本文介绍，最近在密间距技术中的进步已经提出了许多新的与印刷有关的挑战。

　　模板(stencil)清洁已经在表面贴装和通孔(through-hole)技术中扮演越来越重要的角色。密间距(fine-pitch)与超密间距(ultra-fine-pitch)的零件，与其它先进封装一起，都给模板清洁带来新的重要要求。为了在印刷密间距的过程中达到持续的高品质和精度的可再生水平，模板上一定不能有锡膏(solder paste)的残留物。

　　锡膏的量是一个关键问题。在模板印刷期间，锡膏量不足与不连续通常是随后的回流(reflow)焊接点缺陷的根源。另一方面，清洁模板在把适当数量的材料释放到印刷电路板(PCB)焊盘(pad)这个过程中是关键的。还有，胶剂也可以使用印刷的工艺，所以装配商喜欢有一种适合于清除锡膏和胶剂的清洁方法。

化学要求

　　现代模板清洁化学品必须是实用的、有效的、以及对工人和环境都安全的。它们还必须能够清除在误印装配A-和B-两面上的各种锡膏和助焊剂残留、未固化的胶和离子盐。模板边框必须可以适合于清洗参数：温度、时间、机械能量和清洁化学品等。边框由聚酯纤维组成，它是通过环氧树脂层压到框架上。超过130°F的温度将引起树脂层软化，导致模板缺陷。另外，如果经受长时间的高温清洗过程，铝框架、不锈钢片和聚酯纤维之间的温度膨胀系数可能使密间距开孔变形。化学不兼容的作用也可能在较高的温度下恶化，引起对现在在新的模板设计中出现的胶带的关注。

模板下的擦拭

　　对于密间距和超密间距元件，可靠的高合格率锡膏沉淀要求对所有材料与设备的严格自动化控制。模板要求过程中的清洁，以保证准确的锡膏高度与体积。使用一种安全溶剂和无毛纸的自动系统提供模板底面的不用人工插手的清洁，该系统可以选择装备纸下高压清洗系统。这种系统通过将颗粒过滤在纸中来减少印刷有关的缺陷，一条多孔的溶剂棒通过渗透将纸打湿，减少残留清洗溶剂。

　　一种有效的溶剂是可以溶解锡膏中的助焊剂和粘合剂并具有高于110°F闪点的溶剂。溶剂棒在整个纸宽上施加数量受控的溶剂，重要的是纸与溶剂的特性要匹配，以减少纸上溶剂的吸收和溶剂的消耗。一旦施加溶剂之后，可编程的真空系统帮助从模板的开孔中去掉锡膏，消除最终装配上的开路。

　　有几个起作用的因素决定所要求的模板轮廓类型和什么时候要求隔多久进行模板底部清洁。擦拭频率一般由各变量的结合所决定，包括模板类型、锡膏、PCB基板的共面性和印刷机设定。密间距、高密度模板是激光切割的，在大多数情况中电抛光提供光滑的表面，但要求底部擦拭来维持高合格率。图一说明开孔的剖面。化学腐蚀用于标准的SMT工艺，激光切割用于密间距技术，电解制造(电解抛光)用于晶圆植球技术。

图一、化学腐蚀、激光切割、电解抛光的模板开孔剖面

　　模板相对PCB的对中、适当的开孔对焊盘的纵横比帮助保证适当的密封和减少渗漏。开孔尺寸应该比焊盘小20%，以维持最小1.5的宽度对模板厚度的纵横比。甚至使用了适当的模板设计和正确的锡膏选择，还可能有几个与PCB有关的问题，它可能引起锡膏的渗漏，要求更频繁的底部擦拭。图二显示PCB表面上不规则的例子，妨碍了模板密封住焊盘。

图二、板面上的不规则可能妨碍模板密封住焊盘

擦拭的例子：晶圆植球

　　为晶圆植球使用模板印刷提供大批量生产的一个吸引人的节省成本方案。在几秒种时间里，印刷头将锡膏分布在一块模板上，成百上千的焊盘可以同时植球。模板含有几千个非常小、紧密相间的开孔，尺寸与位置公差对极为紧凑。

