清洗制程在电子产品制造行业的应用

　　                            ---薛廣輝

清洗工艺在电子产品制造领域的应用十分广泛，由来已久。早期清洗采用气相清洗，其基本工作原理是选用合适的溶剂置于槽中，对其加热使其汽化。将待清洗之产品悬挂于槽上方，汽化的溶剂接触到产品冷凝变成液态，带走产品上助焊剂残留物、异物等进入溶剂槽。加热后再次汽化，而助焊剂、异物等不会被汽化而留在槽内，汽化的永远是纯净的溶剂。此清洗工艺效率高，溶剂可反复长期使用，成本低，是理想的清洗方案。但选用的溶剂汽化后会逃逸到大气中，破坏地球的臭氧层，对环境有一定破坏作用，1987年通过的蒙特利尔协议规定禁止使用此类物质，于1989年正式实施，禁用了CFC / HCFC等对大气层有破坏的溶剂类物质。上世纪90年代，业界流行的清洗剂是单一醇类、异丙醇（IPA）、丙酮、碳氢系清洗剂，其清洗效果也比较理想，效率高、成本低。但清洗产生大量的废液，废液处理成为环保要求的巨大障碍。此阶段中国大陆电子制造产业正处于起步阶段，采用的即是醇类物质做产品清洗。21世纪中国电子制造产业进入发展快车道，此阶段改性醇类清洗液、微相清洗液、水基清洗液均在业界被广泛使用。经过长期的实战应用，伴随着环保政策的逐渐收紧，当今业界水基清洗液技术已然成为主流。

清洗设备技术发展与清洗液技术发展相匹配，气相清洗工艺被禁用后，超声振动清洗技术发展迅速。溶剂型清洗液在超声振动时因加热而加速挥发，这增加了爆炸的机率。业界出现多起超声波振动清洗爆炸的事故，这加速了溶剂型清洗液+超声波振动清洗退出主流清洗市场的脚步。电子产品上部分零件不允许超声振动作业，所以此类产品清洗也无法采用超声振动作业。水基清洗剂的发展为超声振动清洗制程保留了一定市场，时至当下，业界清洗载具、钢板、治具、金属件、塑胶件等仍可以使用超声振动+水基清洗液作业。在PCBA领域，钢板清洗、印刷不良PCB清洗等曾一度采用纯气动喷洒作业，但使用溶剂型清洗液仍存在爆炸的风险，加之气动喷洒物理激励能力有限，逐渐被喷淋+水基清洗液制程取代，市场日渐式微，消失殆尽。

增压喷淋+水基清洗液制程主导当下电子产品清洗工艺，从钢板清洗、印刷不良PCB清洗、成品PCBA清洗均大量采用此工艺。离线式喷淋清洗一般采用两槽结构：一槽容纳水基清洗液，为提高清洗效率，该槽一般具备加热能力，将水基清洗液加热至50°C以上，被大功率泵浦加速喷淋到待清洗产品表面，以此溶解、冲击产品表面异物、助焊剂残留物等，达成清洗的目的。如何确保喷淋不存在盲区、如何保证清洗液的物理激励能力，是清洗设备制造商的专业技术所在。另一槽是漂洗槽，通常使用经过过滤净化的去离子水对清洁后的产品做冲洗，确保产品表面没有清洗液的残留。设备可以配置烘干功能，漂洗后使用热风将产品烘干以供下工序直接使用。

大型的在线式清洗设备通常被用于大批量生产模式，一般具备加温浸泡、多槽加温清洗、多槽漂洗、烘干等功能。业界常见的在线式清洗设备，从物理激励能力上讲，有超声振动、涌流、喷淋三种。超声振动因部分元件限制，一般用于钢板清洗、治工具清洗、金属件&非金属件清洗；涌流式清洗的基本原理类似于将衣服浸入流动的河水，其物理激励能力源自于水流的涌动，因涌动能量有限，效率较低。同时因产品上结构问题导致存在涌动盲区，进而产生清洗不干净现象，故而在业界内使用范围较少，一般用于对清洗过程要求比较温和的特殊领域。喷淋清洗之所以成为主流，一者其物理激励能力可灵活调整（喷淋水速），通过调整喷嘴的位置、角度、覆盖面积等还可以降低阴影效应的影响，确保清洗品质的同时，可以保证清洗效率。可用于钢板清洗、PCB清洗、PCBA清洗等作业。

