本文介紹了干法清洗中發(fā)展較快、優(yōu)勢(shì)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(shí)對(duì)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(shuō)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(duì)被清洗物帶來(lái)的二次污染。等離子體清洗機(jī)工作時(shí)真空清洗腔中的等離子體輕柔沖刷被清洗物的表面，短時(shí)間的清洗就可以使污染物被徹底地清洗掉，同時(shí)污染物被真空泵抽走，其清洗程度可達(dá)到分子級(jí)。

　　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(lái)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(duì)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(shì)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(duì)環(huán)境的影響、原材料的消耗來(lái)看，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為干法清洗要明顯優(yōu)于濕法清洗，更應(yīng)是未來(lái)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(shí)會(huì)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(huì)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(duì)PCB 的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，專門研制了用于PCB質(zhì)量評(píng)判的等離子體清洗機(jī)，對(duì)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(duì)PCB 微切片進(jìn)行等離子清洗(刻蝕)過程中同時(shí)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(duì)等離子清洗進(jìn)行說(shuō)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(gè)/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(shí)，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(gè)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(lái)看，等離子體清洗通常包括以下過程：無(wú)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(jiǎn)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)生的氧自由基非常活潑，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(shí)高溫狀態(tài)下，使污染物分子在極短的時(shí)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(duì)幾乎所有的基材類型，均可進(jìn)行處理。對(duì)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(duì)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(gè)特點(diǎn)：用戶可以遠(yuǎn)離有害溶劑對(duì)人體的傷害;容易采用數(shù)字控制技術(shù)，自動(dòng)化程度高;整個(gè)工藝流程效率極高;具有高精度的控制裝置，時(shí)間控制的精度很高;且正確的等離子體清洗不會(huì)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(chǎng)可使電子獲得的能量大于中性氣體原子核對(duì)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(jí)電子再被電場(chǎng)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(huì)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(chǎng)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(huì)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(duì)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(yǔ)

　　該等離子體清洗機(jī)在處理PCB 微切片時(shí)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(shí)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(duì)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(wú)廢棄物、無(wú)污染，有時(shí)可以達(dá)到傳統(tǒng)的化學(xué)方法難以獲得的處理效果。