微米级接合和封装技术 - 钢板清洗
简介
在电子贴装中，锡膏的供应方式有点胶式、印刷式、针插式。在众多供应方式中，使用钢板的印刷方式因其生产效率高而成为主流1）。近年来，高密度贴装导致电路图案的微细化，以及零部件的小型化（例如0603型芯片和0402型芯片的贴装），印刷工艺中使用的钢板开孔部也越来越微小。随着这种微小化趋势的出现，残留在开孔边缘的锡膏和微小的焊锡颗粒所导致的印刷不良和贴装不良的情况时有发生，钢板清洗变得越来越重要。
本文前半部分将叙述钢板清洗剂的要求特性和各种清洗剂的特点，后半部分将 详细介绍代表性的钢板清洗方法。
清洗对象
清洗对象是附着在反复使用的钢板上的锡膏。从印刷精度和质量的角度来看，钢板不仅在使用后需要进行清洗，而且在经过一定的印刷工程后也必须进行清洗，以去除积聚在钢板开孔部的锡膏残渣(图6.1.1)。
由于所使用的锡膏采用了无铅工艺，其高温特性得到改善（抗热融性能），因此触变剂的种类转向使用高熔点材料，以提高润湿性，并通过改进活性剂来确保印刷时的稳定性。此外，近年来随着焊锡无卤化和钢板的精细化，这些触变剂和活性剂也得到了进一步的改良，用量也有所增加，导致清洗变得更加困难。因此，在更换锡膏时，即使是之前可以顺利完成清洗的清洗剂，也必须进行清洗性能的确认。
清洗目的
为了避免在印刷工艺中出现以下问题，需要清洗附着在钢板上的锡膏：
① 锡膏供给不良
锡膏在开孔部残留并固化，可能导致开孔部堵塞，进而影响稳定供应锡膏。供应量不足或者混入固化的锡膏会影响印刷品质。
② 锡膏附着到不需要的区域
堵塞的锡膏可能会通过钢板背面（基板方向）进入不需要的区域，导致桥接等焊接问题的发生，影响焊接质量。
③ 多品种锡膏的混入
在更换锡膏种类时，残留在钢板上的锡膏可能导致不同品种的锡膏混入，从而在无铅机种上出现混入铅的风险。
钢板清洗剂的性能要求
为了避免上述问题的发生，钢板清洗剂需要满足以下要求和条件。
① 对锡膏具有高溶解性
钢板清洗，通常采用异丙醇（以下简称IPA）进行，有的工厂会使用刷子、抹布等进行手工擦拭清洗。在手工擦拭的情况下，即便是使用IPA这类对锡膏的溶解性不高的清洗剂，但由于其物理作用较强，外观看起来可以进行清洗的情况仍然较多。然而，随着钢板开孔部的微小化，当使用溶解力较低的清洗剂时，手工擦拭的物理作用效果很难得到充分发挥，导致锡膏残留在开孔部，造成清洗质量参差不齐。
即使使用清洗机，情况也类似，低溶解力的清洗剂可能导致清洗质量下降，或者需要超长时间进行清洗。
② 对零部件影响小
钢板是通过将镀有不锈钢或镍的金属板与铝等金属框架结合，通过组合并使用胶带固定在一起的结构。除了使用只有清洗剂与钢板开孔部接触的清洗机进行清洗以外，在选择清洗剂时需要在保持对锡膏的溶解性的同时，还要尽量减少对版框与固定胶带粘合层的影响，需要选择满足这两个相反条件的清洗剂。如果清洗剂渗透到版框和固定胶带的粘合层中，会导致粘合强度下降，进而引发版张力降低造成的印刷不良和版剥离等问题。
③ 对人体、环境影响小
在满足以上①、②条件的基础上，更重要的是清洗剂对人体和环境的影响小。清洗剂中除水以外的化学物质，从低气味到刺激性气味，均具有各自的特点。通常情况下，在工作环境中要求清洗剂是无气味或低气味的，但无气味或低气味成分未必就表示对人体和环境的影响小，特别是无气味的产品在安全方面并不是理想的选择。
④ 符合日本各项法令法规
在日本法令中，如果适用于如劳动安全卫生法实施令中的有机溶剂中毒预防规则（以下简称安卫法有机规则）和化学物质管理促进法（以下简称PRTR法）等，将需要进行各种申报和管理。如果适用于安卫法有机规则，设置局部排气装置等会增加成本负担，因此需要选择不违反各种法令的清洗剂。
