超声波清洗在IC电镀设备中的应用研究

陈庆伟，李习周，聂 燕，邵荣昌

(天水华天科技股份有限公司，甘肃天水741000)

超声波清洗在IC电镀设备中的应用研究

陈庆伟，李习周，聂 燕，邵荣昌

(天水华天科技股份有限公司，甘肃天水741000)

介绍了超声波清洗的原理，通过研究超声波清洗的特性和对产品表面的损伤，结合IC电镀中的实际问题，总结出超声波清洗的使用条件和实际使用中所具备的优势，为电镀设备的设计和实际使用提供参考。

超声波清洗；原理；电镀设备

一定频率范围的超声波作用于液体介质中的零件时，有很好的清洗作用，这一清洗技术自问世以来受到了各行业的普遍关注。以往微小零件、零件死角和难以触及地方的清洁一直让人备感棘手，超声技术的发展和运用使这一工作变得轻而易举[1]。因此，超声波清洗广泛应用于机械、电子、光学、电镀、汽车制造、钟表、医疗等行业。集成电路对产品镀层表面清洁度要求非常高，而超声波清洗是能达到此要求的理想技术，此技术的运用极大地提高了工作效率和清洗效果。经过多年的发展演变，超声技术更加成熟、可靠性更高、清洗效果更好，同时该应用也具有成本优势，在集成电路电镀行业内被广泛应用。

1 超声波清洗原理

超声波清洗是在换能器的作用下，将电能转换成超声波振动机械能，产生振幅极小的高频震动。通常振幅只有几微米，但这个振动加速度很大，一般能达到数十g。多组换能器施加相同的频率及相位的电能作用时，仿佛合成了一个巨大的活塞进行往复振动，这种振动就是我们所说的超声波。超声波的清洗是利用超声波空化原理，在辐射的功率达到一定程度后，会产生很多微小的气泡并不断破裂（如图1所示），气泡的破裂瞬间会产生几十至几百个大气压的冲击波，将产品表面冲刷干净[2]。

图1 空化气泡清洗原理示意图

2 超声波清洗系统的组成

超声波清洗系统由超声波发生器、换能器、清洗槽三部分组成，如图2所示。

图2 超声清洗系统组成

2.1 超声波发生器

超声波发生器是将工频交流电转换成高频电供给的换能器，超声波的工作频率由它来决定。

2.2 换能器

换能器是一种高效率的换能元件，往往由若干个声头并联组合为声阵而成，在这里电能被转换为同频机械振动能。换能器被加上高频电压后，它产生高频纵向振动，振幅很小约几微米，振动加速度很大。

2.3 清洗槽

清洗槽通常由SUS316不锈钢制成，换能器通常被安装在槽体底部。

3 超声波频率对引线框架表面的影响

3.1 频率和表面损伤深度的关系

采用超声波对零件表面进行清洗，随着超声频率的增加，零件表面的损伤深度越浅，两者之间的具体对应关系如图3所示。

图3 频率与表面损伤深度对应关系

通过对超声波清洗过的引线框架表面粗糙程度的测量，证明在相同的清洗时间下，随着超声频率的增加，框架表面的表面粗糙度Ra越低，具体如表1所示。

表1 框架表面粗糙度测量数据

3.2 超声波清洗的频率选择

框架表面损伤直接与超声频率相关，频率越低空化强度高，清洗效果好，但破坏力大，长时间清洗会造成表面被空化腐蚀损伤。超声频率越高，空化气泡越小，强度越弱，但伴随频率升高又会使清洗效果下降。低频超声清除大颗粒杂质效果很好，高频超声对清除小颗粒杂质特别有效[3]。在需要去污而不用考虑工件损伤的应用中，通常选择从28～40 kHz范围较低的清洗频率（超声频率低于20 kHz工作噪音变得很大，超出职业安全所规定的噪音限度，不能使用）。相反，清洗微小精细容易损坏的工件，就要充分考虑超声频率和功率的因素，以保证产品安全[4]。通常为防止表面损伤，选择的超声频率在40～200 kHz之间，基本不使用40 kHz以下的频率。最典型的例子就是军用电子产品已经规定，禁止使用传统频率（20～30 kHz）超声波清洗，避免产品损坏。

