LTCC不锈钢网版清洗工艺优化*

卢会湘，陈　　磊，唐小平，严英占

（1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，石家庄 050081；

2.河北诺亚人力资源开发有限公司，石家庄 050035；

3.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄 050081）

LTCC不锈钢网版清洗工艺优化*

卢会湘1，3，陈磊2，3，唐小平1，3，严英占3

（1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，石家庄 050081；

2.河北诺亚人力资源开发有限公司，石家庄 050035；

3.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄 050081）

网版清洗是LTCC加工过程中一道重要的工序，它对LTCC产品中通孔和线条图案精度和连通可靠性起着极为重要的作用。特别是在网版再次使用过程时，只有将网版图案和丝网网孔中的金属浆料清除干净才能满足后续印刷的质量要求。分析了目前清洗工艺的现状，对网版清洗工艺进行优化，通过半自动清洗设备和清洗剂进行分析比较，并对关键工艺因素开展正交试验，获得了较优的工艺参数。

不锈钢网版；清洗工艺；正交试验

1　　引言

LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）是一种新型的电子封装材料，广泛应用于微波通信、航空航天和军事电子等领域［1，2］。LTCC基板采取多层并行加工方式，每层生瓷膜片分别印刷互连过孔和导体图案，再进行叠压和低温烧结等工序。

LTCC生产过程中需要大量的不锈钢网版，根据用途和类型可分为两类：填孔不锈钢版和线条不锈钢丝网版，其中填孔不锈钢版有大量φ0.1 mm～φ0.2 mm的圆形通孔，用于LTCC连通孔的金属浆料的填充；线条不锈钢丝网版作为掩膜用于导体、电阻、介质图案的印刷制作。在生产过程中如果网版清洗不干净，残余的金属浆料会堵塞网版，引起互连孔漏填、欠填以及导体图案的宽度变窄甚至断路，对于大面积金属化区域会出现针眼、孔洞，影响最终产品的质量和可靠性。因此，网版清洗是LTCC生产加工过程中一个重要的工序，尤其对于批量产品需要多次循环使用网版时，清洗工艺对后续产品的质量控制显得尤为重要。

目前，LTCC生产过程中网版常用的清洗工艺是采用无尘布（纸）蘸取酒精、异丙醇（IPA）等有机溶剂进行擦拭，清洗过程消耗大量的有机清洗剂，并且有机清洗剂具有较大的挥发性和刺激性气味，对操作者具有一定的危害。同时，LTCC网版图案比较精密，孔径、丝网间隙尺寸较小，手动清洗过程难以擦拭干净，从图1中可以看出手工擦拭后网版圆孔内径（丝网间隙）仍残留少许浆料，孔径（丝网间隙）越小，深度越大，越明显。

图1　常规手工清洗后的网版

为了改善清洗效果，提高网版清洗工艺的稳定性和一致性，减轻操作人员的工作强度和人身危害，本文对半自动清洗工艺进行优化，选择合适的清洗设备和清洗剂，并通过正交试验对各因素进行分析研究，确定较优的工艺参数。

2　　网版清洗设备及清洗剂

常规LTCC不锈钢网版清洗无专业清洗设备，主要是手工蘸取酒精擦拭清洗，本文对市场现有的半自动清洗设备和清洗剂进行分析比较，优选出合适的清洗设备和清洗剂。

2.1清洗设备的选择

目前市场上主流的清洗设备主要有两种：全气动清洗设备和气电结合清洗设备，性能及优缺点比较如表1所示。

以填孔不锈钢版为例，当今LTCC行业中最小孔径可以做到φ0.1mm，相应漏板上的孔径为φ0.12mm～φ0.15 mm，面对如此小的孔径，全气动设备的喷淋工艺显然不能满足使用要求，因此，LTCC行业中建议选用气电结合类型的网版清洗设备。

表1　典型LTCC网版清洗设备性能及优缺点

2.2清洗剂的选择

溶剂类清洗剂一般具有易挥发、闪点低、易燃易爆等特点，需特别防护。对于用电设备，要防止漏电打火，同时设备的排风系统要单独设计，若与炉子、烘箱等排风系统相通，可能会产生气流回流引起爆炸，难以消除安全隐患；另外，有些还含有VOCs（挥发性有机化合物）等毒性物质，长期接触VOCs会使眼、鼻、咽喉干燥，对人体健康有害。

水基清洗剂主要成分有表面活性剂、洗涤助剂、缓蚀剂等，是近年来应用较广泛的一种清洗剂。此类清洗剂的相容性好，价格低，操作安全，不燃不爆，清洗及配方自由度大，可针对不同性质污染物调整配方，再配合加热、刷洗、喷淋喷射、超声波清洗等物理清洗手段，对极性及非极性污染物都有较好的清洗效果［3］。

本文试验选用基于“微相清洗”（MPC）技术的水基清洗剂。其主要工作原理为：（1）通过加热或搅动（超声或喷淋等）将微相因子激活；（2）微相分子从基材表面去除污染物并将其转移到水相环境中（微相转移）；（3）污染物可以被简单地从清洗剂中过滤出来，其活性成分不会逐渐被耗尽，从而使得清洗剂具有更长的使用寿命；（4）无表面活性剂成分和无固含量配方使其不会在网版上留下表面活性剂等残留物［4］。

