批量式等离子清洗机与在线式等离子清洗机的对比

戎有兰，高智刚，姚洪昆

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

等离子清洗机主要用于对电子封装用芯片、基板等元器件表面污物的清洗及表面特性的改善。目前，等离子清洗设备主要有批量式与在线式两种。等离子清洗机产生等离子体的装置是在密封容器中设置两个电极形成电场，用真空泵实现一定的真空度，随着气体愈来愈稀薄，分子间距及分子或离子的自由运动距离也愈来愈长，受电场作用，它们发生碰撞而形成等离子体，这些离子的活性很高，其能量足以破坏几乎所有的化学键，在任何暴露的表面引起化学反应。因此，等离子清洗机对于电子元器件表面污物的清洗具有很好的效果［1］。

1 建模

本文首先在三维设计软件Solidworks 的环境中，分别建立了批量式等离子清洗机和在线式等离子清洗机的模型，如图1、2 所示。

图1 批量式等离子清洗机

图2 在线式等离子清洗机

图1 所示的批量式等离子清洗机的主要结构包括:反应仓、壳体、控制系统、气路系统、电源以及真空系统等。

图2 所示的在线式等离子清洗机的主要结构包括:上下料推料机构、上下料置取料平台、上下料提升系统、上下料传输系统、上下料拨料机构、反应仓、设备主体框架和电气控制系统等。

在线式等离子清洗机是在批量式等离子清洗设备基础上为了尽量减少生产工艺中的人工参与而设计的一种设备，主要针对集成电路IC 封装工艺中引线键合前进行引线框架芯片、基板的等离子清洗，彻底去除其表面的氧化物、微颗粒污染物，达到改善材料表面性质，提高引线键合强度，降低焊不上、虚焊的可能性。

本文主要对两种清洗机共有的结构——反应仓的特性进行对比，其三维模型如图3、4 所示。通过使用ANSYS 有限元分析软件进行仿真，对两种清洗机反应仓的气流密度和电磁场特性进行了模拟。

图3 批量式等离子清洗机反应仓模型

图4 在线式等离子清洗机反应仓模型

2 ANSYS 简介

ANSYS 是世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境，可为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等行业［2］。

本文在ANSYS 中建立了两种反应仓的等效模型，对其定义材料属性、划分网格、施加载荷及设定边界约束条件，最后进行求解，分别求解了两种反应仓中气流密度及其电磁场的分布情况。

3 气流密度模拟结果

通过模拟分析，得到了两种反应仓内部气流分布图。图5 是批量式等离子清洗机反应仓使用ANSYS 分析后所得的气流分布图。图6 是在线式等离子清洗机反应仓使用ANSYS 分析后所得的气流分布图。其中图中底部的颜色条代表速度，从左到右依次增大，图中箭头代表气流方向和密度。

图5 批量式等离子清洗机反应仓气流分布图

图6 在线式等离子清洗机反应仓气流分布图

将两种反应仓内部气流速度具体的模拟结果列于表1。

表1 两种真空反应仓气流速度模拟结果

从表格中的数据可知，在线式等离子清洗机反应仓中气流运行的速度非常快，最大值是0.614e10，大约是批量式等离子清洗机反应仓中气流运行速度的106倍。从模拟图中也可看出，在线式等离子清洗机反应仓中气流密度较大，且比较均匀，对于电子元器件的清洗效果更好。

4 电磁场模拟结果

通过模拟分析，得到了两种反应仓内部电流密度和磁感应强度分布图。图7 和图8 是批量式等离子清洗机反应仓内部的电流密度值和磁感应强度B 值;图9 和图10 是在线式等离子清洗机反应仓内部的电流密度值和磁感应强度B 值。

图7 批量式等离子清洗机反应仓电流密度值

图8 批量式等离子清洗机反应仓磁感应强度值

图9 在线式等离子清洗机反应仓电流密度值

图10 在线式等离子清洗机反应仓磁感应强度值

将两种反应仓内部电磁场具体的模拟结果列于表2。

表2 两种真空反应仓电磁场模拟结果

通过对比表格中的数据可知:在线式等离子清洗机反应仓内的电流密度值和磁感应强度值较大，等离子体分布更加均匀，具有更好的清洗效果。从分布图中也可以看到，在线式等离子清洗机反应仓内中央部分的电流密度值比两边的值大，这样当把清洗物品放入反应仓中央时，也可使清洗更彻底。

5 结束语

随着工业和电子类消费产品市场的发展，电子设备变得更加轻薄，更加紧凑。这种市场需求推动了微电子封装的小型化，也对封装的可靠性提出了相应的要求，高质量的封装技术可以提高电子产品的寿命。封装过程中的芯片粘结空隙、较低的引线键合强度、焊球分层或脱落等问题成为制约封装可靠性的重要因素，必须在不破坏材料表面特性及电特性的前提下，有效地清除各种玷污，将等离子体清洗引入电子封装中，能够显著改善封装质量和可靠性［3］。本文通过对两种等离子清洗机反应仓内部的气流密度和电磁场对比分析可知，在线式等离子清洗机清洗效果更好，它具有高的生产效率，优良的均匀性和一致性，无人为二次污染，无静电损伤，无溅射及过热损伤，且非常有利于环境保护，清洗后不会产生有害污染物，在这全球高度关注环保意识的情况下越发显示出它的重要性。

［1］王大伟.微波等离子清洗控制系统及工艺的研究与设计［D］.西安：西安电子科技大学，2011.

［2］曾 攀.有限元分析及应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［3］阳范文，赵耀明.21 世纪我国电子封装行业的发展机遇与挑战［J］.半导体情报，2001(4) ：15－18.