電子元器件清洗工序探討

劉 甜 張慶海 趙正旭 程 哲 李為普 趙亞楠

（1.石家莊鐵道大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，石家莊 050043；2.青島理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，青島 266525）

當(dāng)前，美國對我國華為的技術(shù)制裁[1]，讓國人深刻意識到任何高科技的發(fā)展都需要努力研發(fā)自己的核心技術(shù)。趙正旭教授早在2009 年就認(rèn)識到了這個問題，一直深耕航天可視化領(lǐng)域[2]，以自主可控、擺脫西方“卡脖子”產(chǎn)品為目標(biāo)，在信息組織[3]、數(shù)據(jù)處理[4]、三維建模[5]、虛擬仿真[6]、數(shù)字孿生[7]、可視化遙操作[8]以及信創(chuàng)[9-13]等方面做出了重要貢獻。在歐美發(fā)達國家，中高精端清洗劑的應(yīng)用極為普遍，其中高精端工業(yè)清洗劑已經(jīng)進入第四代。我國在工業(yè)制造領(lǐng)域中對清潔產(chǎn)品及其清潔工藝和清潔度控制技術(shù)的認(rèn)知還剛剛起步[14]。一直以來，從我國的標(biāo)準(zhǔn)來看，在流體系統(tǒng)污染控制方面，制造業(yè)重視流體中顆粒的尺寸，尚未提出對流體系統(tǒng)零件污染的控制要求。標(biāo)準(zhǔn)中明確了顆粒的尺寸是微米級，并規(guī)定了100 mL 流體中存在顆粒數(shù)量的范圍[15]。目前，我國自有知識產(chǎn)權(quán)的芯片技術(shù)和裝備的發(fā)展剛剛起步[16]，清潔度控制上存在的問題顯而易見，整體零部件產(chǎn)品清潔度尚處于較低水平，因此需要重視清洗劑的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

1 電子元器件的清洗工藝

電子元器件的清洗方法主要包含干法和濕法兩種主要形式，如圖1 所示，現(xiàn)在主要以濕法清洗為主。濕法清洗的主要去除方法是利用清潔劑中所含有的活性劑、去離子水等物質(zhì)，通過化學(xué)反應(yīng)對表面進行清洗，從而實現(xiàn)去除表面污染物的目的。

1.1 干式表面清洗技術(shù)

1.1.1 超聲波清洗法

超聲波清洗法主要是通過質(zhì)點的振動來產(chǎn)生縱波，其中振動所產(chǎn)生的加速度與振動頻率的平方成正比，從而推動清洗液，之后通過空化作用使液體產(chǎn)生無數(shù)的真空氣體小泡，短時間內(nèi)爆炸產(chǎn)生強大的沖擊波，進而對污染物體產(chǎn)生沖刷的作用，使表面的污染物與清洗件之間的吸附作用降低，實現(xiàn)電子元器件的清洗。超聲波清洗法清洗所需的介質(zhì)一般為水基型溶劑[17]。超聲波的頻率越低，空化作用越強，對表層產(chǎn)生的沖擊波越大，越容易清洗元器件表面的殘留物。

在飛機制造、整修、保養(yǎng)和維修過程中，航空發(fā)動機的清洗也會使用超聲波清洗工序[18]。壓縮機運行過程中，空氣進入的同時會被帶入塵土、油污、微小污染物。壓縮機旋轉(zhuǎn)過程中會使污染物在葉片上形成涂層。清洗發(fā)動機時，先將清洗裝置固定在發(fā)動機上，然后采用離子水或去礦物質(zhì)水，在壓縮機旋轉(zhuǎn)過程中直接將清洗劑引入發(fā)動機淡水漂洗。此步驟的目的是將清洗出的污染物排出發(fā)動機，隨后發(fā)動機運轉(zhuǎn)。發(fā)動機運轉(zhuǎn)不僅可以使污染物排出更徹底，還能起到風(fēng)干作用。發(fā)動機的引擎艙、風(fēng)扇、渦輪、通風(fēng)管道以及變速箱等也都需要進行不同程度的清潔。超聲波清洗還可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密度高、表面光滑以及清潔程度高的航空航天部件精密清洗[19]。通過無數(shù)細(xì)小的氣泡沖擊進入到難以清洗的部分，使傳統(tǒng)清洗方式無法清潔到的復(fù)雜精密部件得到清潔。超聲波清洗還可以對軸承、引擎、液壓、舷窗、轉(zhuǎn)子葉片、測試件以及擋風(fēng)玻璃等進行清洗。渦輪葉片和噴嘴導(dǎo)向葉片（Nozzle Guide Vane，NGV）等部件的中間和最終清潔也需要超聲波清洗[20]。

超聲波清洗相較于其他方式也存在一定的缺點，最主要的是會對元器件表層的焊點產(chǎn)生應(yīng)力集中與疲勞應(yīng)力，導(dǎo)致元器件受損。為了尋求超聲波頻率與清洗結(jié)果之間的最優(yōu)值，行業(yè)內(nèi)一般會在不同頻率下進行測試，探尋頻率的最佳值。超聲波清洗頻率一般設(shè)置為20 ～90 kHz。

