展商速递 | 细长微孔的清洗方法及研究（三捷）

作者：杨文雄，深圳市三捷机械设备有限公司 ，深圳市南山区

邮编：518067

邮箱：thomas..cn

微孔清洗 三捷机械 毛细微孔 点胶针嘴

随着市场上电子产品不断朝着轻量化、模块化的方式飞速发展，各种新型装配、填充、粘合工艺层出不穷。作为点胶工艺的关键器件，点胶针嘴的清洗与保养至关重要。本文通过理论分析，并加以不同的实验方法加以验证，结果证明多重手段结合的方式对微孔的清洗行之有效。

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 前言

近年来，为了满足市场上对于更高算力、更快运行速度、更高强度的需求，电子产品不断朝着轻量化、模块化的方式飞速发展。钢网印刷工艺已经可以实现小于100um微孔开孔尺寸的锡膏与银浆的涂敷，而新型点胶工艺已广泛应用于贴合、填充、锁固等环节。经过点胶工艺加持的电子产品，可以确保电子元器件在小尺寸范围内锁固更牢靠、散热更充分。目前，点胶工艺已广泛应用于消费电子、半导体封装等领域的制造。点胶制程的固化机理通常包括：

双组分混合固化。通过管路将A、B两路胶水（通常为环氧树脂）混合，二者产生化学反应固化；

UV紫外线照射固化。利用某些胶水对于紫外线敏感的方式，用紫外线照射胶水实现固化；

厌氧固化。利用某些胶水对于氧分子的依赖效应，将胶水注射至密闭空间，使其缺乏氧气固化。

图1 精密点胶工艺及设备（图片源自网络） 

图2精密网板涂敷工艺及设备（图片源自网络）

无论采用何种固化工艺，在精密封装领域，点胶工艺无一例外均采用电动泵将胶水注入点胶针头，再涂敷至基板的方式完成。在密间距的电路板组装制程中，精密点胶针头需要将直径小于100um的胶水珠准确、完整涂敷至指定位置。在这个环节中，点胶针嘴的通透状况直接影响制程的工艺品质。而在精密涂敷工艺里，印刷钢网的网孔清洁状况则直接影响涂敷品质，一颗细小的锡珠堵塞在网孔中间可能为后端的贴装与焊接制程带来灾难性的后果。为方便探讨，本文将开孔直径小于200um，孔深大于其直径10倍以上的微孔定义为细长微孔。印刷钢网虽然有局部微小开孔，但是由于其壁厚较小，故钢网的清洗技术不在本文考虑之列。

图3 开孔直径小于200um，长度大于5mm以上的微孔定义为细长微孔

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 常规清洗方法的探讨与验证

清洗工艺一直是半导体封装等高端制造流程中的关键工序。较长时间以来，常规的清洗手段不外乎水洗、吹淋和超声波等手段。醇类、烷类有机溶剂易挥发且燃点较低，在一些非必要的应用场合已经逐步被各设备厂商淘汰。近年随着化学材料的改良，一些化工厂商推出了水基型溶剂可以实现对特定成分有机物质的溶解，从而实现较好的清洗和剥离的效果。基于水基型溶剂的清洗设备和工艺逐步推广开来。选用何种清洗手段或溶剂，需要从成本效益、环保排放、对人体毒害性和储运安全等方面综合考虑，各类清洗手段的比较如下：

超声波清洗技术是一种常用的工业清洗技术。其作用机理是:将待清洗的物体浸泡于液体介质中，压电式换能器（超声波振子）产生18K~500KHZ高频震动将能量传送至液体介质中并产生正弦冲击波（图4）。液体介质在高频冲击波的冲击下，持续产生微小的气泡、坍缩、破裂。在这段过程中，气泡闭合的瞬间产生冲击波，使气泡周围产生巨大撕裂效应从而破坏微粒与基材的粘结（图5），而使他们分化于溶液中。【2】【3】

