批量式等離子清洗機與在線式等離子清洗機的對比

戎有蘭，高智剛，姚洪昆

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

等離子清洗機主要用于對電子封裝用芯片、基板等元器件表面污物的清洗及表面特性的改善。目前，等離子清洗設(shè)備主要有批量式與在線式兩種。等離子清洗機產(chǎn)生等離子體的裝置是在密封容器中設(shè)置兩個電極形成電場，用真空泵實現(xiàn)一定的真空度，隨著氣體愈來愈稀薄，分子間距及分子或離子的自由運動距離也愈來愈長，受電場作用，它們發(fā)生碰撞而形成等離子體，這些離子的活性很高，其能量足以破壞幾乎所有的化學(xué)鍵，在任何暴露的表面引起化學(xué)反應(yīng)。因此，等離子清洗機對于電子元器件表面污物的清洗具有很好的效果［1］。

1 建模

本文首先在三維設(shè)計軟件Solidworks 的環(huán)境中，分別建立了批量式等離子清洗機和在線式等離子清洗機的模型，如圖1、2 所示。

圖1 批量式等離子清洗機

圖2 在線式等離子清洗機

圖1 所示的批量式等離子清洗機的主要結(jié)構(gòu)包括:反應(yīng)倉、殼體、控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、電源以及真空系統(tǒng)等。

圖2 所示的在線式等離子清洗機的主要結(jié)構(gòu)包括:上下料推料機構(gòu)、上下料置取料平臺、上下料提升系統(tǒng)、上下料傳輸系統(tǒng)、上下料撥料機構(gòu)、反應(yīng)倉、設(shè)備主體框架和電氣控制系統(tǒng)等。

在線式等離子清洗機是在批量式等離子清洗設(shè)備基礎(chǔ)上為了盡量減少生產(chǎn)工藝中的人工參與而設(shè)計的一種設(shè)備，主要針對集成電路IC 封裝工藝中引線鍵合前進行引線框架芯片、基板的等離子清洗，徹底去除其表面的氧化物、微顆粒污染物，達到改善材料表面性質(zhì)，提高引線鍵合強度，降低焊不上、虛焊的可能性。

本文主要對兩種清洗機共有的結(jié)構(gòu)——反應(yīng)倉的特性進行對比，其三維模型如圖3、4 所示。通過使用ANSYS 有限元分析軟件進行仿真，對兩種清洗機反應(yīng)倉的氣流密度和電磁場特性進行了模擬。

圖3 批量式等離子清洗機反應(yīng)倉模型

圖4 在線式等離子清洗機反應(yīng)倉模型

2 ANSYS 簡介

ANSYS 是世界上著名的大型通用有限元計算軟件，它包括熱、電、磁、流體和結(jié)構(gòu)等諸多模塊，具有強大的求解器和前、后處理功能，同時也為用戶自己進行二次開發(fā)提供了友好的開發(fā)環(huán)境，可為我們解決復(fù)雜、龐大的工程項目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了一個優(yōu)良的工作環(huán)境，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等行業(yè)［2］。

本文在ANSYS 中建立了兩種反應(yīng)倉的等效模型，對其定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加載荷及設(shè)定邊界約束條件，最后進行求解，分別求解了兩種反應(yīng)倉中氣流密度及其電磁場的分布情況。

3 氣流密度模擬結(jié)果

通過模擬分析，得到了兩種反應(yīng)倉內(nèi)部氣流分布圖。圖5 是批量式等離子清洗機反應(yīng)倉使用ANSYS 分析后所得的氣流分布圖。圖6 是在線式等離子清洗機反應(yīng)倉使用ANSYS 分析后所得的氣流分布圖。其中圖中底部的顏色條代表速度，從左到右依次增大，圖中箭頭代表氣流方向和密度。

圖5 批量式等離子清洗機反應(yīng)倉氣流分布圖

圖6 在線式等離子清洗機反應(yīng)倉氣流分布圖

將兩種反應(yīng)倉內(nèi)部氣流速度具體的模擬結(jié)果列于表1。

表1 兩種真空反應(yīng)倉氣流速度模擬結(jié)果

從表格中的數(shù)據(jù)可知，在線式等離子清洗機反應(yīng)倉中氣流運行的速度非常快，最大值是0.614e10，大約是批量式等離子清洗機反應(yīng)倉中氣流運行速度的106倍。從模擬圖中也可看出，在線式等離子清洗機反應(yīng)倉中氣流密度較大，且比較均勻，對于電子元器件的清洗效果更好。

4 電磁場模擬結(jié)果

通過模擬分析，得到了兩種反應(yīng)倉內(nèi)部電流密度和磁感應(yīng)強度分布圖。圖7 和圖8 是批量式等離子清洗機反應(yīng)倉內(nèi)部的電流密度值和磁感應(yīng)強度B 值;圖9 和圖10 是在線式等離子清洗機反應(yīng)倉內(nèi)部的電流密度值和磁感應(yīng)強度B 值。

圖7 批量式等離子清洗機反應(yīng)倉電流密度值

圖8 批量式等離子清洗機反應(yīng)倉磁感應(yīng)強度值

圖9 在線式等離子清洗機反應(yīng)倉電流密度值

圖10 在線式等離子清洗機反應(yīng)倉磁感應(yīng)強度值

將兩種反應(yīng)倉內(nèi)部電磁場具體的模擬結(jié)果列于表2。

表2 兩種真空反應(yīng)倉電磁場模擬結(jié)果

通過對比表格中的數(shù)據(jù)可知:在線式等離子清洗機反應(yīng)倉內(nèi)的電流密度值和磁感應(yīng)強度值較大，等離子體分布更加均勻，具有更好的清洗效果。從分布圖中也可以看到，在線式等離子清洗機反應(yīng)倉內(nèi)中央部分的電流密度值比兩邊的值大，這樣當(dāng)把清洗物品放入反應(yīng)倉中央時，也可使清洗更徹底。

5 結(jié)束語

隨著工業(yè)和電子類消費產(chǎn)品市場的發(fā)展，電子設(shè)備變得更加輕薄，更加緊湊。這種市場需求推動了微電子封裝的小型化，也對封裝的可靠性提出了相應(yīng)的要求，高質(zhì)量的封裝技術(shù)可以提高電子產(chǎn)品的壽命。封裝過程中的芯片粘結(jié)空隙、較低的引線鍵合強度、焊球分層或脫落等問題成為制約封裝可靠性的重要因素，必須在不破壞材料表面特性及電特性的前提下，有效地清除各種玷污，將等離子體清洗引入電子封裝中，能夠顯著改善封裝質(zhì)量和可靠性［3］。本文通過對兩種等離子清洗機反應(yīng)倉內(nèi)部的氣流密度和電磁場對比分析可知，在線式等離子清洗機清洗效果更好，它具有高的生產(chǎn)效率，優(yōu)良的均勻性和一致性，無人為二次污染，無靜電損傷，無濺射及過熱損傷，且非常有利于環(huán)境保護，清洗后不會產(chǎn)生有害污染物，在這全球高度關(guān)注環(huán)保意識的情況下越發(fā)顯示出它的重要性。

［1］王大偉.微波等離子清洗控制系統(tǒng)及工藝的研究與設(shè)計［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

［2］曾 攀.有限元分析及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［3］陽范文，趙耀明.21 世紀(jì)我國電子封裝行業(yè)的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)［J］.半導(dǎo)體情報，2001(4) ：15－18.