液体都存在表面张力，当被清洗物体间隙极小时，清洗液进入微缝隙将残留物带走的困难大幅度增加，这给清洗制程带来技术挑战。随着电子产品轻薄短小密的快速发展，PCBA制程中焊点高度缩小至20μm（如部分QFN、SON元件），如何确保清洗液能有效的进入20μm的微缝隙内将残留物带走，业界同仁做了大量功课。归结起来有两个大方向：清洗液小分子化、增加物理激励能力。清洗液制造商通过添加各种活性剂等成份，将清洗液分子团打碎缩小其分子团尺寸，以便于进入微缝隙。通过添加剂降低液体的表面张力是另一个改善清洗效果的有效途径。合适的物理激励能力是确保清洗效果与提升清洁效率的基础。虽然可以通过增加水流速度来提升喷淋设备的物理激励能力，但对于微缝隙而言，使清洗液进入元件底部的能量仍显不足。为确保微缝隙的清洁效果，业界一般采用离心式清洗工艺应对。离心式清洗工艺其工作原理如下图1：将产品固定在合适的工装上浸入清洗液，工装带着产品在清洗液内做高速旋转，清洗液相对于元件存在一个平行的剪切力，这有利于清洗液进入微缝隙内将异物带走。该制程在Wafer制造清洗制程中应用成熟，在PCBA制程中仅限于超微缝隙焊点清洗。

图1 离心式清洗工艺

清洗制程最终的目标是确保产品清洗干净。以PCBA为例，业界常参考的标准是IPC-CH-65B. 该标准明确了清洗剂的类型、清洗后洁净度标准（粒子残留浓度）、清洗后板面变色发白等的原因等，笔者于此不再赘述。

图2 IPC-CH-65B标准

如何保证清洗效果是PCBA业者关心所在。通常分为两个路径管理，一是监控清洗后的产品，通过测量其洁净度来指导清洗制程是否需要变更、调整，如更换清洗液、更换滤芯等。另一途径是监控清洗过程，如清洗液中的有效成份、PH值、漂洗水的PH值、漂洗水的电导率等。但就管理角度而言，笔者推荐后者作为清洗制程的管理方案，毕竟不出现异常胜过不合格后再处理让人安心。至于业界偶发的清洗烘干后产品三防漆涂敷，仍出现底部腐蚀、短路的案例确时有发生，清洗后PCB板面变色、元件变色、色环电阻掉色环、元件镀层变色、焊点发黑、电解电容防爆槽腐蚀漏水、洗不干净等现象，说来话长且各有各的缘由，需要注意分析并应对。

业界常用的另一种清洗制程称作等离子清洗，又称电浆清洗，英文写作Plasma。是使用电能将分子&原子电离成电子、离子并轰击物体表面，将物体表面污染物带走，增加物体表面能。等离子清洗制程分为两大类：一类等离子清洁制程工作时需要抽真空，在真空环境下清洁物体表面；另一类是正常环境下清洁物体表面。前者工作环境要求较高，常用于Wafer制造等精密产品制程，因其无法大批量连续生产，较少于用PCBA制程。后者可以满足On-line连续生产需求，在PCBA制程中应用广泛。等离子清洗制程不采用任何溶剂、液体，清洁后产品为干燥状态，可以立即执行下一工序作业。等离子清洁不产生任何废液、废气、废渣等，符合环保政策要求。需要说明的是，等离子清洗制程属于锦上添花的环节，不能起到雪中送碳的效果。也就是说，对于基本干净的物体表面，等离子清洗制程可以彻底清洁并增加物体的表面能，但对于助焊剂大量残留或异物残留的表面，等离子无法清除掉大量的残留物，传统的液体清洗可以带走大量的残留物。物体的表面能是用来描述物体表层分子、原子与其它接触物体分子、原子结合能力的指标。用环氧树脂胶水将一塑料块粘接于平面玻璃、毛玻璃、不锈钢、木头、瓷砖、塑料板上，粘结后产生的连接机械强度不同，原因就是平面玻璃、毛玻璃、不锈钢、木头、瓷砖、塑料板表面能不同。如日常生活用的不粘锅，其表面涂敷物质如铁氟龙表面能极低，胶水都能有效粘接，煎个鸡蛋、烙饼当然粘不住而呈现不粘的效果。用金属铲刀将不粘锅表面物质刮掉、破坏，底部金属材质呈现固有特性“粘锅”。