图4  超声波的能量叠加原理 【1】  

 图5超声波技术的撕裂、剥离效应原理【1】

经过我们的市场调研发现，市售的清洗设备中，有相当一部分采用了超声波工艺。然而，对于微孔清洗，超声波工艺的作用效果究竟如何？超声波的发生频率、能量功率大小对于孔径尺度有何关联呢？ 

图6   超声波经窄缝衍射示意图

假设一块厚度为h的钢板，中间有一个直径为100μm的微孔，该钢板被浸泡于一个充满水的容器，并将该容器一分为二。一个频率为450KHz超声波源在容器的一侧产生高频振动能量，其作用方式如上（图6）。

超声波在振荡过程中会在水面产生表面波以及水底产生声波，在水中声波的传播速度为1500m/s, 水波的波长：

由于孔径为100μm，远小于水波的波长，故水波将在传播过程中发生衍射。其穿透深度可通过菲涅尔距离估算如下：

由图可见，超声波清洗的有效作用深度与孔径фd尺寸的平方成正比，与超声波的波长成反比，这个也可以解释为何现有市售的超声波清洗机清洗效果对于微孔清洗效果不佳。特别是孔径在0201以下的微孔针嘴，超声波工艺尤为明显。

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 超声波清洗验证

如前所述，精密点胶工艺中的针嘴，其开孔直径小至50 ，孔深则有可能达到10mm，满足细长微孔的条件。点胶过程中，由于环氧树脂的A、B组分固化或者热固化，常常导致残胶遗留在针嘴表面或内孔当中，导致产线不良。为验证超声波工艺的清洗效果，我们从产线随机选取6只下线的针嘴，经过超声波工艺清洗。

为进一步加强清洗效果，实验人员将喷嘴置于超声波清洗机中，采用溶剂进行超声波清洗。清洗频率：40KHZ, 清洗前后的图片如下：

图7 采用超声波加溶剂的方式清洗前后对比（40倍成像）

由图可见，采用超声波清洗的吸嘴，采用溶剂水都无法将该喷嘴完全清洗干净。残存的胶水广泛存在于喷嘴的表面和内孔，无法彻底清除孔内残存的溶剂（图7）。

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 微孔清洗的理论再分析

如前所述，超声波工艺无法清除微孔内部的残留异物。这主要是由于吸嘴的微孔结构，对于超声波的能量产生了反射、折射、吸收以及衰减效应，大大影响了能量在微孔内部的传输。而孔径越细、深度越长，对能量的吸收与衰减效应更加明显（图8）。那么，我们究竟该如何清除微孔内部的异物呢？

根据伯努利流体学的理论（Bernoulli’s Law），在理想条件下，同一流管的任何一个截面处，单位体积流体的动能、势能和压力势能之和是一个常量:

其中，P为流体中某点的压强，为流体在该点的流速，为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度。

假设一束0.3MP的水柱在水平位置，在P1点以速度经过微孔d射向点2，

图8 水柱喷射细孔示意图

应用伯努利方程，

 计算出水流速度:

考虑黏性阻力对水流的影响，应用泊肃叶定律和能量守恒。根据泊肃叶定律，流体在水平圆管中作层流运动时，其体积流量Q与管子两端的压强差ΔP，管的半径r，长度L，以及流体的粘滞系数η有以下关系：

根据泊肃叶定律，压力差与黏性阻力的平衡关系为: 