⑤ 综合成本较低
需要综合考虑清洗剂的价格，以及清洗剂的寿命（由于污染物混入导致溶解性降低）引起的液体更换频率和可回收性，以进行综合成本评估。
清洗剂种类3）
钢板清洗剂根据主要成分的不同分为以下几类，各具特点，以下将进行解说。
(1) 乙二醇醚类清洗剂
在钢板清洗剂中，市场上实际应用最多的是乙二醇醚类清洗剂。
图6.1.2为乙二醇及乙二醇醚类的结构式。这些溶剂分子内既包含疏水基（亲油基），如烷基基团，也包含亲水基，如醚基或羟基。这些溶剂的溶解性适用于锡膏中的树脂成分，例如松香树脂等非极性（亲油性）化合物，以及活性剂等极性（亲水性）化合物。
通常情况下，乙二醇类的气味相对较低，并且实际采用率高。然而，一部分低沸点的某些乙二醇类溶剂，存在生物体内代谢时可能引发生殖毒性、致畸性等问题4)，因此作业环境中的容许浓度受到严格的管制，其中一些还涉及到日本PRTR法（表6.1.1）。丙二醇类清洗剂的气味稍强，但毒性如生殖毒性和致畸性等相对较低，需求逐渐增加。二烷基乙二醇类清洗剂与上述两种清洗剂相比，溶解力高，气味相对较低，不过价格稍昂贵，通常被用作溶解助剂5)。
这些乙二醇醚类溶剂作为主要成分的清洗剂，由于存在闪点，因此大部分被划分为受日本消防法管制的危险品，同时也存在一部分的乙二醇醚类成分，其溶剂和一定比例的水混合后可以消除闪点，则可以归类为不受日本消防法管制的非危险品的清洗剂。
属于危险品类型的乙二醇醚类清洗剂，沸点约为120°C至170°C，烘干性较好，多数作为单液型清洗剂被使用。
非危险品类型的乙二醇醚类清洗剂通过混合水来消除其闪点，与高沸点溶剂的配比较多，因而烘干比较困难，需要用水充分漂洗后再烘干。如果清洗剂渗透到钢板金属框的粘接剂层中，高沸点成分不挥发而残留，可能会侵蚀粘接剂导致版脱落，因此需要特别注意。虽然有些清洗剂使用相对低沸点溶剂无需水冲洗，但由于添加了较多的水以降低闪点，其溶解性较差。这两种情况下，清洗剂中的水分挥发后，闪点会出现，使其变成日本消防法规定的危险品。因此，清洗剂的水分浓度管理非常重要。
(2) 酒精类清洗剂
酒精类如乙醇和IPA常被用于手工擦拭清洗。与乙二醇醚类清洗剂相比，其溶解性较差，但成本较低。使用过的液体可以通过蒸馏再生来分离和去除污染物质，从而实现液体的再利用，因此运行成本也较低。然而，酒精类清洗剂易燃，闪点较低，属于日本消防法规定的第4类酒精类物质，需要采取防火安全措施。(IPA的闪点为11.7°C，采用密闭法测量)
此外，IPA属于日本劳动安全卫生法规定的“第2种有机溶剂”，需要对工作环境中的浓度进行管理，并采取局部排气等措施。
(3) 碳氢清洗剂
烃类清洗剂根据化学结构分为石蜡系、环烷系和芳香族系。对于焊锡膏的溶解能力，芳香族＞环烷系＞石蜡。气味的轻重程度为石蜡≥环烷系＞芳香族。烘干性由各分子量和沸点范围决定。与乙二醇醚类清洗剂相比较为便宜，但是根据焊锡膏的种类可能出现溶解能力不足的问题。此外，烃类清洗剂具有闪点，并且高闪点的清洗剂也可能有易带电性质，因此需要采取防止静电爆炸的措施。对于版框架粘合剂的影响与溶解能力成正比，相比于乙二醇醚类清洗剂和酒精类清洗剂，对烃类清洗剂的影响更大，影响程度依次为芳香族＞环烷系＞石蜡。
对于溶解能力较高的芳香族烃类，如甲苯、二甲苯、1,3,5-三甲基苯（间二甲苯）等，是受到日本PRTR法管制的物质，但自2010年10月起实施的修订PRTR法中，新增了类似叔丁基苯、1,2,4-三甲基苯（假类叔丁基苯）等物质，大部分烃类物质都受到了监管。
(4) 酮类和酯类清洗剂
