混合電路陶瓷基板清洗方法研究

于運(yùn)友

（中山教育科技股份有限公司，廣東中山，528400）

0 引言

焊膏回流焊工藝廣泛應(yīng)用于混合集成電路以及單片集成電路的制造中[1,2]。在回流焊過(guò)程中，焊膏中揮發(fā)出來(lái)的助焊劑，極有可能附著于器件焊盤(pán)等關(guān)鍵區(qū)域，嚴(yán)重影響引線(xiàn)鍵合質(zhì)量及器件電學(xué)性能，因此需要在回流焊后采用有效的清洗措施去除附著于基板、固化后焊膏及器件表面上的助焊劑[3,4]。光隔離型點(diǎn)火電路廣泛應(yīng)用于航空航天等專(zhuān)用軍事裝備中，起著無(wú)可替代的作用[5]。本文以光隔離點(diǎn)火電路為例，首先通過(guò)鏡檢及裸露焊盤(pán)引線(xiàn)拉力來(lái)對(duì)比A、B兩種不同組分的清洗液（A：三氯三氟乙烷：異丙醇=65∶35（體積比）；B：丙酮）對(duì)助焊劑的清洗效果。然后驗(yàn)證普通的手工刷洗方法與帶超聲刷洗方法是否存在差異。

1 試驗(yàn)過(guò)程

每只光隔離點(diǎn)火電路中的核心器件包括光電池（TLP3914，4個(gè)）、 運(yùn) 放（LM124，1個(gè)）、 功 率MOSFET（IRFC1B60L ，4個(gè)）。選擇電特性符合電參數(shù)指標(biāo)要求且結(jié)構(gòu)完好的光電池、運(yùn)放、MOS芯片，外殼采用10#鋼材質(zhì)的管殼BOX2520–12P。陶瓷基板型號(hào)為vicon5374?；旌想娐费b配所需要的設(shè)備包括：高溫烘箱、回流焊鏈?zhǔn)綘t、電爐。將所準(zhǔn)備的36只光電池和36只MOS芯片，各分為9組，4個(gè)為一組與1塊陶瓷基板焊接。粘接的順序?yàn)椋孩俟軞ね扛埠父?，陶瓷基板?duì)準(zhǔn)并垂直按壓入管殼中（焊膏不能外溢到基板上表面），完成基板粘接→②陶瓷基板上的MOS芯片背電極焊接處涂覆焊膏（焊膏種類(lèi)與管殼涂覆焊膏種類(lèi)相同），完成MOS芯片粘接（焊膏不能外溢到MOS芯片表面及焊盤(pán)外部）→③光電池電極焊接處涂覆焊膏（焊膏種類(lèi)與管殼涂覆焊膏種類(lèi)相同），完成光電池粘接（保證光電池輸入、輸出同側(cè)兩電極間的焊膏間間距充分）。運(yùn)放固化采用84–3J絕緣膠，固化溫度為180℃，固化時(shí)間為40min，焊膏采用Sn62Pb36Ag2，其共晶溫度為179℃。將點(diǎn)火電路管殼背面進(jìn)行激光打印。1#、2#、3#采用三氯三氟乙烷+異丙醇清洗液手動(dòng)清洗；4#、5#、6#采用丙酮清洗液手動(dòng)清洗；7#、8#、9#采用第二組采用采用三氯三氟乙烷+異丙醇清洗液超聲清洗。回流焊共分為6個(gè)溫區(qū)，溫區(qū)1設(shè)置溫度為120℃，溫區(qū)2設(shè)置溫度為150℃，溫區(qū)3設(shè)置溫度為190℃，溫區(qū)4設(shè)置溫度為200℃，溫區(qū)5設(shè)置溫度為260℃，溫區(qū)6設(shè)置溫度為160℃。網(wǎng)鏈速度為25cm/min。三種清洗方案分別為：

方案一：采用三氯三氟乙烷（CFC–113，沸點(diǎn)為47.57℃）和異丙醇（IPA，沸點(diǎn)為82.45℃）的混合試劑清洗兩遍，再用無(wú)水乙醇漂洗三遍的方法。工藝為：按體積比65∶35，利用有刻度的潔凈量筒或燒杯配制三氯三氟乙烷和異丙醇的混合試劑。首先采用加熱臺(tái)將清洗劑加熱至40℃，在把待洗器件或電路在混合液中浸泡3分鐘，以混合液沒(méi)過(guò)待清洗的器件為宜，然后用軟毛毛筆（切勿采用牙刷）刷洗1分鐘?；旌弦呵逑赐戤吅?，在潔凈的器皿中，利用無(wú)水乙醇漂洗器件或電路3遍，每遍為3–5分鐘，無(wú)水乙醇的溫度以40℃為宜。在器件或電路進(jìn)行下一工藝步驟開(kāi)始前需要保存在無(wú)水乙醇中保存。