　　该技术使用的是激光切割的模板，经过电解抛光提供光滑的梯形孔壁。为了达到所要求的锡膏量和目标的回流锡球高度，模板厚度对决定开孔尺寸是非常重要的。较厚的模板是吸引人的，因为开孔不需要太大就可以得到和较薄的模板所要求一样的锡膏量。可是，较厚的模板锡膏转移效率低，因为较多的锡膏将粘附到孔壁上。

　　对于成功的晶圆印刷所要考虑的一些更重要的问题包括，锡膏、清洁选择、印刷环境、印刷机的设定和回流温度曲线。在印刷行程期间，推荐使用最轻的压力将锡膏从开孔擦掉。为了达到最均匀的印刷沉淀分布，最好以干净的模板和缓慢的分开速度开始，获得最高的转移效率，得到较好的印刷精确度。

　　模板清洁度对植球工艺的成功是关键的。含有小颗粒的粘性锡膏和微小的模板开孔一起可以降低挤压锡膏的转移率。甚至在单一的印刷行程之后，模板开孔可能积聚很多内层锡膏残留，这些可能很快干燥并污染下面印刷行程的锡膏沉淀。由于这个原因，在每次印刷之间推荐作彻底的模板清洁。建议使用不起毛布和溶剂擦拭模板底部。

工艺污染

　　未固化的锡膏。在模板上遇到的残留物一般是锡竿本身。低残留(即免洗)锡膏的出现已经引起锡膏制造商中的助焊剂技术的戏剧性变化。尽管当清洗化学品适合残留物时达到最佳的清洁效果，但是来自锡膏的残留物更加复杂，因为结合了各种摇溶控制和粘性时间增加的成分。结果，一种化学品不会适合所有的工艺。

　　随着免洗技术的进化，挑战是要设计一种用于印刷非常密间距图案的锡膏，达到很长的模板寿命和与各印刷机制造商的新的锡泵技术兼容。锡膏必须包含非常低的助焊剂量，其活性足够保证有效的可焊性。

　　保持锡粉的摇溶性材料与成分中的助焊剂留在板上，本质上是良性的。(Bellcore与其它标准可用来保证这一点)。可是，摇溶性材料在清除原始和已回流条件下的免洗锡膏时增加一定的难度。

　　已回流的免洗助焊剂残留物。随着工业成功地迈向免洗技术，制造商花费相当的努力把清洗从装配工艺中去掉。如果第二面误印，清洁装配的第一面成了一个普遍忽视的地方。清洁工艺必须能够从第一面清除所有已回流的残留物以及误印的锡膏。这比任何传统的模板和“A-面”清洁更加困难，因为免洗残留物在回流工艺之后一般是不可见的，但是，事实上是存在的。单独提高清洗工艺的温度，如果没有清洁剂的作用，足以令干净的残留物变成不透明或白色。

　　许多免洗锡膏使用石蜡状的材料来改进粘滞时间和提供印刷锡膏的“理想的”较高的砖形。如果一个PCB制造商已经购买了专门使用超声能量的设备，则将要求手工清洗。如果设备是原子化喷雾设计的，则可能要求相当的压力和流量来去掉已回流的残留物。因为这些选择件通常在购买设备时没有算在里面，所以从B-面误印清除已回流的免洗助焊剂残留物必须结合使用能够清除这种困难的残留物的化学清洗剂。这个工作一般要求一种具有高溶解性的清洗剂，而不是一种无机、高pH值的混合物。高溶解性，与良好的表面活性一起，将去掉A-面的残留物，不需要超声波搅动或极高的压力，而在大多数批量处理的系统中是没有这些的。

　　SMT胶剂。表面贴装包括两种基本上不同的制造工艺：锡膏和胶剂的使用。底面的元件可以使用胶剂在波峰焊接之前贴装，防止掉落到锡锅中去。

　　胶可以使用几种方法应用到PCB上：模板印刷、针头转移或注射器滴胶。用于模板印刷的那些通常是树脂胶，单一的热固系统。模板印刷提供快速的分配技术。虽然只有不到2%的胶现在是以这种方法应用，但是对该方法的兴趣已经增加了。使用该技术的装配商一般使用现有的设备来清洗模板和误印的PCB。