4 IC电镀中超声波清洗的使用

4.1 全自动电镀设备中超声波清洗的设置

超声波清洗在电镀线中的作用就是清除产品表面的污染物，最大可能减少残留，提高镀层品质。电镀时，超声波清洗的工位设置如图4所示。

4.2 超声波清洗的温度要求

超声波的空化作用在30～45℃区间时最强，清洗效果也最好，因此超声清洗工位要有温度控制功能（用温控器和加热器来实现温度设置）。由于有加热功能，该工位要有超温保护的设计，以保证设备安全。

4.3 超声波清洗的过滤

清洗过程中随着时间增加，清洗介质会有污染造成黏度增加，这会削弱超声空化能力，进而影响产品清洁和清洗效果。所以设备必须要有具备循环过滤功能的储液槽（循环过滤管道上须配置5微米滤芯），并经常检查更换滤芯。

4.4 超声波清洗槽的制作要求

清洗槽必须要用高品质不锈钢内胆，这样既能够增加反射避免能量损失，又能防腐蚀生锈。电镀线上使用的换能器要采用特种材料PZT压电陶瓷配合高性能树脂固定，使之良好绝缘并具备耐受腐蚀和100℃以上高温能力。

4.5 电镀过程使用超声波清洗的优势

（1）塑封料中的石蜡，分子量大熔点高，是残留在产品引脚上较难清洗掉的物质，它的存在直接影响到产品镀层质量，严重者会造成产品漏镀。而采用超声波清洗，十几秒即可将框架表面残留的石蜡彻底清洗干净。

（2）电镀前框架表面的油污、氧化皮及少量铜锈去除。传统的方法是用酸性化学药水浸泡腐蚀去掉氧化皮，但控制的不好就会面临过腐蚀问题，造成框架机械强度变差，甚至产品报废。如果采用超声波处理技术，可以在短时间内去除产品表面的污染，在一定程度上替代去氧化化学药水。

（3）框架表面清洗不彻底（微量药水残留）是镀层变色原因之一。使用超声波清洗能大幅提升产品清洗质量，在一定程度上能够预防镀层变色问题，检测数据如表2。

5 结束语

超声波清洗不论工件形状多么复杂尺寸多么小，只要是能与液体接触到的地方，超声波的清洗作用都能达到。并且清洗时产生的气泡非常均匀，产品清洗效果一致性很好，特别是对那些尺寸极小，管脚容易变形的IC产品更具有优势。超声波在液体中产生空化效应可以对产品表面进行清洁处理，这就能在一定条件范围内替代化学药水去除框架表面的铜锈和氧化皮，这样可以减少化学品的使用量，改善工作环境并减少污染。超声波清洗技术的应用可以使传统的电镀清洗工艺得到简化，节约大量的水资源。我们做过统计，要达到同样的产品清洗效果，用超声波清洗比一般漂洗节水60%以上。从超声波的清洗原理我们不难理解，它的清洗效率和效果都会

表2 产品镀层表面杂质检测对比

比较出色，它在电镀设备中的运用带来的最大好处就是，电镀后产品表面的药液残留问题得到很好的改善，IC镀层的品质得到显著提升。

[3] 刘晓东 刘传绍.超声波清洗技术的研究与应用现状[J].清洗世界，2009.25(1)：28=31.

[4] 李雅丽.超声波清洗的原理和实际应用[J].清洗世界，2006.22（7）:31=35.

[1] 邵振江.超声波清洗技术的原理与应用[J].中国机械，2014(5)：156=157.

[2] 陈华茂.吴华强.超声波在电镀中应用[J].化学世界，2003.97(2)：97=99.

Ultrasonic Cleaning Process Application Research in the IC Plating Machine

CHEN Qinwei，LI Xizhou，NIE Yan，SHAO Rongchang

(Tianshui Huatian Technology Co.,LTD.,Tianshui 741000，China)

This article introduces the principle of the Ultrasonic cleaning，through study the characteristics of ultrasonic cleaning and damage on the surface of products,combined with the practical problems in plating，summarizes the application advantages and using conditions，provide references for plating machine design and actual use.

Ultrasonic cleaning；Principle；IC Plating machine

TN305.97

：B

：1004-4507(2015)08-0030-04

陈庆伟（1977-）男，甘肃天水人，工程师。现为天水华天科技股份有限公司封装技术研究院工艺优化工程师，从事IC制造工艺的研究和专用设备设计研发工作。

2015-07-16