1.1.2 等離子清洗法

等離子清洗法屬于一種干式清洗方式，利用等離子體可以達到較好的清洗效果。等離子體屬于物質(zhì)的第四態(tài)中的一種。等離子體中的活性物質(zhì)包括離子、電子、原子以及活性基團等。高能輸入會產(chǎn)生高能電子，低壓產(chǎn)生的氣體與高能電子會在合適的真空、氣壓條件下產(chǎn)生碰撞和電離，從而生成等離子體，可以對電子元器件表面的污染物進行清潔，同時會改善表面涂層的吸附力，有效防止第二次污染物的吸附作用。等離子清洗方式還可以讓人遠離CFC-113、CCL4 等ODS 有害溶劑。采用氣體作為清洗介質(zhì)的方式屬于干洗方式，可以避免濕洗對電子元器件產(chǎn)生腐蝕作用，也不會產(chǎn)生有害的污染物。這種清洗方式對無機物的清洗效果較差，不利于對電子元器件的大批量大規(guī)模清洗。但是，等離子清洗方式屬于環(huán)保綠色的電子元器件清洗方式[21]。

1.1.3 氣相清洗法

氣相清洗法通過加熱的方式將加熱槽內(nèi)所含有的清洗液體高溫加熱直至沸騰、蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽形成氣相區(qū)，再把電子元器件放在氣相區(qū)中，使得元器件的表層與氣相區(qū)形成溫度差，導(dǎo)致蒸汽迅速冷卻在電子元器件的表層產(chǎn)生液體，而液體會把表層的污染物溶解并回流到加熱槽的內(nèi)部，同時清洗劑繼續(xù)加熱、沸騰重復(fù)循環(huán)，會對電子元器件的表層不停進行清洗。氣相清洗的方式使用清洗劑的蒸汽，不會產(chǎn)生污染物，提高了清洗劑利用效率，也不會使油脂、顆粒等回流到外部環(huán)境，大大提高了清洗效果。目前，氣相清洗法逐漸成為芯片或者芯片組成的集成電路的首選清洗方式。相較于傳統(tǒng)的清洗方式，氣相清洗法具有效率高、對人損傷小以及不會損害電子元器件等優(yōu)點。

1.1.4 激光清洗法

激光清洗法通過激光的高方向性和高亮度特性，可以把激光集中聚焦產(chǎn)生一個高強度的光束，而聚焦后的激光會產(chǎn)生一定高溫使污染物融化、分解[22]。為保證基底材料的抗高溫性，一般需要調(diào)整激光的發(fā)散角、能量密度等參數(shù)，將能量的密度控制在兩個閾值范圍內(nèi)。激光清洗法相對于傳統(tǒng)的清洗方式不會對電子元器件表面產(chǎn)生應(yīng)力，可以保護精密電子元器件表面材料，有選擇性處理較小污染物的顆粒。這種清洗方式也不需要清洗劑，清洗后所產(chǎn)生的污染物顆粒也易于回收，從而有效避免對環(huán)境帶來的污染。

1.1.5 冰粒清洗法

冰粒清洗法將細(xì)小的冰粒噴射到電子元器件的表面，通過冷卻對表層殘留的污染物在很短的時間內(nèi)快速降溫，實現(xiàn)污染物顆粒的硬化收縮。由于殘留物的收縮率與元器件表層的收縮率不相同，污染物顆粒會在硬化收縮后，短時間內(nèi)隨著冰粒的脫落而脫落。冰粒清洗的方式可以將1 μm及以下的殘留物快速清除，同時由于冰粒的直徑較小，容易清除一些在狹小夾縫中的污染物。冰粒清洗法可應(yīng)用的范圍較廣，可以依據(jù)不同的條件、殘留物的性質(zhì)選取不同的參數(shù)來處理不同環(huán)境下的污染物，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體感光材料的表面清洗、除銹等。

1.1.6 免清洗法

免清洗法不同于不清洗。免清洗指的是在焊接過程中使用免洗助焊劑，留在電子元器件表面污染物較少且無腐蝕性等一般不進行清洗就可以滿足元器件的潔凈度標(biāo)準(zhǔn)。不清洗主要指的是在焊接過程中由于采用了普通助焊劑（松香型）會存在較少的污染物，但是不會影響元器件的使用要求。免清洗的技術(shù)可以避免對元器件表層進行清洗損傷，提高了元器件的使用壽命。

1.2 濕式表面清洗技術(shù)

1.2.1 手工擦洗法

手工擦洗法是將毛刷或擦拭棒放入有機溶劑（其主要包含甲苯、丙酮等），在電子元器件表面對污染物進行擦拭。手工擦洗法是當(dāng)今最基本、最簡單的一種方式，但其缺點也很明顯，如方向性較差、處理效果不理想、造成二次污染以及會對產(chǎn)品造成損壞等，通常應(yīng)用于小作坊進行小批量清洗。

