一種低溫等離子體清洗機(jī)的研制

　　本文介紹了干法清洗中發(fā)展較快、優(yōu)勢明顯的等離子體清洗的機(jī)理、類型、工藝特點(diǎn)等。并根據(jù)在低氣壓下由直流輝光放電產(chǎn)生等離子體的方法，研制了一種適用于PCB 微切片清洗的等離子體清洗機(jī)，同時對該等離子體清洗機(jī)的真空系統(tǒng)、高壓電源、控制過程的設(shè)計(jì)作出了詳細(xì)的說明。

　　等離子體清洗采用氣體作為清洗介質(zhì)，不存在使用液體清洗介質(zhì)對被清洗物帶來的二次污染。等離子體清洗機(jī)工作時真空清洗腔中的等離子體輕柔沖刷被清洗物的表面，短時間的清洗就可以使污染物被徹底地清洗掉，同時污染物被真空泵抽走，其清洗程度可達(dá)到分子級。

　　等離子體是由Sir William Crookes 在1879 年發(fā)現(xiàn)的。而等離子體清洗機(jī)應(yīng)用于工業(yè)，源于20世紀(jì)初。并且隨著等離子體物理研究的深入，其應(yīng)用越來越廣，目前已在眾多高科技領(lǐng)域中，居于關(guān)鍵技術(shù)的地位。等離子清洗技術(shù)對產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和人類文明影響最大的，首推電子資訊工業(yè)，尤其是半導(dǎo)體業(yè)與光電工業(yè)。

　　目前已廣泛應(yīng)用的物理化學(xué)清洗方法，大致可分為兩類：濕法清洗和干法清洗。干法清洗中發(fā)展較快、優(yōu)勢明顯的是等離子體清洗，等離子體清洗已逐步在半導(dǎo)體制造、微電子封裝、精密機(jī)械等行業(yè)開始普遍應(yīng)用。濕法清洗要大量使用酸堿等化學(xué)物質(zhì)，而且清洗后產(chǎn)生大量的廢氣、廢液。當(dāng)然濕法清洗目前在清洗工藝中還占據(jù)主導(dǎo)地位。但是從對環(huán)境的影響、原材料的消耗來看，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認(rèn)為干法清洗要明顯優(yōu)于濕法清洗，更應(yīng)是未來清洗方法的發(fā)展方向。

　　我單位生產(chǎn)的半導(dǎo)體專用精密儀器，電子元件和PCB 組裝后有時會發(fā)生電路阻抗下降及不匹配問題，既影響了儀器的準(zhǔn)確度還會導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。經(jīng)分析造成儀器故障的主要原因是PCB的板材、銅箔、過孔、電鍍等等的質(zhì)量缺陷，為了對PCB 的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，專門研制了用于PCB質(zhì)量評判的等離子體清洗機(jī)，對PCB 微切片進(jìn)行清洗(刻蝕)，使PCB 微切片的金相顯微組織圖像清晰，易于觀察。為了操作方便，清洗機(jī)直接采用空氣作為的工作氣體。清洗機(jī)在對PCB 微切片進(jìn)行等離子清洗(刻蝕)過程中同時還存在等離子濺射成膜的過程，且該膜還可增加PCB 微切片成像的襯度，但限于篇幅本文僅對等離子清洗進(jìn)行說明。

1、等離子體清洗

　　1.1、低溫等離子體的物理特性

　　低溫等離子態(tài)是指常溫下氣體被激發(fā)為等離子穩(wěn)定狀態(tài)。該狀態(tài)下電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于質(zhì)子，電子遷移率達(dá)到1000~10000 m/s。電子濃度1015 個/立方厘米。因此可以近似地認(rèn)為低溫等離子態(tài)等效N 型半導(dǎo)體性能：1. 需要被激發(fā);2. 電子濃度較低且可調(diào);3.電子遷移率極高;4.透明;5.純度高;6.電子逸出功基本為零;7.沒有自邊界，不存在濃度梯度。

　　低溫等離子體是部分電離的氣體，是物質(zhì)繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)第四態(tài)，當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的著火電壓時，氣體分子被擊穿，產(chǎn)生包括電子、各種離子、自由基、光子以及其他中性粒子在內(nèi)的混合體。放電過程中雖然電子溫度很高，甚至高達(dá)10000K 以上，但重粒子溫度很低，接近室溫，所以整個體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，稱為低溫等離子體。

　　1.2、等離子體清洗的機(jī)理

　　就反應(yīng)機(jī)理來看，等離子體清洗通常包括以下過程：無機(jī)氣體被激發(fā)為等離子態(tài);氣相物質(zhì)被吸附在固體表面;被吸附基團(tuán)與固體表面分子反應(yīng)生成產(chǎn)物分子;產(chǎn)物分子解析形成氣相;反應(yīng)殘余物脫離表面。

　　典型的等離子體化學(xué)清洗工藝是氧氣等離子體清洗。圖1 簡單描述了等離子體清洗的機(jī)理，主要是依靠等離子體中活性粒子的“活化作用”達(dá)到去除物體表面污漬的目的。通過等離子體產(chǎn)生的氧自由基非�；顫�，容易與碳?xì)浠�合物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳和水等易揮發(fā)物，從而去除表面的污染物。