丙酮、甲基乙酮（MEK）、环己酮等酮类溶剂，以及乙酸乙酯、正丁酸乙酯、乙酸乳酯等酯类溶剂通常以单一成分或多种成分混合，被广泛用于手擦拭清洗剂中，对合成树脂有出色的溶解能力。然而，它们具有特有的气味，挥发性较高且易引燃。同时，它们对版框架粘合剂的影响也较大。
许多酮类和酯类清洗剂都属于日本的PRTR法、有机溶剂安全法的“第2种有机溶剂”，或者多数适用于日本的消防法，因此需要根据各种法律法规进行适当的使用管理。
(5) 溴类清洗剂
目前市场售卖的溴类清洗剂主要成分是1-溴丙烷（正丙基溴）。以前使用的同分异构体2-溴丙烷（异丙基溴）由于引发生殖功能障碍等问题成为社会问题，目前几乎不再使用。以1-溴丙烷为主要成分的溴类清洗剂是一种比水更重的无色透明液体，与1,1,1-三氯乙烷（氯系溶剂）一样具有不燃性，并具有可循环利用的特点。然而，它被列为日本PRTR法第一种指定化学物质，必须在作业环境浓度标准以下进行作业，需要注意其管理和处理。
(6) 水基清洗剂
水基清洗剂包括添加表面活性剂或碱性物质的水溶液，如电解水等。
水溶液具有不易引燃、不含挥发性有机化合物（VOC）、无异味等优点。然而，根据锡膏种类的不同，与溶剂类清洗剂相比溶解性可能较差，因此需要结合超声波或高压喷射等物理作用以确保清洁效果。
包含无机碱如氢氧化钠、氢氧化钾的碱性清洗剂在处理时需要注意对皮肤和眼睛的防护措施。此外，为了提高锡膏的印刷性能，处理过的钢板如经过电解、蒸发、树脂涂层等表面处理，可能受碱性作用影响而需要特别注意。此外，如果漂洗不充分，残留在钢板表面的碱性物质可能会附着到基板上，会出现导致电路特性下降以及金属腐蚀等不良影响的可能。
清洗方式
钢板清洗可以在印刷工序附近的组装线上使用挥发性高的清洗剂（如IPA）进行手工清洗，也可以使用手动或自动清洗机进行清洗。
手工清洗虽然经济简便，但存在清洗精度和工作环境等方面的问题。
在清洗精度方面，对于微小的开口部等难以受到物理作用影响的区域，难以保证其清洁度，且由存在操作者造成的清洗精度差异性。并且，手工清洗存在导致钢板开口部变形以及划伤钢板表面的风险，需要特别注意。此外，使用溶剂进行手动清洗，也容易产生工作环境方面的问题。
虽然不需要大型清洗设备，但希望确保清洗性能的用户可以使用具有清洗液溶解力和喷雾压力的清洗喷雾剂，或者使用小型手持式超声波清洗机（如图6.1.3）。
图6.1.3 小型手持式超声波清洗机
关于清洗机，市场上推出了各种类型的清洗机，包括喷淋清洗、浸泡在清洗剂中使用超声波清洗、以及直接将超声波照射在钢板上等多种清洗方法。在选择清洗机时，不仅需要考虑清洗质量，还要考虑对环境的影响以及导入设备的成本问题。使用清洗机时，需要用到大量的清洗剂进行清洗作业，因而会对环境产生较大影响，运行成本也会增加。因此，最好是尽可能的使用少量的清洗剂进行清洗。此外，清洗时间过长会增加清洗剂的挥发，还可能对网版框产生影响。
根据这些情况，清洗应尽可能在短时间内完成，最好使用少量的清洗剂，清洗机也应为实现这一目标而设计。
清洗方式不同致使清洗机制各有不同，因此需要选择适合清洗机的最佳清洗剂。以下介绍一些代表性的清洗方式。
(1) 喷淋清洗
喷淋清洗方式是通过喷嘴高速喷射清洗剂到被清洗物体上，利用流体的冲击力和溶解力进行清洗。整个网面喷淋清洗剂时，需要注意版框胶带的剥离问题；而使用高压喷射清洗时，需要注意钢板的变形问题。此外，为了消除喷淋不均匀现象，清洗机本身也需要选择合适的喷淋喷嘴，或者选择可以移动喷嘴或钢板的结构设计。
(2) 浸泡式超声波清洗
此方法为将整个钢板浸入清洗剂中，通过超声波的作用来进行清洗。在清洗剂中照射超声波会产生空化作用从而进行清洗。由于清洗槽内的空化效果可以调节，因此需要摇动钢板以实现清洗的均匀性。此外，由于超声波会照射到不需要清洗的部分，需要注意对铝框架、铝箔带和粘胶剂的影响。