其中，速度v由伯努利方程得到，代入后解出渗入深度为：

假设流体的压强差△P=0.3MPa=3 x10'Pa；水的密度p=1000kg/m；水的动力黏度n=0.001Pas，不同微孔直径的流体极限渗入深度如下：

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 超声波结合水压清洗再验证

由上述分析可见，超声波清洗可有效清除基材表面的脏污，而压力清洗则可以将能量射入深入孔径内部，实现杂质剥离的效果。为进一步验证清洗效果，笔者选取不同孔径、不同杂质的微孔针嘴，通过清洗之前后的拍照对比加以分析验证。孔深介于孔径的10~50倍之间。样品的应用场景包括点胶涂敷、固晶点锡、晶圆吸附等多种场景。清洗设备采用深圳市三捷机械设备有限公司的210系列精密点胶针嘴清洗机（图13）。该设备是三捷机械(Synergie)经多年测试验证，反复迭代更新的一款清洗机，该设备采用超声波清洗外表面、压力清洗深孔等多重手段，可对微孔、细长孔的点胶部件做高速清洗、吹干以及拍照留存。主要适用于半导体点胶、精密涂敷、高端消费电子产品组装等领域。实验人员分别选取不同应用场景的微孔针嘴，对其做清洗验证。实验结果图片如下：

清洗前

清洗后

图9 针嘴类型：点胶针嘴

孔径：200um 孔深≈1000um

脏污介质：胶水

清洗前

清洗后

图10 针嘴类型：点胶针嘴

孔径：100um 孔深≈1000um

脏污介质：胶水

清洗前

清洗后

图11 针嘴类型：点胶针嘴

孔径：75um 孔深≈3000um

脏污介质：胶水

清洗前

清洗后

图12针嘴类型：固晶针嘴

孔径：50umjiang，孔深≈1000um

脏污介质：银

图13  三捷210系列精密点胶针嘴清洗机

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 结论

薄壁微孔适合采用超声波工艺的方式清洗，超声波的能量可渗入80um以下的孔壁内部，可有效实现异物清除。对于毛细微孔结构，则宜采用压力清洗。综合超声波、压力清洗、CCD闭环检测等多重手段智能清洗设备可具备以下优点：

● 超强清洗能力——可对各组份的环氧胶、树脂类介、锡粉、银浆类介质做有效清洗；

● 细微孔径有效清洗——其清洗孔径为小至50um;

● 低残留高环保——普通水基型溶剂即可，无需采用高耗能溶剂，环保高效；

● 清洗手段多元化——可采用高压、干冰、溶剂等多重方式，确保器件清洗完好；

● 高清拍照验证——500~1000万像素高清拍照，可对微孔的洁净状态拍照留存并对接MES系统。

鸣谢：

2019年随着我们的智能吸嘴清洗设备进入广大电路板组装客户的生产工艺，便收到了市场各顶尖生产厂家关于微孔清洗的研发需求，三捷随即将微孔清洗技术加以立项研发。经过3年多的理论研究与技术攻关、我们进行了各种场合的测试与验证，验证过程中，行业内领军企业的技术工程师、研发骨干人员的指点、反馈，并承蒙客户提供样品与测试，在此表示感谢。

本文在撰写过程中，作者通过对市场的广泛调研与接洽，也得到相当一部分高端电子制造企业的技术人员的沟通、建议、反馈以及技术协助。在此对部分代表企业表示感谢。

注：本文所采用的图片资料系深圳市三捷机械设备有限公司的设备记录图片。为便于研究，图片已经过技术处理。

作者简介：

杨文雄，理学硕士，毕业于香港城市大学材料科学及纳米科技专业。曾任DEK中国研发部高级工程师，美国环球仪器公司中国研发部工程师。在美国、英国有丰富的项目工作经验及设备开发经历，电子制造行业从业超过20年。现任深圳市三捷机械设备有限公司商务拓展经理，负责产品战略研发及市场导入工作。

参考文献

1. Particle Adhesion and Removal, edited by K.L Mittal and Ravi Jaiswal, Scrivener Publishing.

2. Particle Deposition and Adhesion, Ahmed Busnaina , Northeastern University, Boston, MA, United States; Kaveh Bakhtari, Transient Electronics Inc., Brookline, MA, United States; Jin-Goo Park ,Hanyang University, Ansan, Republic of Korea.

3. 贴片机吸嘴智能清洗技术及应用，杨文雄，《一步步新技术》（原SMT China杂志）2023年12月刊。

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