超聲波清洗在IC電鍍設備中的應用研究

陳慶偉，李習周，聶 燕，邵榮昌

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

超聲波清洗在IC電鍍設備中的應用研究

陳慶偉，李習周，聶 燕，邵榮昌

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

介紹了超聲波清洗的原理，通過研究超聲波清洗的特性和對產品表面的損傷，結合IC電鍍中的實際問題，總結出超聲波清洗的使用條件和實際使用中所具備的優勢，為電鍍設備的設計和實際使用提供參考。

超聲波清洗；原理；電鍍設備

一定頻率范圍的超聲波作用于液體介質中的零件時，有很好的清洗作用，這一清洗技術自問世以來受到了各行業的普遍關注。以往微小零件、零件死角和難以觸及地方的清潔一直讓人備感棘手，超聲技術的發展和運用使這一工作變得輕而易舉[1]。因此，超聲波清洗廣泛應用于機械、電子、光學、電鍍、汽車制造、鐘表、醫療等行業。集成電路對產品鍍層表面清潔度要求非常高，而超聲波清洗是能達到此要求的理想技術，此技術的運用極大地提高了工作效率和清洗效果。經過多年的發展演變，超聲技術更加成熟、可靠性更高、清洗效果更好，同時該應用也具有成本優勢，在集成電路電鍍行業內被廣泛應用。

1 超聲波清洗原理

超聲波清洗是在換能器的作用下，將電能轉換成超聲波振動機械能，產生振幅極小的高頻震動。通常振幅只有幾微米，但這個振動加速度很大，一般能達到數十g。多組換能器施加相同的頻率及相位的電能作用時，仿佛合成了一個巨大的活塞進行往復振動，這種振動就是我們所說的超聲波。超聲波的清洗是利用超聲波空化原理，在輻射的功率達到一定程度后，會產生很多微小的氣泡并不斷破裂（如圖1所示），氣泡的破裂瞬間會產生幾十至幾百個大氣壓的沖擊波，將產品表面沖刷干凈[2]。

圖1 空化氣泡清洗原理示意圖

2 超聲波清洗系統的組成

超聲波清洗系統由超聲波發生器、換能器、清洗槽三部分組成，如圖2所示。

圖2 超聲清洗系統組成

2.1 超聲波發生器

超聲波發生器是將工頻交流電轉換成高頻電供給的換能器，超聲波的工作頻率由它來決定。

2.2 換能器

換能器是一種高效率的換能元件，往往由若干個聲頭并聯組合為聲陣而成，在這里電能被轉換為同頻機械振動能。換能器被加上高頻電壓后，它產生高頻縱向振動，振幅很小約幾微米，振動加速度很大。

2.3 清洗槽

清洗槽通常由SUS316不銹鋼制成，換能器通常被安裝在槽體底部。

3 超聲波頻率對引線框架表面的影響

3.1 頻率和表面損傷深度的關系

采用超聲波對零件表面進行清洗，隨著超聲頻率的增加，零件表面的損傷深度越淺，兩者之間的具體對應關系如圖3所示。

圖3 頻率與表面損傷深度對應關系

通過對超聲波清洗過的引線框架表面粗糙程度的測量，證明在相同的清洗時間下，隨著超聲頻率的增加，框架表面的表面粗糙度Ra越低，具體如表1所示。

表1 框架表面粗糙度測量數據

3.2 超聲波清洗的頻率選擇

框架表面損傷直接與超聲頻率相關，頻率越低空化強度高，清洗效果好，但破壞力大，長時間清洗會造成表面被空化腐蝕損傷。超聲頻率越高，空化氣泡越小，強度越弱，但伴隨頻率升高又會使清洗效果下降。低頻超聲清除大顆粒雜質效果很好，高頻超聲對清除小顆粒雜質特別有效[3]。在需要去污而不用考慮工件損傷的應用中，通常選擇從28～40 kHz范圍較低的清洗頻率（超聲頻率低于20 kHz工作噪音變得很大，超出職業安全所規定的噪音限度，不能使用）。相反，清洗微小精細容易損壞的工件，就要充分考慮超聲頻率和功率的因素，以保證產品安全[4]。通常為防止表面損傷，選擇的超聲頻率在40～200 kHz之間，基本不使用40 kHz以下的頻率。最典型的例子就是軍用電子產品已經規定，禁止使用傳統頻率（20～30 kHz）超聲波清洗，避免產品損壞。

