超聲波清洗于高精度PCB制造中的應(yīng)用

張更生

（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514768）

ZHANG Geng-sheng

超聲波清洗于高精度PCB制造中的應(yīng)用

張更生

（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514768）

主要通過對超聲波的實際生產(chǎn)應(yīng)用，就其清洗作用原理、主要應(yīng)用流程、清洗效果等幾方面進(jìn)行闡述說明，另外還對超聲波清洗應(yīng)用中對PCB造成的負(fù)面影響進(jìn)行探討。

超聲波；毛刺；表面處理

1 前言

超聲波乃聲波的一種，之所以稱為“超聲”，這主要相對于人類的耳朵而言的，因為人類的耳朵聽到的聲音頻率范圍很窄，只有16 Hz ～ 20 000 Hz左右。頻率低于16 Hz的聲音通常稱為次聲波，而頻率高于20 kHz的聲音就稱為我們所說的“超聲”了。進(jìn)入九十年代，科學(xué)技術(shù)的巨大變革已促使超聲波技術(shù)快速發(fā)展，其性能和領(lǐng)域獲得前所未有的突破。超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用帶給人們不僅是理想的清洗效果，而且它還是一種利于環(huán)保的清洗手段。

電子工業(yè)持續(xù)的發(fā)展及更新，對PCB的制作提出了更高的要求，這種高要求主要表現(xiàn)為設(shè)計的復(fù)雜化、層數(shù)的提升、微小孔技術(shù)應(yīng)用、厚徑比的提高、良好的共面性等方面。其中微小孔、高厚徑板的量產(chǎn)及HDI技術(shù)的發(fā)展給PCB濕流程制作增加了不小的難度。原來的生產(chǎn)線根本無法滿足生產(chǎn)板品質(zhì)要求.表現(xiàn)為塞孔/無銅缺陷比例的急劇升高，在表面處理流程，微小盲孔表現(xiàn)為較難的潤濕性和被清洗。為保證PCB之盲孔、導(dǎo)通孔的質(zhì)量，超聲波清洗技術(shù)開始被引入PCB行業(yè)，生產(chǎn)實踐表明超聲波清洗能較好的改善塞孔/無銅缺陷和PCB表面處理效果.鑒于此,在線超聲波的安裝無疑武裝了原來的生產(chǎn)線，增強(qiáng)了戰(zhàn)斗力！

2 超聲波的作用機(jī)理及主要組成

超聲波清洗的作用機(jī)理主要為超聲空化作用，超聲空化作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）存在于液體中的微氣-泡（空化核）在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時，氣泡將迅速變大，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生的沖擊水波能在其周圍產(chǎn)生上超過1000個大氣壓的瞬時高壓，破壞、剝除污垢，使其分散于水中。

（2）空化氣泡本身在振蕩過程中，將伴隨著一系列二階現(xiàn)象發(fā)生，如輻射扭力。輻射扭力在均勻液體中作用于液體本身，從而導(dǎo)致液體本身的環(huán)流，即稱之為聲流，它可以使振動氣泡處在很高的速度梯度和粘滯應(yīng)力，這種應(yīng)力有時高達(dá)100 Pa以上，足以使造成破壞而使其脫落。

（3）超聲空化在固體和液體表面上所產(chǎn)生的高速微射流（Microjet）對清洗物產(chǎn)生沖擊。

綜合以上三點，超聲波作用機(jī)理主要是超聲空化作用、超聲空化產(chǎn)生二階效應(yīng)產(chǎn)生的聲流作用以及超聲空化在固體和液體界面產(chǎn)生的高速微射流的沖擊作用。

3 超聲波在PCB制作中主要應(yīng)用流程及作用

3.1 阻焊流程中的應(yīng)用

超聲波清洗用于阻焊流程中，其作用在于改善導(dǎo)通孔阻焊油墨塞孔不良。因為在阻焊流程，可能因為S/M質(zhì)量缺陷需對其進(jìn)行返工處理，但對于微小孔、高厚徑板子，在返洗S/M時，對于進(jìn)行阻焊油墨塞孔的導(dǎo)通孔，往往較難清洗干凈，這樣在進(jìn)行重新塞孔時易造成塞孔不良。而使用超聲波清洗則能使導(dǎo)通孔內(nèi)S/M清除干凈，利于重塞孔。其清洗前后比較見示意圖1。

圖1 不使用/使用超聲波清洗塞孔效果對比

對于阻焊流程，為保證其清洗效果，清洗條件與其它流程稍有不同，具體見表1。

表1 阻焊返工板超聲波清洗參數(shù)

