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印制板用等離子清洗設(shè)備的維護(hù)
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,。