印制板用等離子清洗設(shè)備的維護(hù)

胡 豐 鐘冠祺 鞏 杰

（廣合科技（廣州）有限公司，廣東 廣州 510730）

等離子清洗設(shè)備在印制電路板（PCB）行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，PCB等離子清洗設(shè)備原理并不復(fù)雜，但是一套完整的等離子系統(tǒng)包含很多方面。在使用過(guò)程中，合理有效的進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，能夠減少設(shè)備的故障率，增加設(shè)備的使用壽命，同時(shí)能夠保證PCB板除膠清洗達(dá)到生產(chǎn)的工藝標(biāo)準(zhǔn)。這在PCB板的制造上，能起到很大的穩(wěn)定作用。

1 PCB等離子清洗機(jī)清洗原理介紹

1.1 什么是等離子體

等離子體是物質(zhì)的一種存在狀態(tài)，通常物質(zhì)以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)存在，但在一些特殊情況下可以以第四種狀態(tài)存在，如太陽(yáng)表面的物質(zhì)和地球大氣電離層中的物質(zhì)。這類(lèi)物質(zhì)所處在的狀態(tài)稱(chēng)為等離子體狀態(tài)，又稱(chēng)為物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體中存在下列物質(zhì)——處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子；處于激活狀態(tài)的中性原子、分子、原子團(tuán)（自由基）；離子化的原子、分子；分子解離反應(yīng)過(guò)程中生成的紫外線(xiàn)；未反應(yīng)的分子、原子等，但物質(zhì)在總體上仍保持中性狀態(tài)。

1.2 等離子清洗機(jī)清洗原理

等離子清洗機(jī)原理是兩個(gè)電極之間形成高頻交變電場(chǎng)，用真空泵在裝置的密閉容器中實(shí)現(xiàn)一定的真空度（見(jiàn)圖1）隨著氣體越來(lái)越稀薄，分子間距及分子或離子的自由運(yùn)動(dòng)距離也越來(lái)越長(zhǎng)，區(qū)域內(nèi)氣體在交變電場(chǎng)的激蕩下，形成等離子體。在真空和瞬時(shí)高溫狀態(tài)下，活性等離子對(duì)孔壁內(nèi)鉆污、殘膠及油污等污染物進(jìn)行物理轟擊與化學(xué)反應(yīng)雙重作用（見(jiàn)圖2），污染物部分蒸發(fā)或在高能量離子的沖擊下被擊碎，使被清洗物表面物質(zhì)變成粒子和氣態(tài)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)抽真空排出，從而達(dá)到清洗目的。

圖1 等離子清洗機(jī)原理

圖2 等離子除膠轟擊

PCB在制板在等離子處理前進(jìn)行90 min、70℃烘烤，保證產(chǎn)品內(nèi)水分已揮發(fā)。烘烤后產(chǎn)品避免再次受潮，應(yīng)保存在≤60%濕度下18～30℃溫度的環(huán)境中2 h以?xún)?nèi)。負(fù)壓型PCB等離子清洗設(shè)備選用的是CF2、O2、N2、H2等氣體進(jìn)行處理。在氣體的流量CF2（200～500 mL/min標(biāo)志）、O2（1000～2500 mL/min標(biāo)志）、N2（500～1500 mL/標(biāo)志）、H2（1000～2000 mL/min標(biāo)志）范圍，溫度控制在60～85℃，等離子真空度26.7～33.3 Pa（0.2～0.25 torr），根據(jù)咬蝕量要求設(shè)定的時(shí)間范圍（15～20）mg/min和功率范圍6000～8000 w以及保證真空腔體內(nèi)金屬材質(zhì)清潔，無(wú)嚴(yán)重污染狀態(tài)下進(jìn)行等離子除膠。

