за процессом и повторять его до достижения заданного уровня проводимости воды. На выходе из бака 14 установлена система фильтрации и деионизации воды, поступающей после финишного ополаскивания. Подкачивающие насосы 5 и 15 включаются автоматически при включении посудомоечных машин (при падении давления в магистрали между насосом и машиной). Расчетная производительность системы составляет 400 печатных узлов (220×230 мм) за смену, или 8800 — за месяц при односменной работе. Расход воды не более 1 литра на печатный узел. Химический анализ сточной воды показал, что удельные содержания вредных веществ находятся в рамках ПДК (предельно допустимых концентраций). Результаты анализа и ПДК для сточных вод при сбросе в коммунальную хозяйственно-фекальную канализацию для машиностроительной, станкостроительной и электротехнической промышленности приведены в таблице 2.

Сравнительный расчет экономической эффективности предлагаемой схемы водной отмывки печатных плат

Общие затраты на создание и эксплуатацию системы отмывки состоят из капиталовложений в оборудование, строительство, монтаж и текущих затрат (амортизационные отчисления, зарплата, расходы на ремонт, моющие материалы, электроэнергию). Проведем сравнительный анализ затрат на спиртобензино-вую и водную отмывку печатных плат.

В общем виде статьи затрат будут следующими:

1. Стоимость оборудования;

2. Амортизационные отчисления, расходы на ремонт;

3. Стоимость моющих материалов и электроэнергии;

4. Заработная плата;

5. Обеспечение мер безопасности при производстве работ и хранении горючих материалов.

1. Спиртобензиновая отмывка

1.1.3 ванны из нержавейки             $200

Компрессор для барботажа          $1200

                                    = $1400

1.2. Срок амортизации 5 лет по $23 в месяц, $280 в год. Расходы на ремонт 0,15% от 1400 по $2 в месяц, $24 в год.

1.3. Согласно ОСТ 107.460091.003-87, расход спиртобензина составляет 0,919 л/м². Произведем расчет необходимого количества спиртобензина для отмывки 4000 стандартных плат (размером 220×230 мм) в месяц.

—  размер платы                 0,22×0,23 м;

—  площадь поверхности

S₁ =0,22×0,23×2 = 0,1012 м²;

—  площадь поверхности 4000 плат

S₄₀₀₀ = 0,1012×4000 = 404,8 м²; => расход спиртобензина на 4000 печатных узлов

L₄₀₀₀ = 404,8×0,919 = 372 л;

—  цена спирта изопропилового 1,33 $/л;

—  цена бензина «Калоша»          0,5 $/л;

—  цена 1 литра спиртобензина  $/л;

—  стоимость спиртобензина для отмывки 4000 печатных узлов 372×0,9 = $335;

—  утилизация спиртобензина 0,23 $/л;

—  возврат спиртобензина на утилизацию 55% (ОСТ 107.460091.003-87), что составляет 204,6 л, или 204,6×0,23 = $47;

—  итого затраты на спиртобензин: 335 + 47 = $382;

—  стоимостью электроэнергии можно пренебречь.

1.4. Заработная плата

Работа вредная, производится вручную. Необходимо 2 человека (3 ванны — отмывка предварительная, отмывка чистовая, ополаскивание). Часовая тарифная ставка $0,7:

0,7×176 = $123. Итого за месяц с налогами, болезнями и вредностью (+50%)

123×2+ 50% = $369.

1.5. Обеспечение мер безопасности при проведении работ и хранении (хорошая вентиляция, сушильный шкаф в противопожарном исполнении, меры пожарной безопасности, специальные средства защиты органов дыхания и рук) составит 5% от стоимости расходных материалов (5% от $382), то есть еще $19.

Итого:

Оборудование $1400; Затраты (амортизация + ремонт + расходные + зарплата + меры + безопасности) 23 + 2 + 382 + 369 + 19 = $795 на 4000 плат в месяц. $1400 (разово за оборудование) + $795 (ежемесячно).

2. Водная отмывка

2.1. Стоимость оборудования:

—  машина посудомоечная (промышленная) 2х$2000 = $4000;

—  деонизатор                              $1500;

—  резервный бак, насос подкачки                         $800;

—  бак для ионизированной воды, насос подкачки                         $400;

—  фильтры                                   $200;

Итого: $6900.