　　因为水洗化学剂对去掉树脂胶是无效的，所以化学清洗剂的设计要求先进的创新来满足这个要求。如较早前所述，溶解性是关键。溶剂稳定的乳状液已经证明对管理锡膏和胶剂都是有效的。

　　锡球。另一普遍忽视的方面是设备从工艺桶清除锡球的能力。这个不是想象的那么容易。离心分离和在线过滤是常见的方法。但是在一个专用的模板清洗机中，这个不一定是问题。相反，用于清洗误印的设备(或特别是双面的第二面误印)是一个主要关注，即，设备从工艺腔和喷射管过滤锡膏的能力。

　　由于双面回流装配的应用不断增加，锡球必须从工艺腔中清除，以免由泵产生的高压和大流量“鞭打”锡膏，重新落到PCB上。这可能产生生产封装配问题和现场可靠性问题。

从模板和误印板上清除锡膏

　　从模板和误印的装配上清除未固化的锡膏可以用手工擦拭、浸泡或空中喷雾工艺。每一个都有内在的优点与折衷点。

　　不起毛抹布。预先浸泡的不起毛抹布使用清洁溶剂来清除大多数的污点。抹布相对容易地、迅速地去掉未固化的锡膏和胶剂。关键的优点是低成本、受控的溶剂应用、包含住废物和容易使用。

　　可是，有许多折衷点是需要考虑的。随着引脚间距变得更密，印刷品质必须改进。不起毛预浸泡的抹布将不提供持续的从密间距开孔中清除锡膏或胶剂。如果锡膏在重新使用模板之前干燥在开孔内，将造成板的定位不好。同样不鼓励使用这些抹布从失调的板清除锡膏。因为这样会造成锡膏在板面上扩散，把锡膏沉淀在旁路孔和悍盘与表面涂层之间的区域。清除夹陷在这些区域的锡球可能导致极困难的清洗。

　　浸泡。超声波搅动，和水清洁剂一起，对清洁密间距模板和失调的板是可行的。冲击能量必须将清洁溶剂有效地从开孔和密间距模板的蚀刻区清除污垢。水溶清洁剂可以在低浓度和低温下使用，防止模板脱层和膨胀。锡膏将落到清洁桶的底部，帮助防止再集结到已清洁的表面。

　　当要求另外的清洗时，超声波浸泡系统的局限暴露出来。这里，水溶清洁剂对清除树脂材料不是很有效。虽然超声搅动结合清洁剂将从表面清除胶剂，但是它也将引起材料变成球状，浮到水洗溶剂的上面，或保持悬浮在浴液中。这诱发可能在模板或PCB表面的重新集结。第二个局限是在从误印板的B-面清除已回流助焊剂残留物期间发生的。这些局限可以在化学清洗剂的方案中克服，化学清洗剂必须充分地将胶剂乳化，和去掉免洗助焊剂残留。化学清洗剂对工艺污染物是有选择性的。

　　空气喷雾模板清洗系统是设计用于溶剂、半水性和全水性化学清洗剂的。这些系统通常使用一个单一的容器进行洗涤和冲涮。一个旋转的棒提供对模板或装配表面的喷雾冲击。选择正确的化学剂将提供一个能够清除未固化的锡膏、胶剂和已回流的助焊剂残留的工艺。

　　空气喷雾系统通常具有子系统将锡球过滤，以防止再沉淀。重要的是选择能够从浴液中清除最高百分比锡球的“合适的”过滤器。和大多数工艺一样，有过滤器和过滤系统的效率。

　　象超声浸泡系统一样，空气喷雾系统有一些必须考虑的固有的折衷点。例如，单容器系统倾向于产生化学品“拖出”的问题(洗涤溶剂进入冲涮桶)。当工艺容器大和当在洗涤与冲涮之间有普通管道时，这是最普遍的问题。化学品溢出使得模板清洗机的封闭循环在经济上困难。因此，对于水洗系统，推荐使用开环的最终冲涮到排放或者蒸发器。

