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超声波清洗在高精度PCB制造中的应用

2021-08-02 17:42
超声波乃声波的一种,之所以称为“超声”,这主要相对于人类的耳朵而言的,因为人类的耳朵听到的声音频率范围很窄,只有16Hz~20000Hz左右。频率低于16Hz的声音通常称为次声波,而频率高于20kHz的声音就称为我们所说的“超声”了。进入九十年代,科学技术的巨大变革已促使超声波技术快速发展,其性能和领域获得前所未有的突破。超声波清洗技术的应用带给人们不仅是理想的清洗效果,而且它还是一种利于环保的清洗手段。
 
电子工业持续的发展及更新,对PCB的制作提出了更高的要求,这种高要求主要表现为设计的复杂化、层数的提升、微小孔技术应用、厚径比的提高、良好的共面性等方面。其中微小孔、高厚径板的量产及HDI技术的发展给PCB湿流程制作增加了不小的难度。原来的生产线根本无法满足生产板品质要求.表现为塞孔/无铜缺陷比例的急剧升高,在表面处理流程,微小盲孔表现为较难的润湿性和被清洗。为保证PCB之盲孔、导通孔的质量,超声波清洗技术开始被引入PCB行业,生产实践表明超声波清洗能较好的改善塞孔/无铜缺陷和PCB表面处理效果.鉴于此,在线超声波的安装无疑武装了原来的生产线,增强了战斗力!
 

超声波的作用机理及主要组成

 
超声波清洗的作用机理主要为超声空化作用,超声空化作用主要表现在以下几个方面:
(1)存在于液体中的微气-泡(空化核)在声场的作用下振动,当声压达到一定值时,气泡将迅速变大,然后突然闭合,在气泡闭合时产生的冲击水波能在其周围产生上超过1000个大气压的瞬时高压,破坏、剥除污垢,使其分散于水中。
(2)空化气泡本身在振荡过程中,将伴随着一系列二阶现象发生,如辐射扭力。辐射扭力在均匀液体中作用于液体本身,从而导致液体本身的环流,即称之为声流,它可以使振动气泡处在很高的速度梯度和粘滞应力,这种应力有时高达100Pa上,足以使造成破坏而使其脱落。
(3)超声空化在固体和液体表面上所产生的高速微射流(Microjet)对清洗物产生冲击。综合以上三点,超声波作用机理主要是超声空化作用、超声空化产生二阶效应产生的声流作用以及超声空化在固体和液体界面产生的高速微射流的冲击作用。
 

超声波清洗在PCB制作中主要应用流程及作用

 
阻焊流程中的应用
超声波清洗用于阻焊流程中,其作用在于改善导通孔阻焊油墨塞孔不良。因为在阻焊流程,可能因为S/M质量缺陷需对其进行返工处理,但对于微小孔、高厚径板子,在返洗S/M时,对于进行阻焊油墨塞孔的导通孔,往往较难清洗干净,这样在进行重新塞孔时易造成塞孔不良。而使用超声波清洗则能使导通孔内S/M清除干净,利于重塞孔。其清洗前后比较见示意图1。
不使用/使用超声波清洗塞孔效果对比
不使用/使用超声波清洗塞孔效果对比
 

 去毛刺流程
一方面,钻孔时,玻璃环氧树脂与钻嘴,在高速旋转剧烈磨擦的过程中,局部温度上升至200℃以上,超过树脂的Tg值(130℃左右)。致使树脂被软化熔化成为胶糊状而基本涂满孔壁;冷却后便成了胶渣(Smear)。另外,钻孔时,还会或多或少的残留钻屑于孔中,对于大孔来讲,以上钻污经过去钻污流程处理基本保证能去除干净,然而,对于一些微小孔(f≤0.30mm),由于Desmear药水在其中润湿及交换困难,可能会导致钻污残留,而经过PTH、PPTH流程后,最终结果将会出现孔内毛刺、塞孔或无铜。另一方面,去毛刺时,磨刷与板子相互磨擦时,彼此之间都会有所损伤,即磨刷在去除孔口毛刺及板面杂物的同时,本身也会磨损脱落,尤其对于毡刷较为严重,此种磨刷脱落物在磨刷转动时可能被拖入孔中,与所在孔作用力不强的,经过后面的高压水洗可被除去,而与所在孔作用力较强的则经过高压水洗不可能去除。这样,如经过Desmear流程仍不能除去的话,则直接将导致塞孔/无铜。
 
基于以上原因,在去毛刺后增加超声波清洗流程,可在很大程度上去除钻孔及去毛刺所残留的杂污,改善塞孔/无铜缺陷,提高产品合格率。
 
表面处理流程
对于一些背板和高厚径比生产板,正常设备其孔内润湿有一定难度,致使表面处理涂层失败及因清洗困难而出现离子污染偏高,故现在已有相当多的PCB生产厂在其生产线上增加了超声波清洗设备。
 
PCB焊接前的清洗
当前在PCB制造厂商的下游客户中,当板子一面进行过波峰焊接之后,板面和元器件有时会残留预焊剂或其它污染物。鉴于此超声波清洗开始受到一些客户的青睐。
 
超声波作为一种清洗工具,在用于PCB制作中时能较好地改善塞孔问题。可以消除不与孔壁相连接的或不是较强外力挤压进孔中的异物。随着电子产品的发展, PCB 的制作难度与日俱 增,超声波清洗技术的发展与应用提高了微小孔、 高厚径比 PCB 的制作能力,它可以使厚径比为 10 的生 产板(刀径为 0.25 mm )之塞孔废品率控制在 0.25% 以下。