混合电路陶瓷基板清洗方法研究

于运友

（中山教育科技股份有限公司，广东中山，528400）

0 引言

焊膏回流焊工艺广泛应用于混合集成电路以及单片集成电路的制造中[1,2]。在回流焊过程中，焊膏中挥发出来的助焊剂，极有可能附着于器件焊盘等关键区域，严重影响引线键合质量及器件电学性能，因此需要在回流焊后采用有效的清洗措施去除附着于基板、固化后焊膏及器件表面上的助焊剂[3,4]。光隔离型点火电路广泛应用于航空航天等专用军事装备中，起着无可替代的作用[5]。本文以光隔离点火电路为例，首先通过镜检及裸露焊盘引线拉力来对比A、B两种不同组分的清洗液（A：三氯三氟乙烷：异丙醇=65∶35（体积比）；B：丙酮）对助焊剂的清洗效果。然后验证普通的手工刷洗方法与带超声刷洗方法是否存在差异。

1 试验过程

每只光隔离点火电路中的核心器件包括光电池（TLP3914，4个）、 运 放（LM124，1个）、 功 率MOSFET（IRFC1B60L ，4个）。选择电特性符合电参数指标要求且结构完好的光电池、运放、MOS芯片，外壳采用10#钢材质的管壳BOX2520–12P。陶瓷基板型号为vicon5374。混合电路装配所需要的设备包括：高温烘箱、回流焊链式炉、电炉。将所准备的36只光电池和36只MOS芯片，各分为9组，4个为一组与1块陶瓷基板焊接。粘接的顺序为：①管壳涂覆焊膏，陶瓷基板对准并垂直按压入管壳中（焊膏不能外溢到基板上表面），完成基板粘接→②陶瓷基板上的MOS芯片背电极焊接处涂覆焊膏（焊膏种类与管壳涂覆焊膏种类相同），完成MOS芯片粘接（焊膏不能外溢到MOS芯片表面及焊盘外部）→③光电池电极焊接处涂覆焊膏（焊膏种类与管壳涂覆焊膏种类相同），完成光电池粘接（保证光电池输入、输出同侧两电极间的焊膏间间距充分）。运放固化采用84–3J绝缘胶，固化温度为180℃，固化时间为40min，焊膏采用Sn62Pb36Ag2，其共晶温度为179℃。将点火电路管壳背面进行激光打印。1#、2#、3#采用三氯三氟乙烷+异丙醇清洗液手动清洗；4#、5#、6#采用丙酮清洗液手动清洗；7#、8#、9#采用第二组采用采用三氯三氟乙烷+异丙醇清洗液超声清洗。回流焊共分为6个温区，温区1设置温度为120℃，温区2设置温度为150℃，温区3设置温度为190℃，温区4设置温度为200℃，温区5设置温度为260℃，温区6设置温度为160℃。网链速度为25cm/min。三种清洗方案分别为：

方案一：采用三氯三氟乙烷（CFC–113，沸点为47.57℃）和异丙醇（IPA，沸点为82.45℃）的混合试剂清洗两遍，再用无水乙醇漂洗三遍的方法。工艺为：按体积比65∶35，利用有刻度的洁净量筒或烧杯配制三氯三氟乙烷和异丙醇的混合试剂。首先采用加热台将清洗剂加热至40℃，在把待洗器件或电路在混合液中浸泡3分钟，以混合液没过待清洗的器件为宜，然后用软毛毛笔（切勿采用牙刷）刷洗1分钟。混合液清洗完毕后，在洁净的器皿中，利用无水乙醇漂洗器件或电路3遍，每遍为3–5分钟，无水乙醇的温度以40℃为宜。在器件或电路进行下一工艺步骤开始前需要保存在无水乙醇中保存。

方案二：具体工艺为将方案一中的混合清洗液更换为丙酮，漂洗液仍为无水乙醇。操作方法与方案一相同。

方案三：把丙酮倒入超声波清洗机的清洗槽中，清洗剂液面需要没过载物架5cm，把待洗电路管壳开口向下放在清洗槽内的载物架上（两只放在载物架的中心位置处，两只放在载物架的边缘位置处），浸泡5min。设置超声清洗机的温度为40℃，功率为100W，超声频率为40kHz。盖上槽盖加热，待清洗剂温度达到40℃时，首先在40℃的环保清洗剂中浸泡电路5min，然后进行超声清洗，超声清洗时间为5min。超声清洗结束后，在洁净的器皿中，利用无水乙醇漂洗电路3遍，每遍为3–5分钟，无水乙醇的温度为40℃，在烘箱中烘干。

2 结果分析

在做拉力之前首先对9只点火电路进行老化后的电参数测试，其中利用丙酮试剂手动清洗中的三只点火电路中，出现一只点火电路电参数异常，饱和压降较高，漏电较大，功率MOS场效应晶体管不能有效开启，不满足电参数要求。开帽后对9只点火电路在显微镜下进行观察分析，所有点火电路表面无异常。用针轻触丙酮试剂手动清洗中电参数异常的点火电路陶瓷基板上30μm的引线键合点颈部，发现其基板上焊点呈搭接状，键合强度差。