方案二：具體工藝為將方案一中的混合清洗液更換為丙酮，漂洗液仍為無(wú)水乙醇。操作方法與方案一相同。

方案三：把丙酮倒入超聲波清洗機(jī)的清洗槽中，清洗劑液面需要沒(méi)過(guò)載物架5cm，把待洗電路管殼開(kāi)口向下放在清洗槽內(nèi)的載物架上（兩只放在載物架的中心位置處，兩只放在載物架的邊緣位置處），浸泡5min。設(shè)置超聲清洗機(jī)的溫度為40℃，功率為100W，超聲頻率為40kHz。蓋上槽蓋加熱，待清洗劑溫度達(dá)到40℃時(shí)，首先在40℃的環(huán)保清洗劑中浸泡電路5min，然后進(jìn)行超聲清洗，超聲清洗時(shí)間為5min。超聲清洗結(jié)束后，在潔凈的器皿中，利用無(wú)水乙醇漂洗電路3遍，每遍為3–5分鐘，無(wú)水乙醇的溫度為40℃，在烘箱中烘干。

2 結(jié)果分析

在做拉力之前首先對(duì)9只點(diǎn)火電路進(jìn)行老化后的電參數(shù)測(cè)試，其中利用丙酮試劑手動(dòng)清洗中的三只點(diǎn)火電路中，出現(xiàn)一只點(diǎn)火電路電參數(shù)異常，飽和壓降較高，漏電較大，功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管不能有效開(kāi)啟，不滿(mǎn)足電參數(shù)要求。開(kāi)帽后對(duì)9只點(diǎn)火電路在顯微鏡下進(jìn)行觀察分析，所有點(diǎn)火電路表面無(wú)異常。用針輕觸丙酮試劑手動(dòng)清洗中電參數(shù)異常的點(diǎn)火電路陶瓷基板上30μm的引線(xiàn)鍵合點(diǎn)頸部，發(fā)現(xiàn)其基板上焊點(diǎn)呈搭接狀，鍵合強(qiáng)度差。

對(duì)于采用三種不同清洗方法得到的9只點(diǎn)火電路，對(duì)各只點(diǎn)火電路的引線(xiàn)逐一進(jìn)行拉力測(cè)試，拉力測(cè)試完成后，進(jìn)行點(diǎn)火電路中光電池、運(yùn)放、功率MOSFET芯片的剪切力測(cè)試。在拉力的測(cè)試過(guò)程中，所出現(xiàn)的現(xiàn)象包括：①板脫鍵：基板側(cè)引線(xiàn)脫鍵；②中間斷：引線(xiàn)中間斷；③基板斷：靠近基板鍵合點(diǎn)位置處的引線(xiàn)斷；④芯側(cè)斷：靠近芯片鍵合點(diǎn)位置處的引線(xiàn)斷；⑤腿側(cè)斷：靠近管殼內(nèi)引線(xiàn)柱鍵合點(diǎn)位置處的引線(xiàn)斷；⑥腿脫鍵：管殼內(nèi)引線(xiàn)柱釘頭引線(xiàn)脫鍵。其中30μm引線(xiàn)（點(diǎn)火電路中最細(xì)的引線(xiàn)，30μm鋁引線(xiàn)拉力合格判據(jù)>2g）的拉力情況可最有效的反映清洗效果，本文以30μm引線(xiàn)的拉力值作為清洗效果評(píng)價(jià)的依據(jù)。

對(duì)于采用三氯三氟乙烷和異丙醇混合試劑手動(dòng)清洗的三只點(diǎn)火電路，30μm引線(xiàn)拉力（取相同位置處引線(xiàn)拉力的平均值）分別為：11.699g（板脫鍵）、9.588g（板脫鍵）、12.553g（沒(méi)脫鍵）、12.501g（沒(méi)脫鍵）、6.822g（板脫鍵）、12.027g（沒(méi)脫鍵）、10.497g（板脫鍵）、8.550g（板脫鍵）、8.198g（板脫鍵）、11.922g（板脫鍵）、13.024g（板脫鍵）、11.619g（沒(méi)脫鍵）、9.267g（板脫鍵）、11.743g（板脫鍵）。拉力平均值為10.715g，脫鍵情況所占比例為71.42%。