(3) 非浸泡式超声波清洗（图6.1.4）
直接将超声波作用于钢板的方法是，在网面的正反两侧流动清洗剂，通过液膜将超声波振动传递到网面上进行清洗。所使用的清洗剂仅需流经整个网面的正反两侧，因此可以减少使用量。此外，超声波具有与传播距离成反比的能量衰减特性，但通过直接照射超声波到网面上，可以消除距离所产生的影响。因此，即使减小输出功率，也可以获得超声波的物理效果，与浸泡式超声波方法相比，可以在输出功率减半的情况下获得清洗效果。此外，还可以减轻对网面的损害，减少清洗剂的消耗和电力消耗，降低运行成本。
图6.1.4 非浸泡式超声波清洗方式
烘干方式
清洗或漂洗后主流风干方式是使用热风烘干。钢板清洗剂通常由沸点低于200°C的成分组成，同时通过局部排气系统进行室外排放，这导致挥发性有机化合物（VOC）成分的大气排放量成为一个待解决课题。除了设备端方面采取减少VOC排放的措施外，对清洗剂中的VOC成分含量也具有预期值。
结论
在钢板清洗中，我们需要综合考虑的不仅是焊膏的清洗性能，还包括对钢板的影响、对环境的影响以及清洗后的质量等各方面因素。随着未来对开孔部更加细微化的要求，可以预见对钢板清洗质量和减少环境负荷的要求将进一步提高。为了满足这些要求需要正确选择清洗剂和清洗设备，并且充分考虑每个因素并做出明智的选择。
〈赤松 悠紀／堀 薫夫〉
参考文献
1）Micro-Soldering Education Division, Japan Welding Engineering Society, Standard Micro-Soldering Technology 3rd ed. (Business and Technology Daily News, 2011), 114.
2）Japan Institute of Electronics Packaging, Dictionary of Electronics Packaging Technology (Kogyo Chosakai Publishing Co., Ltd., 2009), 609.
3）Japan Industrial Conference on Cleaning, Industrial Cleaning Checklist 2009 ed. (Japan Industrial Conference, 2009)
4）Kasuke Nagano et al, “Testicular Atrophy of Mice Induced by Ethylene Glycol Mono Alkyl Ethers,” Journal of Occupational Health (1979), 21. 29-35
5）Shigeo Hori, Ready-to-Use Cleaning Technology (Kogyo Chosakai Publishing Co., Ltd., 2001), 273.
6）Nahoko Imori, Fabricated Materials for Electronic Components April ed. (2000), 105.
7）Akio Inoue, Basics and Application of Electronics High Quality Screen Printing (CMC Publishing, 2011), 175.
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