3.2 去毛刺流程

一方面，鉆孔時，玻璃環(huán)氧樹脂與鉆嘴，在高速旋轉(zhuǎn)劇烈磨擦的過程中，局部溫度上升至200 ℃以上，超過樹脂的Tg值（130 ℃左右）。致使樹脂被軟化熔化成為膠糊狀而基本涂滿孔壁；冷卻后便成了膠渣（Smear）。另外，鉆孔時，還會或多或少的殘留鉆屑于孔中，對于大孔來講，以上鉆污經(jīng)過去鉆污流程處理基本保證能去除干凈，然而，對于一些微小孔（f≤0.30 mm），由于Desmear藥水在其中潤濕及交換困難，可能會導(dǎo)致鉆污殘留，而經(jīng)過PTH、PPTH流程后，最終結(jié)果將會出現(xiàn)孔內(nèi)毛刺、塞孔或無銅。過程示意見圖3。

另一方面，去毛刺時，磨刷與板子相互磨擦?xí)r，彼此之間都會有所損傷，即磨刷在去除孔口毛刺及板面雜物的同時，本身也會磨損脫落，尤其對于氈刷較為嚴(yán)重，此種磨刷脫落物在磨刷轉(zhuǎn)動時可能被拖入孔中，與所在孔作用力不強(qiáng)的，經(jīng)過后面的高壓水洗可被除去，而與所在孔作用力較強(qiáng)的則經(jīng)過高壓水洗不可能去除。這樣，如經(jīng)過Desmear流程仍不能除去的話，則直接將導(dǎo)致塞孔/無銅。去毛刺導(dǎo)致的塞孔參見圖2～圖4。

圖2 鉆污可能導(dǎo)致塞孔示意圖

圖3 去毛刺時產(chǎn)生塞孔（1）

圖4 去毛刺時產(chǎn)生塞孔（2）

基于以上原因，在去毛刺后增加超聲波清洗流程，可在很大程度上去除鉆孔及去毛刺所殘留的雜污，改善塞孔/無銅缺陷，提高產(chǎn)品合格率。

3.3 PTH流程

由以上分析可知，由于鉆孔流程及去毛刺流程的影響，會出現(xiàn)雜污殘留于孔中，即便在去毛刺后使用超聲波清洗，但最終仍然不能100%去除雜污，另外，板子在通過Desmear流程時，孔中可能會增加新的雜污。而通過在Desmear流程后即中和后增加超聲波清洗，則對改善塞孔/無銅的程度大大提升。

3.4 表面處理流程

對于一些背板和高厚徑比生產(chǎn)板，正常設(shè)備其孔內(nèi)潤濕有一定難度，致使表面處理涂層失敗及因清洗困難而出現(xiàn)離子污染偏高，故現(xiàn)在已有相當(dāng)多的PCB生產(chǎn)廠在其生產(chǎn)線上增加了超聲波清洗設(shè)備。

3.5 PCB焊接前的清洗

當(dāng)前在PCB制造廠商的下游客戶中，當(dāng)板子一面進(jìn)行過波峰焊接之后，板面和元器件有時會殘留預(yù)焊劑或其它污染物。鑒于此超聲波清洗開始受到一些客戶的青睞。

4 超聲波清洗效果的評價

通過前面對超聲波清洗的原理介紹及理論分析，超聲波清洗能力從理論上講可以得到認(rèn)同，但實際生產(chǎn)其作用效果究竟又如何呢？由于目前在我司超聲波清洗主要用于PCB小孔內(nèi)雜物的清洗，鑒于此，我們可以通過從下面一款高精度小孔板的塞孔改善過程及相關(guān)數(shù)據(jù)得到答案。

4.1 超聲波清洗對小孔PCB塞孔缺陷的改善

批量生產(chǎn)板中高精度PCB，其厚徑比高，且小孔較多（其結(jié)構(gòu)信息資料參見表2），綜合看制作難度非常大。盡管如此，此板客戶還對孔內(nèi)質(zhì)量要求極為嚴(yán)格，即便是導(dǎo)通孔，也不允許有任何毛刺、半塞孔，更不用說塞孔了。其理由很簡單，任何毛刺、半塞孔、塞孔將影響其孔內(nèi)阻值，進(jìn)而影響電子產(chǎn)品使用性能。