圖1 等離子體清洗

　　由于等離子體中的高能電子、離子、原子和自由基等活性粒子的存在，其本身很容易與固體表面發(fā)生反應(yīng)，令到固體表面受到化學(xué)轟擊及物理轟擊，在真空和瞬時高溫狀態(tài)下，使污染物分子在極短的時間內(nèi)發(fā)生分解、蒸發(fā)，污染物在各種高能量粒子的沖擊下被擊碎并被真空帶出，并發(fā)生后續(xù)的各種反應(yīng)：如產(chǎn)生的紫外線具有很強(qiáng)的光能，可使附著在物體表面物質(zhì)的分子鍵發(fā)生斷裂而分解以達(dá)到降解污染物的目的。

　　1.3、等離子體清洗的類型

　　等離子體與固體表面發(fā)生的反應(yīng)可分為物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，即分為物理清洗和化學(xué)清洗。物理反應(yīng)機(jī)制是活性粒子轟擊待清洗表面，使污染物脫離固體表面并被真空泵吸走;化學(xué)反應(yīng)機(jī)制是各種活性的粒子和污染物反應(yīng)生成易揮發(fā)性的物質(zhì)，再由真空泵吸走。而PCB 的微切片的清洗(刻蝕)是表面反應(yīng)機(jī)制中物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生作用，即反應(yīng)離子刻蝕，而且兩種清洗可以互相促進(jìn)。在濺射粒子的轟擊過程中，PCB 的微切片始終處于等離子區(qū)中被清洗和激活，清除了附著不牢的淀積原子，凈化并活化了PCB 微切片表面。其效果是既有較好的選擇性、清洗率、均勻性，又有較好的方向性。

　　1.4、等離子體清洗的特點(diǎn)

　　等離子體清洗技術(shù)的最大特點(diǎn)是對幾乎所有的基材類型，均可進(jìn)行處理。對金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子材料，如聚脂、聚丙烯、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂、甚至聚四氟乙烯等都能很好地處理。而組成PCB 材料的不外乎以上的幾種。而且等離子體清洗可實(shí)現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗，所以對PCB 的微切片任何形狀、結(jié)構(gòu)均可處理。

　　等離子體清洗還具有以下幾個特點(diǎn)：用戶可以遠(yuǎn)離有害溶劑對人體的傷害;容易采用數(shù)字控制技術(shù)，自動化程度高;整個工藝流程效率極高;具有高精度的控制裝置，時間控制的精度很高;且正確的等離子體清洗不會在表面產(chǎn)生損傷層，表面質(zhì)量得到保證;由于是在真空中進(jìn)行，不污染環(huán)境，保證清洗表面不被二次污染。

　　1.5、等離子體產(chǎn)生的方法

　　低溫等離子體又稱非平衡態(tài)等離子體，通常由高頻放電，微波放電，介質(zhì)阻擋放電，電暈放電，輝光放電等方法產(chǎn)生等離子體。等離子體的產(chǎn)生最主要是靠電子去撞擊中性氣體原子，使中性氣體原子解離而產(chǎn)生等離子體，而施加高壓電場可使電子獲得的能量大于中性氣體原子核對電子的束縛能量，令中性氣體原子發(fā)生電離，電離產(chǎn)生的次級電子再被電場加速與氣體原子碰撞，使更多氣體原子電離，正負(fù)離子復(fù)合過程中會有光子釋放，即產(chǎn)生輝光放電。輝光放電是氣體放電的一種重要形式，一般在低氣壓情況下進(jìn)行。為生成輝光放電而施加的高壓電場的電壓值取決于氣壓p(真空度)和電極間的距離d。氣壓太低或距離太小，均會使輝光放電熄滅，這是因?yàn)闆]有足夠數(shù)量的氣體分子被碰撞產(chǎn)生離子和二次電子。而氣壓太高，二次電子因多次被碰撞而得不到加速，也不能產(chǎn)生輝光放電�？紤]到直流輝光放電具有如下的優(yōu)點(diǎn)：1.對電源要求不是太高，電路較易實(shí)現(xiàn);2.能量效率高且沒有電磁輻射;3.放電均勻而且是所有放電形式中最穩(wěn)定的放電形式;4.制作成本低。所以該低溫等離子體清洗機(jī)采用直流輝光放電產(chǎn)生等離子體。

4、結(jié)束語

　　該等離子體清洗機(jī)在處理PCB 微切片時運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便。只要選擇合適的工作電壓跟電流和清洗時間，處理后的PCB 微切片顯微圖象逼真、顏色真實(shí)、層次清晰、邊界分明，滿足了生產(chǎn)中對PCB 的質(zhì)量監(jiān)控，將儀器的質(zhì)量控制在萌芽階段，節(jié)省了材料及人工的費(fèi)用，有效地保證了儀器的質(zhì)量。而且和傳統(tǒng)的清洗方法相比等離子體清洗具有顯著的優(yōu)點(diǎn)———更有效、成本低、無廢棄物、無污染，有時可以達(dá)到傳統(tǒng)的化學(xué)方法難以獲得的處理效果。