4 IC電鍍中超聲波清洗的使用

4.1 全自動電鍍設備中超聲波清洗的設置

超聲波清洗在電鍍線中的作用就是清除產品表面的污染物，最大可能減少殘留，提高鍍層品質。電鍍時，超聲波清洗的工位設置如圖4所示。

4.2 超聲波清洗的溫度要求

超聲波的空化作用在30～45℃區間時最強，清洗效果也最好，因此超聲清洗工位要有溫度控制功能（用溫控器和加熱器來實現溫度設置）。由于有加熱功能，該工位要有超溫保護的設計，以保證設備安全。

4.3 超聲波清洗的過濾

清洗過程中隨著時間增加，清洗介質會有污染造成黏度增加，這會削弱超聲空化能力，進而影響產品清潔和清洗效果。所以設備必須要有具備循環過濾功能的儲液槽（循環過濾管道上須配置5微米濾芯），并經常檢查更換濾芯。

4.4 超聲波清洗槽的制作要求

清洗槽必須要用高品質不銹鋼內膽，這樣既能夠增加反射避免能量損失，又能防腐蝕生銹。電鍍線上使用的換能器要采用特種材料PZT壓電陶瓷配合高性能樹脂固定，使之良好絕緣并具備耐受腐蝕和100℃以上高溫能力。

4.5 電鍍過程使用超聲波清洗的優勢

（1）塑封料中的石蠟，分子量大熔點高，是殘留在產品引腳上較難清洗掉的物質，它的存在直接影響到產品鍍層質量，嚴重者會造成產品漏鍍。而采用超聲波清洗，十幾秒即可將框架表面殘留的石蠟徹底清洗干凈。

（2）電鍍前框架表面的油污、氧化皮及少量銅銹去除。傳統的方法是用酸性化學藥水浸泡腐蝕去掉氧化皮，但控制的不好就會面臨過腐蝕問題，造成框架機械強度變差，甚至產品報廢。如果采用超聲波處理技術，可以在短時間內去除產品表面的污染，在一定程度上替代去氧化化學藥水。

（3）框架表面清洗不徹底（微量藥水殘留）是鍍層變色原因之一。使用超聲波清洗能大幅提升產品清洗質量，在一定程度上能夠預防鍍層變色問題，檢測數據如表2。

5 結束語

超聲波清洗不論工件形狀多么復雜尺寸多么小，只要是能與液體接觸到的地方，超聲波的清洗作用都能達到。并且清洗時產生的氣泡非常均勻，產品清洗效果一致性很好，特別是對那些尺寸極小，管腳容易變形的IC產品更具有優勢。超聲波在液體中產生空化效應可以對產品表面進行清潔處理，這就能在一定條件范圍內替代化學藥水去除框架表面的銅銹和氧化皮，這樣可以減少化學品的使用量，改善工作環境并減少污染。超聲波清洗技術的應用可以使傳統的電鍍清洗工藝得到簡化，節約大量的水資源。我們做過統計，要達到同樣的產品清洗效果，用超聲波清洗比一般漂洗節水60%以上。從超聲波的清洗原理我們不難理解，它的清洗效率和效果都會

表2 產品鍍層表面雜質檢測對比

比較出色，它在電鍍設備中的運用帶來的最大好處就是，電鍍后產品表面的藥液殘留問題得到很好的改善，IC鍍層的品質得到顯著提升。

[3] 劉曉東 劉傳紹.超聲波清洗技術的研究與應用現狀[J].清洗世界，2009.25(1)：28=31.

[4] 李雅麗.超聲波清洗的原理和實際應用[J].清洗世界，2006.22（7）:31=35.

[1] 邵振江.超聲波清洗技術的原理與應用[J].中國機械，2014(5)：156=157.

[2] 陳華茂.吳華強.超聲波在電鍍中應用[J].化學世界，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

陳慶偉（1977-）男，甘肅天水人，工程師?，F為天水華天科技股份有限公司封裝技術研究院工藝優化工程師，從事IC制造工藝的研究和專用設備設計研發工作。

2015-07-16