對(duì)于采用丙酮試劑手動(dòng)清洗的三只點(diǎn)火電路，30μm引線(xiàn)拉力分別為：5.490g（板脫鍵）、10.934g（沒(méi)脫鍵）、8.091g（板脫鍵）、9.605g（板脫鍵）、9.322g（板脫鍵）、10.558g（板脫鍵）、5.568g（板脫鍵）、6.623g（板脫鍵）、5.438g（板脫鍵）、7.674g（板脫鍵）、9.291g（板脫鍵）、6.622g（板脫鍵）、7.075g（板脫鍵）、7.371g（板脫鍵）。拉力平均值為7.833g，脫鍵情況所占比例為92.85%。

對(duì)于采用丙酮試劑手動(dòng)清洗的三只點(diǎn)火電路，30μm引線(xiàn)拉力分別為：13.352g（沒(méi)脫鍵）、10.048g（板脫鍵）、12.104g（沒(méi)脫鍵）、11.715g（板脫鍵）、11.526g（沒(méi)脫鍵）、11.208g（沒(méi)脫鍵）、15.411g（沒(méi)脫鍵）、11.056g（沒(méi)脫鍵）、12.801g（沒(méi)脫鍵）、12.086g（板脫鍵）、14.015g（沒(méi)脫鍵）、10.585g（板脫鍵）、12.679g（沒(méi)脫鍵）、10.544g（板脫鍵）。拉力平均值為12.08g，脫鍵情況所占比例為35.71%。

由上述30μm引線(xiàn)拉力數(shù)據(jù)對(duì)比可知：在分別采用三氯三氟乙烷和異丙醇混合試劑手動(dòng)清洗的三只點(diǎn)火電路和丙酮試劑手動(dòng)清洗的三只點(diǎn)火電路（其它工藝相同），采用三氯三氟乙烷和異丙醇混合試劑手動(dòng)清洗的三只點(diǎn)火電路的30μm引線(xiàn)拉力平均值明顯高于丙酮試劑手動(dòng)清洗的三只點(diǎn)火電路拉力平均值，采用三氯三氟乙烷和異丙醇混合試劑手動(dòng)清洗的三只點(diǎn)火電路的30μm引線(xiàn)脫鍵比例明顯低于丙酮試劑手動(dòng)清洗的三只點(diǎn)火電路拉力脫鍵比例。在一定程度上表明在采用手動(dòng)清洗時(shí)，三氯三氟乙烷和異丙醇混合試劑的清洗效果更好。在分別采用手動(dòng)清洗和超聲清洗兩種方法清洗點(diǎn)火電路時(shí)，采用超聲清洗方法對(duì)應(yīng)的30μm引線(xiàn)拉力平均值顯著高于采用手動(dòng)清洗方法所對(duì)應(yīng)的30μm引線(xiàn)拉力的平均值，采用超聲清洗方法對(duì)應(yīng)的30μm引線(xiàn)脫鍵比例顯著低于采用手動(dòng)清洗方法所對(duì)應(yīng)的30μm引線(xiàn)脫鍵比例。表明超聲清洗相比于手動(dòng)清洗對(duì)于點(diǎn)火電路的清洗效果更好。而且采用丙酮試劑超聲清洗工藝的清洗效果明顯優(yōu)于采用三氯三氟乙烷和異丙醇混合試劑手動(dòng)清洗的清洗效果。表明相比于試劑種類(lèi)（三氯三氟乙烷和異丙醇混合試劑或丙酮），清洗方法（手動(dòng)或超聲）是影響清洗效果的關(guān)鍵因素。在點(diǎn)火電路陶瓷基板的清洗工藝中推薦選擇超聲清洗方法。通過(guò)優(yōu)化超聲功率和試劑溫度，可以達(dá)到較好的清洗效果。

3 結(jié)論

本文以光隔離點(diǎn)火電路為研究對(duì)象，首先通過(guò)鏡檢及裸露焊盤(pán)引線(xiàn)拉力來(lái)對(duì)比不同組分的清洗液對(duì)助焊劑的清洗效果。然后驗(yàn)證普通的手工刷洗方法與帶超聲刷洗方法是否存在差異。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用丙酮試劑超聲清洗工藝的清洗效果明顯優(yōu)于采用三氯三氟乙烷和異丙醇混合試劑手動(dòng)清洗的清洗效果。相比于試劑種類(lèi)（三氯三氟乙烷和異丙醇混合試劑或丙酮），清洗方法（手動(dòng)或超聲）是影響清洗效果的關(guān)鍵因素。通過(guò)優(yōu)化超聲功率和試劑溫度，可以達(dá)到較好的清洗效果。