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印制板用等離子清洗設(shè)備的維護(hù)

閱讀:739        發(fā)布時(shí)間:2020-9-25

文章內(nèi)容出自公眾號(hào):CPCA印制電路信息,本文作為行業(yè)科普文章摘錄發(fā)布

摘要:等離子技術(shù)在印制電路板行業(yè)中主要作為處理鉆孔殘膠的一種重要手段。文章介紹了PCB等離子清洗設(shè)備的維護(hù)方法。在等離子清洗設(shè)備在使用中,會(huì)遇到除膠清洗達(dá)不到要求、設(shè)備本身故障率異常等問(wèn)題。如何保證等離子清洗設(shè)備在生產(chǎn)中能夠達(dá)到工藝要求,同時(shí)保證設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行,等離子清洗設(shè)備的維護(hù)至關(guān)重要。

引言: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。

 

 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)。這類物質(zhì)所處在的狀態(tài)稱為等離子體狀態(tài),又稱為物質(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;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90min、70°C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°C溫度的環(huán)境中2h以內(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(200~500mL/min標(biāo)志)、O2(1000~2500mL/min標(biāo)志)、N2(500~1500mL/標(biāo)志)、H2(1000~2000mL/min標(biāo)志)范圍,溫度控制在60~85°C,等離子真空度26.7~33.3Pa(0.2~0.25torr),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6000~8000w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。

 

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。

階段一: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。 

階段二: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。

階段三: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10×10cm大小,測(cè)試前以DI水清洗,晾干,120°C烘干1h,稱重,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°C烘干1h,稱重,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5.5mm左右,孔徑0.35mm、1.0mm、2.0mm,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5~10μm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:小凹蝕量/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)照組的孔壁粗糙度大值差值)小于25μm。

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

(6)滿載(放滿正常生產(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3μm/10min以上。

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)。

圖3  等離子腔體污垢清潔情況

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10min。

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2min檢查電極一次,直到*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*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3min。

(6)使電極*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*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*沖洗托板架3min。

(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3min。

(6)使托板架*干燥(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。

圖5  保養(yǎng)后托板架
 

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°C,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
 

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)油位接近低紅線刻度,加油到紅標(biāo)線上下之間位置。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10min,紀(jì)錄低值4.0Pa/min≤6.0Pa/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10min,記錄真空低值,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3.2Pa/min≤6.0Pa/min,合格。

(3)咬蝕量測(cè)試:7~14mg/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24h無(wú)異常。

 

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。
 

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。

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