化学清洗剂的选择

　　理想的方法是有一种单一的、环境友好的化学品，有效地清除所有有问题的污染物，并且与清洗设备和基板兼容，成倍低。推荐工艺工程师将化学清洁剂集中在问题中的污染物清除上面：

　　VOC顺应的。该技术使用无机增洁剂强化的清洗剂。以所建议的3-10%的使用浓度，这些清洗剂对大多数未固化的锡膏都是有效的。使用浸泡超声搅拌和空气喷雾两种工艺，对各种锡膏进行广泛的试验。顺应的清洗剂技术湿润了锡膏、将树脂粘合剂溶解到清洁溶剂内，允许锡球从表面去掉。这些溶剂在室温到125°F温度范围内工作。

　　尽管如此，当在喷雾设备中运行时，要求125°F温度来消除发泡的问题。这种化学剂的局限是它中等的去除已回流、免洗助焊剂残留物和胶剂的能力。如果A-面误印要求清洗，在B-面已回流的助焊剂物可能清除不完全，导致PCB上明显的白色残留物。

　　溶剂持续宏观乳化技术可清除在今天的模板清洁工艺中的各种污垢(即，未固化锡膏、已回流助焊剂残留物、胶、锡球等)。为了达到真正的水洗工艺，化学清洁剂必须使用相溶剂。当使用超声波或喷雾工艺搅动时，阶段溶剂混合形成一种溶剂持续的大量乳化液。

　　为什么要求溶剂持续的宏观乳化液？SMT胶是树脂材料，在水性清洗剂中是不可溶的。为了使胶可溶，形成一种反溶剂乳化液，用一种溶剂把胶湿润并溶解它。溶液中的表面活性剂将溶剂与水基体结合起来。这个新颖的方法提供一种混合清洗溶液，象水相中的溶剂一样起作用。

　　溶剂持续乳化液从化学表面活性剂开始，表面活性剂以复杂的有机链移植到表面和界面，形成新的分子表面。它们具有两个功能组的特征：一个极性头和一个无极性尾。图三显示对一个表面活性分子的一般描述。

图三、活性分子示意图

　　产品设计要求一种稳定的微观乳化液，来防止装运时的自发分离。在在稀释和将温度提高到大约105°F时，清洁溶液形成一种相反的宏观乳化液，它倾向于分离成两相。溶剂持续相湿润“嗜油”污垢(胶和已回流助焊剂残留)，把这些污垢从现有的模板清洗工艺中去掉(图四)。这个独特的方法满足多数设计标准。清洗机以不影响模板层的温度运作，但可以清除胶、未固化锡弓和已回流的免洗锡膏。溶剂可以用在批量超声波与空气喷雾工艺中(它有一个闪点)。局限包括在美国加洲不符合VOC法规、在喷雾应用中倾向于产生泡沫(在低于105°F的工艺温度)、和对胶和已回流助焊剂残留的清洁性能在低于105°F时比较差。

图四、

结论

　　印刷密间距和超密间距的模板要求在工艺过程中清洁模板底面。需要这样来防止少量的锡膏干燥和在开孔周围积累残留物。使用不起毛的纸卷与专门设计的溶剂一起可以清除这些残留物。

　　许多表面贴装工艺采用免洗技术，大部分都成功地去掉了工艺过程中的清洗设备。因此已经有要求，模板清洁工艺承担清除误印装配的锡膏与胶剂的额外工作。这就将一个简单的从模板清除未反应锡膏的工艺转变成一个复杂的、多任务的清洁工艺。由于大量与印刷工艺有联系的变量，人们设计出适合模板清洁的专用清洁剂。因此，在选择设备之前，选择满足要求的清洁剂应该仔细地验证其优点与缺点。

This article originally was presented at APEX 2001.

For a list of reference sources in this article, contact authors MIKE BIXENMAN and CHARLIE PITARYS at Kyzen Corp., 430 Harding Industrial Drive, Nashville, TN 37211; (615) 831-0888; Fax: (615) 831-0889; Web site: www.kyzen.com. 

(A 06/28/2001)