2 PCB的等離子體除膠清洗應(yīng)用

2.1 等離子清洗

PCB的等離子清洗除膠一般分為三步進(jìn)行，包括預(yù)熱、除膠、清洗。根據(jù)工藝需要，也會(huì)有多余三個(gè)階段的處理方式。

第一階段用高純度的氮?dú)猱a(chǎn)生等離子體，同時(shí)預(yù)熱PCB使高分子材料處于一定的活化態(tài)。這個(gè)階段溫度是關(guān)鍵。

第二階段以氧氣和四氟化體，混合后產(chǎn)生氧、氟等離子體，與丙烯酸、膠渣、玻璃纖維等反應(yīng)，達(dá)到去鉆污除膠的目的。這個(gè)階段氣體比例是關(guān)鍵。

第三階段采用氧氣為原始?xì)怏w，生成等離子體與反應(yīng)殘留物使孔壁清潔，在等離子清洗過(guò)程中，除發(fā)生等離子反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)，等離子體還與材料表面發(fā)生物理反應(yīng)，等離子體粒子將材料表面的原子或附著材料表面的原子打掉，達(dá)到清洗效果。

2.2 影響等離子清洗設(shè)備清洗的因素

等離子清洗除膠程度敏感度較高，其清洗效果容易受許多因素的影響。應(yīng)從PCB本身、工藝參數(shù)和等離子清洗機(jī)三個(gè)方面所帶來(lái)的因素去討論。PCB本身包含了鉆孔質(zhì)量、孔分布和大小、基板的潮濕程度和溫度。

工藝參數(shù)主要包括氣體比例、流量、射頻功率、真空度、溫度和處理時(shí)間等。

等離子清洗設(shè)備是除膠的基礎(chǔ)。例如等離子系統(tǒng)，冰水和熱量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，硬件的使用情況等等。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)工藝參數(shù)設(shè)定和PCB板本身質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，那么生產(chǎn)條件是否達(dá)到設(shè)定值和優(yōu)質(zhì)的除膠效果就取決于等離子清洗設(shè)備的運(yùn)行。等離子設(shè)備的良好狀態(tài)應(yīng)是保證除膠去污的前提。

2.3 除膠測(cè)試方法

2.3.1 咬蝕量測(cè)試方法。

取測(cè)試片10×10 cm大小，測(cè)試前以DI水清洗，晾干，120℃烘干1 h，稱(chēng)重，得其咬蝕前質(zhì)量M1（g）。等離子咬蝕以后，再以DI水清洗，晾干，120℃烘干1 h，稱(chēng)重，得其咬蝕后質(zhì)量M2（g）計(jì)算方法：（M1-M2）×1000（mg/g）÷ 2（面）÷ 100（cm2）（注意：兩次烘干稱(chēng)重要迅速，不要再沾染水氣，影響結(jié)果）。

2.3.2 咬蝕能力測(cè)量方法。

取鉆孔后的FR-4板料多層測(cè)試板，板厚5.5 mm左右，孔徑0.35 mm、1.0 mm、2.0 mm，用膠帶兩面封閉數(shù)組孔作為對(duì)照組，正常等離子咬蝕（時(shí)間以咬蝕5～10 μm除膠量為準(zhǔn)），然后去掉封閉對(duì)照孔的膠帶、沉銅、板鍍、切片用金相顯微觀察孔壁樹(shù)脂凹蝕量。樹(shù)脂凹蝕量測(cè)量取內(nèi)層銅環(huán)和樹(shù)脂鄰接的斷面距離（測(cè)量位置需避開(kāi)玻纖造成的陰影）。

標(biāo)準(zhǔn)：

（1）FR-4板料孔內(nèi)不同位置咬蝕差異：最小凹蝕量/最大凹蝕量≥0.8。

（2）同一塊板相同孔徑的孔分布密集位置和孤立孔的平均咬蝕量比值（較小值：較大值）≥0.8。

（3）小孔和大孔的平均咬蝕量比值（較小值：較大值）≥0.8。

（4）等離子咬蝕造成的孔壁粗糙度增加（等離子咬蝕和對(duì)照組的孔壁粗糙度最大值差值）小于25 μm。

（5）等離子咬蝕造成的燈芯增加（等離子咬蝕和對(duì)照組的燈芯最大值差值）小于50 μm，或燈芯總量符合IPC標(biāo)準(zhǔn)要求（80 μm以?xún)?nèi)）。