表2 型號A信息資料

然而，競爭激烈的PCB市場使我們沒有選擇的余地，要生存就要知難而上，我們要通過型號A板實現(xiàn)自我超越！今天的量產(chǎn)及客戶100%的滿意度說明我們成功了。超越的結(jié)果是提高，然而超越的過程卻是艱辛的?？偨Y(jié)關(guān)于型號A的整個對毛刺、塞孔等品質(zhì)改善過程，具體情況如下：

高精度板生產(chǎn)流程確立：

正常流程→鉆孔→去毛刺→PTH→PPTH→正常流程

基于各個流程中之影響分析，針對不同的可能影響因素，對于型號A共進(jìn)行以下流程的論證：

使用超聲波清洗可去除塞孔，而不使用超聲波清洗則大部分塞孔依然存在，具體結(jié)果如表3所示。

表3 模擬試驗測試結(jié)果

塞孔及無銅附切片圖5～圖8。

圖5 1#板PPTH后人為塞孔圖

圖6 1#板PPTH后人為塞孔導(dǎo)致無銅

圖7 1#板磨板后塞孔PPTH后

圖8 2#板人為塞孔PPTH后鍍層正常

結(jié)論：（1）超聲波清洗有助于消除磨板所帶來的塞孔，再次說明超聲波身手不凡。

（2）原以為銅粉塞孔經(jīng)藥水對孔的沖洗及微蝕液的處理后不會對板子造成不良影響，結(jié)果并非如此。而超聲波卻能較好的清除此類塞孔。

進(jìn)行實驗時，考慮到震蕩效果可能對塞孔產(chǎn)生影響，所以對沉銅線各震蕩效果測量，震蕩數(shù)據(jù)見表6。

表6 1#、2#PTH震蕩頻率

由以上看，1#PTH震蕩效果稍好于2#PTH，這說明在不考慮超聲波的情況下，震蕩對塞孔去除作用不明顯。

5 結(jié)論

通過對超聲波的研究，我們得出以下結(jié)論：

（1）超聲波作為一種清洗工具，在用于PCB制作中時能較好地改善塞孔問題?？梢韵慌c孔壁相連接的或不是較強(qiáng)外力擠壓進(jìn)孔中的異物。

（2）對于高厚徑比生產(chǎn)板而言，可通過采用生產(chǎn)流程：正常流程→鉆孔→壓縮空氣槍吹孔→去毛刺→超聲波清洗（20 min）→高壓水洗（7.0～10MPa三次）→Desmear→超聲波清洗（8 min）→PTH→PPTH→AOI檢測→正常流程生產(chǎn)以改善塞孔問題。

（3）超聲波的清洗機(jī)理為空化破壞，它會對固體表面造成不同程度的損傷，其清洗時間和功率選擇應(yīng)慎重考慮，最好聽取超聲波廠商專家的意見。對于不同的流程在使用其之前都應(yīng)進(jìn)行不同清洗條件論證，做都萬無一失。

（4）兼顧清洗效果及電鍍銅面損傷問題，對于頻率為40 kHz的超聲波而言，其清洗時間最好控制在10 min以內(nèi)（對已進(jìn)行過電鍍銅的PCB而言）。

（5）對于已完成表面處理的板子而言，如使用頻率為40 kHz的超聲波進(jìn)行清洗，清洗時間控制在2 min左右（OSP除外）。

隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，PCB的制作難度與日俱增，超聲波清洗技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提高了微小孔、高厚徑比PCB的制作能力，它可以使厚徑比為10的生產(chǎn)板（刀徑為0.25 mm）之塞孔廢品率控制在0.25%以下。本著“將有品質(zhì)的產(chǎn)品準(zhǔn)時附運(yùn)給客戶，又能符合客戶所規(guī)定的品質(zhì)、可靠性和各種功能的要求”的生益品質(zhì)政策及持續(xù)改進(jìn)的生益精神，目前在微小孔、高厚徑比板方面的生產(chǎn)能力已得到客戶的認(rèn)可，特別是型號A客戶，其在生產(chǎn)的PCB定單已不下5個。由原來對高難度板的恐懼到現(xiàn)在的游刃有余，應(yīng)該說超聲波清洗功不可沒。

The ultrasonic cleaning application in PCB production

Through the actual production application of ultrasonic, this paper mainly explained the cleaning function principle, main application process, clean result etc. and also pointed out the negative effects to PCB in the application of ultrasonic cleaning.

ultrasonic; burr; surface treatment

TN41 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

1009-0096（2012）08-0021-03

ZHANG Geng-sheng