2.2. Амортизационные отчисления:

—  срок амортизации оборудования

5 лет                             $115 в месяц;

—  расходы на ремонт   (0,15% от стоимости)         $11 в месяц.

2.3. Вода (на плату): 1 л или $0,00051 или $2 на 4000 плат

Моющие материалы (на плату): -порошок                  0,85 г или $0,01;

-активатор               0,823 г или $0,01;

—  смола ионообменная $0,04 (при организации раздельной отмывки и финишного ополаскивания);

—  электроэнергия: установленная мощность 3 кВт, коэффициент использования 0,5, тариф $0,1 за 1 кВт-час. Итого: 3×0,5×0,1×176 = $27

(на 4000 плат в месяц). Итого (материалы и электроэнергия): 2 + (0,01 + 0,01 + 0,04)х4000 + 27 = $269.

2.4. Заработная плата

Работа оператора заключается в загрузке и выгрузке корзин с платами и перемещении их из одной машины в другую.

—  1 оператор, часовая ставка $1,2;

—  коэффициент затрат рабочего времени К = 0,2 (12 мин. за 1 час);

—  заработная плата за месяц

1,2×176 = $211. Итого за месяц с учетом К и 50% налогов и больничных:

211×0,2+50% = $63. Итого ежемесячные затраты:

115+11+269+63 = $458. Итак, при водной отмывке затраты выглядят следующим образом: $6900 (оборудование разово) + $458 (ежемесячно).

Формула расчета общих затрат за период времени выглядит следующим образом:

ПСО-АхТ + СЗхТ = 03[$], (1)

где: ПСО — первоначальная стоимость оборудования, А — амортизационные отчисления за год, Т — время с момента запуска оборудования в годах, СЗ — суммарные затраты за год (амортизация, ремонт, зарплата, электроэнергия), 03 — общие затраты за период времени.

Исходные данные:

Спиртобензиновая отмывка: ПСО = $1400, С3 = 795×12=9540 $/год, А = 280 $/год.

Водная отмывка: ПСО = $6900, СЗ = 458×12 = 5496 $/год, А = 115×12= 1380$/год.

Подставляя соответствующие исходные данные в (1), получим следующие результаты (табл. 3).

Как видно из приведенного расчета, экономический эффект от использования водной отмывки, несмотря на значительные первоначальные вложения в оборудование, проявляется уже после двух лет эксплуатации. Окупаемость оборудования немного превышает 2 года (амортизация + экономический эффект = первоначальная стоимость оборудования). Это достигается за счет низких расходов на заработную плату и моющие средства. Из приведенного расчета вытекает также,
что сумма, относимая на себестоимость продукции (второе слагаемое), при отмывке водой (0,115$ за печатный узел) в 1,73 раза меньше, чем при мойке спиртобензином (0,199$ за печатный узел). Если даже из спиртобензиновой мойки вовсе убрать стоимость оборудования, картина существенно не изменится. А вместо промышленных посудомоечных машин можно с успехом применить и бытовые. Всякие рассуждения по поводу их неприменимости ввиду их непредназначенности не выдерживают никакой критики. Электронные изделия, спаянные с применением флюсов с малыми остатками, чище, чем посуда после обеда. А сами флюсы не представляют опасности
не только для посудомоечной машины, но и для здоровья человека. Некоторые из них можно принимать перед едой по столовой ложке в качестве лекарства, так как они состоят из изопропилового спирта и небольшого количества янтарной кислоты. В инструкции одного из таких флюсов так и было написано: «При проглатывании в большом количестве возможно тяжелое похмелье. При неоднократном проглатывании возможно заболевание алкоголизмом». Для ускорения нагрева воды можно применить посудомоечную машину с возможностью подключения к горячей воде
и электрический бойлер перед первой машиной. Для окончательного ополаскивания деиони-зированной водой подогрев вообще не нужен. Вместо посудомоечных машин можно применить барботажные или ультразвуковые ванны. Хотя с ультразвуком при отмывке электронных изделий нужно быть осторожным. Режимы ультразвукового воздействия необходимо тщательно подбирать. Большинство производителей микросхем осторожно намекают в технических условиях, что ультразвуковое воздействие нежелательно. Часто встречается смыв маркировки с электронных
компонентов. Длительное ультразвуковое воздействие на малогабаритные электромагнитные реле приводит к за-липанию (подобие ультразвуковой сварки) механических контактов последних (в большинстве случаев — обратимому).