（6）滿(mǎn)載（放滿(mǎn)正常生產(chǎn)板，測(cè)試片和生產(chǎn)板一起做）和空載（僅放測(cè)試片）平均咬蝕量比值（較小值：較大值）0.70。

（7）蝕刻速率3 μm/10 min以上。

3 等離子體設(shè)備保養(yǎng)

在實(shí)際生產(chǎn)中，我們發(fā)現(xiàn)PCB等離子清洗設(shè)備一些重要的部件會(huì)隨著使用時(shí)間的推移產(chǎn)生不同程度的氧化、老化、腐蝕等問(wèn)題，會(huì)是引起等離子清洗設(shè)備達(dá)不到除膠效果的原因，例如反應(yīng)腔、電極、托板架、氣體的壓力等。以下介紹了幾個(gè)關(guān)鍵部位保養(yǎng)前后的效果以及如何進(jìn)行保養(yǎng)。

3.1 等離子腔體清潔

等離子除膠時(shí)產(chǎn)生的污物大部分都接近電子級(jí)別，會(huì)隨著真空泵排除。但也會(huì)有一些大顆粒污染物產(chǎn)生。這些大顆粒污物會(huì)附著在腔壁、電極和托板架上。腔壁上有一層薄薄的“灰”，腔底掉落更嚴(yán)重（如圖3）。

對(duì)于腔壁用不可掉落的毛刷清潔使顆粒粉塵異物在腔壁脫落，用吸塵機(jī)將污物吸出。用脫脂布沾酒精擦拭，其次腔體導(dǎo)入N2和O2，用等離子體清除腔體內(nèi)殘余物，工作10 min。

圖3 等離子腔體污垢清潔情況

3.2 電極與托板架的保養(yǎng)翻新

托板架和電極長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)附著氧化層，同時(shí)采用等離子體處理烴基材料時(shí)，一段時(shí)間后在托板架、電極，RF導(dǎo)電桿上會(huì)積累一層薄的烴基殘留物，這些殘留物和氧化層是無(wú)法用酒精擦拭掉的。應(yīng)依據(jù)附著物的量對(duì)電極、托板架進(jìn)行翻新維護(hù)能保證除膠的穩(wěn)定。

清洗材料要求：氫氧化鈉、硫酸、城市用水和蒸餾水。注意：不要使用手磨機(jī)、砂紙或磨蝕性噴砂處理等機(jī)械方法清潔；氫氧化鈉溶液會(huì)與鋁發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)小心謹(jǐn)慎以確保僅在所需的時(shí)間內(nèi)清除沉積物；反應(yīng)中會(huì)生成具有潛在爆炸性的氫氣，因此工作區(qū)域應(yīng)保持良好的通風(fēng)。

3.2.1 電極的清潔翻新步驟

（1）從真空箱內(nèi)斷開(kāi)水和供電連接，然后切斷電源并取下接地電極。（留意每個(gè)電極的初始位置，使它們?cè)诒磺鍧嵑竽軌虬惭b在原來(lái)相同的位置上）；

（2）保護(hù)好冰水機(jī)的進(jìn)水口和出水口，在室溫下將拆下的電極沉浸在10%的氫氧化鈉溶液內(nèi)。在沉浸時(shí)每2 min檢查電極一次，直到徹底除去殘留物。實(shí)際清潔時(shí)間取決于積累在每個(gè)電極上的殘留物數(shù)量。

（3）用城市用水徹底沖洗電極3分鐘。

（4）將電極浸在硫酸和水（按重量為5%）的溶液中一分鐘（不能干燥）后，立即進(jìn)入下一步操作（這一步主要去除氧化層，干燥以后氧化層會(huì)再次附著，難以沖洗）。