1.2.2 溶液浸泡法

溶液浸泡法是把待清潔的電子元器件放到介質(zhì)溶液中進行清洗，以去除其表面殘存物的一種常用方法[23]。根據(jù)清洗介質(zhì)的差異，能夠?qū)⑵浞殖梢韵? 種方法。

（1）水清洗方法即使用去離子水或添加小量洗滌劑的去離子水對組件初洗和漂洗的一種清潔過程。清洗組件時的溫度、時間、漂洗次數(shù)等均為水清洗工藝的重要參數(shù)。選用純水進行清洗，能夠很好地去除使用水溶助焊劑的組件。但是，當(dāng)清洗選用松香型助焊劑的組件時，還需要加入皂化劑，通過皂化反應(yīng)將其去除，再用離子水進行沖洗，最后干燥處理。

（2）半水清洗方法是使用某種乳化液如極性、非極性有機溶液或兩種的混合有機溶劑等清洗待清潔的組件，再用去離子水對其進行漂洗。同水清洗工藝的參數(shù)基本相同，半水清洗也必須經(jīng)過多次試驗驗證后才能固化，以得到最佳的清洗效果。此外，當(dāng)對組件做完半水清洗后，上面還有不少殘存的去離子水，在室溫下很難揮發(fā)。可以通過增加一些工序，如將組件放在60 ～80 ℃的高溫環(huán)境烘烤30 min，或者放入無水乙醇中浸泡2 min。

（3）溶劑清洗方法是使用清潔劑對電子元器件表面進行初始清洗的過程。清洗劑是有機溶劑，主要是在極性相對較小的疏水溶液中加入一定的極性較大親水的溶液，充分混合后形成有機溶劑，在溫度較低的情況下溶解各種有機污染物。之前經(jīng)常把CFC-113等ODS 物質(zhì)作為清洗溶劑，后來發(fā)現(xiàn)ODS 類清洗劑會對環(huán)境造成一定污染，后期被各個國家禁止使用[24]。溶劑清洗的方法對于普通松香型助焊劑、合成活性助焊劑的焊后清洗效果較為明顯，主要是由于它的介電常數(shù)低、絕緣性較好、沸點低且易于揮發(fā)，但是安全性差、成本高，且清洗流程較長。

2 清潔度檢測方法

2.1 目視檢查

檢查清洗后放大5 倍的待測組件。組裝件的清潔程度需要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)[25]：

（1）一級電子產(chǎn)品，對其進行清潔后可以有一些不遮蓋測試點的殘留物存在；

（2）二級電子產(chǎn)品，對其進行清潔后不得有遮蓋測試點的可見殘留物存在，且不能妨礙對焊點的目視檢查；

（3）三級電子產(chǎn)品，對其進行清潔后不能有殘留物存在。

2.2 表面離子殘留物的檢測

使用間接方法測試清潔后組件的離子污染度，具體方法為先通過萃取液對待清潔表面進行清洗，再測定所采集到液體的電阻率大小，最后通過計算得到單位面積NaCl 的量，用來表示印刷電路板所受污染的程度[26]。根據(jù)離子污染物能夠在水中溶解的特性，測試步驟如圖2 所示。

通過測試可以得到組件清潔度的值。對于不同類別的電子產(chǎn)品，需要滿足如表1 所示的要求。

表1 表面離子殘留物要求

2.3 助焊劑殘留物測試

檢測清潔過后組件的殘留物時，通常選用高效液相色譜法（High-Performance Liquid Chromatography， HPLC）。如今既得的有機化合物中，能用氣相色譜分析的約占20%，而其余有機化合物能夠通過高效液相色譜分析法解析[27]。組件的清潔程度應(yīng)符合如表2所示的規(guī)定。

表2 助焊劑殘留物要求

2.4 表面絕緣電阻檢測

想要得知生產(chǎn)中使用的材料和工藝能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)，可以通過測量清洗后電子組件表面的絕緣電阻判斷[28]。GJB 5807—2006 中對于一級、二級和三級電子產(chǎn)品的表面絕緣電阻要求是不應(yīng)小于100 MΩ。

3 結(jié)語

電子清洗產(chǎn)業(yè)中的ODS 溶劑是破壞臭氧的主要物質(zhì)之一。為了保護臭氧層，須改變或者代替實用有效的氟利昂等共沸混合溶劑，達到實現(xiàn)電子元器件清洗的目的，代替方法是尋求采用不污染環(huán)境的清洗方式。隨著工業(yè)制造領(lǐng)域的發(fā)展，電子元器件的精度進一步提高，對表面清潔度的要求隨之提高。在航空航天和高端裝備制造領(lǐng)域，對零部件的清洗質(zhì)量要求也越來越高。對電子元器件清洗工序和清潔度檢測的探討，可為延長電子元器件壽命和提高裝備質(zhì)量奠定 基礎(chǔ)。