对于采用三种不同清洗方法得到的9只点火电路，对各只点火电路的引线逐一进行拉力测试，拉力测试完成后，进行点火电路中光电池、运放、功率MOSFET芯片的剪切力测试。在拉力的测试过程中，所出现的现象包括：①板脱键：基板侧引线脱键；②中间断：引线中间断；③基板断：靠近基板键合点位置处的引线断；④芯侧断：靠近芯片键合点位置处的引线断；⑤腿侧断：靠近管壳内引线柱键合点位置处的引线断；⑥腿脱键：管壳内引线柱钉头引线脱键。其中30μm引线（点火电路中最细的引线，30μm铝引线拉力合格判据>2g）的拉力情况可最有效的反映清洗效果，本文以30μm引线的拉力值作为清洗效果评价的依据。

对于采用三氯三氟乙烷和异丙醇混合试剂手动清洗的三只点火电路，30μm引线拉力（取相同位置处引线拉力的平均值）分别为：11.699g（板脱键）、9.588g（板脱键）、12.553g（没脱键）、12.501g（没脱键）、6.822g（板脱键）、12.027g（没脱键）、10.497g（板脱键）、8.550g（板脱键）、8.198g（板脱键）、11.922g（板脱键）、13.024g（板脱键）、11.619g（没脱键）、9.267g（板脱键）、11.743g（板脱键）。拉力平均值为10.715g，脱键情况所占比例为71.42%。

对于采用丙酮试剂手动清洗的三只点火电路，30μm引线拉力分别为：5.490g（板脱键）、10.934g（没脱键）、8.091g（板脱键）、9.605g（板脱键）、9.322g（板脱键）、10.558g（板脱键）、5.568g（板脱键）、6.623g（板脱键）、5.438g（板脱键）、7.674g（板脱键）、9.291g（板脱键）、6.622g（板脱键）、7.075g（板脱键）、7.371g（板脱键）。拉力平均值为7.833g，脱键情况所占比例为92.85%。

对于采用丙酮试剂手动清洗的三只点火电路，30μm引线拉力分别为：13.352g（没脱键）、10.048g（板脱键）、12.104g（没脱键）、11.715g（板脱键）、11.526g（没脱键）、11.208g（没脱键）、15.411g（没脱键）、11.056g（没脱键）、12.801g（没脱键）、12.086g（板脱键）、14.015g（没脱键）、10.585g（板脱键）、12.679g（没脱键）、10.544g（板脱键）。拉力平均值为12.08g，脱键情况所占比例为35.71%。

由上述30μm引线拉力数据对比可知：在分别采用三氯三氟乙烷和异丙醇混合试剂手动清洗的三只点火电路和丙酮试剂手动清洗的三只点火电路（其它工艺相同），采用三氯三氟乙烷和异丙醇混合试剂手动清洗的三只点火电路的30μm引线拉力平均值明显高于丙酮试剂手动清洗的三只点火电路拉力平均值，采用三氯三氟乙烷和异丙醇混合试剂手动清洗的三只点火电路的30μm引线脱键比例明显低于丙酮试剂手动清洗的三只点火电路拉力脱键比例。在一定程度上表明在采用手动清洗时，三氯三氟乙烷和异丙醇混合试剂的清洗效果更好。在分别采用手动清洗和超声清洗两种方法清洗点火电路时，采用超声清洗方法对应的30μm引线拉力平均值显著高于采用手动清洗方法所对应的30μm引线拉力的平均值，采用超声清洗方法对应的30μm引线脱键比例显著低于采用手动清洗方法所对应的30μm引线脱键比例。表明超声清洗相比于手动清洗对于点火电路的清洗效果更好。而且采用丙酮试剂超声清洗工艺的清洗效果明显优于采用三氯三氟乙烷和异丙醇混合试剂手动清洗的清洗效果。表明相比于试剂种类（三氯三氟乙烷和异丙醇混合试剂或丙酮），清洗方法（手动或超声）是影响清洗效果的关键因素。在点火电路陶瓷基板的清洗工艺中推荐选择超声清洗方法。通过优化超声功率和试剂温度，可以达到较好的清洗效果。

3 结论

本文以光隔离点火电路为研究对象，首先通过镜检及裸露焊盘引线拉力来对比不同组分的清洗液对助焊剂的清洗效果。然后验证普通的手工刷洗方法与带超声刷洗方法是否存在差异。试验结果表明：采用丙酮试剂超声清洗工艺的清洗效果明显优于采用三氯三氟乙烷和异丙醇混合试剂手动清洗的清洗效果。相比于试剂种类（三氯三氟乙烷和异丙醇混合试剂或丙酮），清洗方法（手动或超声）是影响清洗效果的关键因素。通过优化超声功率和试剂温度，可以达到较好的清洗效果。