（5）用蒸餾水沖洗電極兩次，每次3 min。

（6）使電極徹底干燥。

（7）將電極安裝在與原先的位置，如必要，更換絕緣體。

（8）重新連接好箱內(nèi)的水管和電力，翻新之后見(jiàn)圖4。

圖4 電極保養(yǎng)后電極

3.2.2 托板架的翻新維護(hù)

（1）需要將滾輪拆除后清洗，待清洗完成再次安裝，滾輪不能使用氫氧化鈉和硫酸浸泡清洗。

（2）托板架沉浸在10%的氫氧化鈉溶液中，沉浸時(shí)每2分鐘檢查托板架一次，直到徹底除去殘留物，實(shí)際清潔時(shí)間取決于積累在每個(gè)托板架上的殘留物數(shù)量。

（3）使用城市用水徹底沖洗托板架3 min。

（4）將托板架浸在硫酸和水（按重量為5%）的溶液中一分鐘后（不能干燥），立即進(jìn)入下一步操作（這一步主要去除氧化層，干燥以后氧化層會(huì)再次附著，難以沖洗）。

（5）用蒸餾水沖洗托板架兩次，每次3 min。

（6）使托板架徹底干燥（最好用布先擦干）。

（7）將托板架的滾輪安裝，如必要，更換滾輪絕緣墊片。翻新后見(jiàn)圖5。

3.2.3 腔體內(nèi)氣管、RF導(dǎo)電桿

腔體內(nèi)氣管也有不同程度的氧化，順帶保養(yǎng)電極的同時(shí)，一同保養(yǎng)（見(jiàn)圖6）。同樣參考了托板架保養(yǎng)2-6步驟。（注意：氣管拆卸下來(lái)需將兩端的口堵上，再進(jìn)行清洗）

圖5 保養(yǎng)后托板架

圖6 腔體內(nèi)氣管

3.3 氣體管道檢查

使用氣體質(zhì)量流量控制器對(duì)機(jī)臺(tái)氣體質(zhì)量流量控制器進(jìn)行測(cè)量，并參照檢測(cè)值校正機(jī)臺(tái)氣體質(zhì)量流量控制器。

也可參照同腔體真空度檢查（參考測(cè)試），關(guān)閉總閥之后檢查顯示O2、N2、CF4管道通道壓力數(shù)值，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)值有變化，用肥皂水噴在氣體管道接口處觀察，如有氣泡出現(xiàn)，重新更換接頭恢復(fù)正常。

3.4 冰水和熱量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)保養(yǎng)

冰水機(jī)和模溫機(jī)檢查，等離子除膠過(guò)程的溫度控制在85℃，電極的熱量轉(zhuǎn)換液是通過(guò)模溫機(jī)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的。

實(shí)際運(yùn)用中是使用純水，還是會(huì)有不少的雜質(zhì)和鋁發(fā)生腐蝕性反應(yīng)，所生成的水垢沉積物。水垢一旦過(guò)多鐵氟龍水管和接頭就會(huì)老化堵塞，PCB等離子設(shè)備除膠過(guò)程溫度不穩(wěn)定。定期檢查熱循環(huán)系統(tǒng)如發(fā)現(xiàn)老化，需及時(shí)更換鐵氟龍水管和接頭（見(jiàn)圖7）。

圖7 鐵氟龍水管和接頭

模溫機(jī)是通過(guò)加熱棒和冰水冷卻液進(jìn)行溫度調(diào)整的，一般說(shuō)PID整定是固定的，模溫機(jī)輸出的溫度不會(huì)有什么偏差。但要定期去檢查實(shí)際生產(chǎn)中腔體溫度是否與模溫機(jī)設(shè)定溫度一致和溫度達(dá)到要求所需的速度。如果發(fā)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)溫度與模溫機(jī)溫度不一致，就要檢查分布在腔體內(nèi)的溫度探頭，這也是導(dǎo)致PCB除膠不均勻的因素。溫度上升的速度過(guò)于慢就要檢查熱循環(huán)系統(tǒng)的管道。