业界测量物体表面能的方法有很多，如水滴角测试法、达因笔测试法等。水滴角测试法是在被测物体表面滴一滴纯净水，通过仪器测量水滴与物体表面的润湿角（图3 水滴角测试）以此衡量物体的表面能。物体表面能越大，润湿角越小，反之，润湿角越大。

另一种方案是使用达因笔测试(图4 达因笔测试物体表面能)，其基本工作原理是将表面能固定的液体涂敷在待测试物体表面，如物体表面能大于液体表面能，则液体表现出不收缩状况，反之，液体会快速收缩，呈断续状。部分工厂使用溶液清洗产品，烘干后灌胶、涂敷，但涂层脱落、胶水与本体结合力不足分离，业者也可以使用以上两种方案测量产品、壳体的表面能，以确定改善方向。

当然，产品一定的条件下，使用等离子清洁后再涂敷灌胶，是有相当的帮助的，可以改善涂层或灌封胶与本体的结合力。等离子清洗制程在三防漆涂敷前用来清洁产品表面，可以提高三防漆膜与产品的附着力；产品灌封胶前使用等离子轰击物体表面，有助于提高胶与灌封物体间的结合力。等离子清洁度与清洗时间、次数、能量、喷嘴与物体表面距离正相关，能量越大、时间愈久、清洁次数越多、喷嘴与物体表面距离越近，清洁效果越好。但过度的清洁可能会导致损伤被清洁物体，如IC元件、小尺寸的阻容感元件等，原因是等离子清洁会产生一定的电压，需要控制电压不得损伤被清洁物体表面元件。MLCC、表贴电感等制程中也会使用等离子清洁制程，控制不当同样会损伤元件内部结构，甚者改变元件电气性能。

图3 水滴角测试

图4 达因笔测试物体表面能

业界还有一种清洗工艺为干冰清洗制程。其基本工作原理是将超低温固态二氧化碳粉碎呈小颗粒，以一定速度喷向待清洗物体表面，在超低温状态下，物体表面的残留物如助焊剂收缩产生裂纹，加之低温干冰颗粒的撞击而脱落，达成清洗的目的。干冰清洗在某些清洗领域有独特优势，如三防漆涂敷治具上残留大量漆膜，漆膜抗腐蚀、耐酸碱、耐溶剂，液体清洁困难度十分高，采用干冰清洗则相对容易，且效率高、不产生废液、无污染、无气味，工作环境相对友好。

波峰焊载具清洗、波峰焊设备清洁保养、回流焊设备清洁保养等都可以使用干冰清洗，可以大幅度提高清洁效率、操作简单、实施容易。干冰清洗在波峰焊焊点助焊剂残留清洁上也一枝独秀，有其独特优势。对于SMT焊点，干冰清洗存在一定困难，如小元件旁边大尺寸元件阻挡干冰的喷流路径，容易因存在盲区导致清洗不彻底。

另一问题是干冰清洗制程中有一定的静电，笔者曾经测过干冰清洗的静电压，结果在管制规范内。但因SMT元件密度大，容易存在阴影效应，BTC元件底部无法清洁等因素影响，笔者不推荐SMT焊点采用干冰清洗。对于波峰焊焊点、选择焊焊点、手工焊焊点、三防漆治工具、波峰焊载具、点胶载具、波峰焊设备保养、Reflow设备保养等均可以使用干冰清洗，见图5 干冰清洗制程的应用。

图5 干冰清洗制程的应用

清洗制程种类丰富，应用过程管制点不同，以水基清洗工艺为例，如何保证清洗品质，如何保证清洗不产生变色等异常，如何降低清洗产生的废液等话题，都是值得业界同仁关注的技术点所在，有机会笔者再做一一分享。