冰水機(jī)一般是循環(huán)冰水使冷卻液冷卻的。它有兩套水系統(tǒng)，一是循環(huán)冰水，二是芯冷卻轉(zhuǎn)換水；有兩組過(guò)濾棉芯，任意一個(gè)過(guò)濾棉堵塞不流暢，都會(huì)出現(xiàn)冰水超溫，真空泵都會(huì)超溫，設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警，必須定期檢查并更換棉芯。

3.5 真空泵的保養(yǎng)

查看真空泵油位和油的純度，觀察油位視窗，發(fā)現(xiàn)油位接近最低紅線(xiàn)刻度，加油到紅標(biāo)線(xiàn)上下之間位置。真空泵加油示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 真空泵加油示意

3.6 測(cè)試

（1）極限真空測(cè)試。

手動(dòng)檢漏狀態(tài)下，打開(kāi)真空泵持續(xù)抽10 min，紀(jì)錄最低值4.0 Pa/min≤6.0 Pa/min，合格。

（2）真空泄漏值測(cè)試。

手動(dòng)檢漏狀態(tài)下，打開(kāi)真空泵持續(xù)抽10 min，記錄真空最低值，然后手動(dòng)關(guān)閉抽真空電磁閥，同步打開(kāi)檢漏按鈕，每分鐘數(shù)值3.2 Pa/min≤6.0 Pa/min，合格。

（3）咬蝕量測(cè)試：7～14 mg/min 合格。

（4）均勻性測(cè)試：75%以上為合格。

（5）運(yùn)行測(cè)試：運(yùn)行24 h無(wú)異常。

4 定期保養(yǎng)計(jì)劃

等離子設(shè)備在使用過(guò)程中，腔體內(nèi)出現(xiàn)的一些殘留物和氧化層，在前期發(fā)展階段，該薄層并不影響設(shè)備的運(yùn)行或成品。但是經(jīng)過(guò)持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)后，發(fā)現(xiàn)了除膠效果不穩(wěn)定，能察覺(jué)到微小改變，所以在使用一段時(shí)間之后是需要將托板架與電極進(jìn)行清洗翻新。

同時(shí)設(shè)備出現(xiàn)的故障也直接體現(xiàn)設(shè)備的保養(yǎng)的程度。如經(jīng)適當(dāng)?shù)木S修、翻新，電極的使用壽命可達(dá)到預(yù)期使用的最大值。那么通過(guò)等離子清洗設(shè)備的原理和構(gòu)成制定可行性保養(yǎng)計(jì)劃很關(guān)鍵。

從圖1可看出等離子設(shè)備的三大條件是真空環(huán)境（真空機(jī)組，真空檢測(cè)儀，腔體的密閉）、高能量（射頻電源、溫度、工藝氣體）和介質(zhì)（腔體、電極、托板架）組成。那么等離子設(shè)備的保養(yǎng)應(yīng)從以上這些方面進(jìn)行，根據(jù)保養(yǎng)項(xiàng)目劃分周期分為每日、每周、每月、半年、每年、2～3年，見(jiàn)表1。

5 總結(jié)

目前，用等離子除膠工藝代替常規(guī)化學(xué)溶劑除膠及高溫氧氣除膠已獲得顯著效果。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，影響等離子除膠效果的不僅僅是工藝技術(shù)，還有設(shè)備的穩(wěn)定性，比如工藝氣體的微小泄露、電極托板架的烴基殘留物、腔體內(nèi)其他管道的氧化程度以及設(shè)備本身不同程度的故障這些都是在PCB制造過(guò)程中直接對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生影響。因此，做好等離子清洗設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)非常必要。

表1 等離子設(shè)備保養(yǎng)周期及內(nèi)容和方法