传统表面活性剂与金属颗粒、有机杂质等污染物的永久结合导致活性成分逐渐耗尽，溶液寿命短，只能通过化学品补充或全部溶液更换进行补偿，这就导致工艺需要更多的清洗剂、更高的人工成本及废液处理成本等。而MPC水基清洗剂通过简单的过滤可以将污染物从清洗剂中去除，因此清洗剂中的活性成分不会逐渐被耗尽，使用寿命因而被极大地延长。MPC水基清洗剂的性能参数如表2所示。

表2　 MPC水基清洗剂性能参数

3　　半自动清洗工艺正交试验

3.1试验方案设计

试验网版选型依据，考虑到线条不锈钢丝网版网格尺寸小，丝径交叉间隙多，清洗困难，同时网版上的感光膜层容易脱落，对清洗工艺要求高，本文选用不锈钢丝网版作为对象进行正交试验。

试验因素的选择主要考虑设备的工艺特点，最终选出影响清洗效果的关键因素为超声功率、超声时间、喷淋时间以及吹干时间。每个因素选择3个水平进行正交试验，以便确定较优的工艺参数。其中超声功率和超声时间不可一味增大，否则会影响网版中粘网胶的粘合强度。另外，线条不锈钢丝网版上的感光胶和钢丝网布的结合也有一定的限度，如果参数设置不合适还会引起感光胶膜层的脱落，如图2所示。

图2　感光胶膜脱落照片

综上因素，正交试验因素水平设置如表3所示，正交试验表如表4所示。试验过程随机选用9个使用过留有金属浆料的线条不锈钢丝网版进行清洗，然后在显微镜下观察清洗效果，对试验结果进行评测。

表3　半自动清洗工艺因素水平表

表4　半自动清洗工艺L9（43）正交试验表

3.2评测方法

将清洗后的网版放到显微镜（60×）下观察，得到相同的视野范围，设定基本分为100分，然后根据污点数量（面积）进行减分，获得最终评分。

3.3试验结果及数据

数据结果见表5。

表5　半自动清洗工艺L9（43）正交试验数据结果

从上述试验结果分析可知：

（1）从直接分析来看，第8号和第9号试验结果最好，其最优水平组合为A3B2C1D3和A3B3C2D1；

（2）从计算分析结果来看，最优组合为A3B3C1D2；

（3）因素的主次顺序为A＞B＞C＞D；

由于计算最优A3B3C1D2不在9组试验中，因此需要进行补充试验，同时对A3B2C1D3和A3B3C2D1进行重复验证试验，试验方案及结果如表6所示。

表6　补充试验方案及结果

由试验结论可知：超声功率和超声时间对清洗效果影响较大，当超声功率为60%时，超声时间达到180 s后清洗效果就能达到最好。

喷淋时间和风干时间主要是冲洗网版表面的大块污物以及残余的清洗剂，并对网版进行初步干燥，对清洗效果影响不大，考虑因素影响主次顺序和工作效率，选择喷淋时间为90 s，风干时间60 s。

综上分析，最终优选清洗工艺参数为：超声功率60%，超声时间180 s，喷淋时间90 s，风干时间60 s。3.4LTCC不锈钢网版清洗实物效果

按照试验选定的工艺参数，在实际生产中分别清洗线条不锈钢丝网版和填孔不锈钢版，清洗效果如图3所示，从图中可以看出线条不锈钢丝网空格处和填孔不锈钢版通孔侧壁清洗得非常干净，没有多余浆料残余，可以满足后续循环使用要求，并且后续经过30天20个批次跟踪验证，累计清洗246个线条不锈钢丝网版和206个填孔不锈钢版，没有出现脱膜、开胶现象，清洗效果比较稳定。同时该方法避免了人工擦拭用力不匀对网版张力的影响，提高了网版的使用寿命和重复利用率。

图3　新工艺清洗后的网版

4　　结束语

本文通过分析和试验，对LTCC工艺过程中网版清洗的工艺进行了优化改进，通过对关键工艺参数开展正交试验，对各影响因素进行了分析，确定了较优的工艺参数。

通过半自动清洗工艺的优化，有效提高了清洗效率，保证了清洗效果的一致性，减轻了操作人员的工作强度和人身伤害。

［1］何健锋.LTCC基板制造及控制技术 ［J］.电子工艺技术，2005，26（2）：75-81.

［2］董兆文，李建辉，沐方清.LTCC微波一体化封装［J］.电子与封装，2010，10（5）：1-6.

［3］刘子莲.电子工艺用新型水基清洗剂的研发及清洗机理的研究［D］.广州：华南理工大学硕士论文，2010.

［4］黄晓英，戴素红.精密电子清洗剂和清洗设备的应用及发展趋势［J］.电子工艺技术，2012，33（5）：A1-A5.

Optimization of Stainless Screen Cleaning During LTCC Process

LU Huixiang1，CHEN Lei2，3，TANG Xiaoping1，3，YAN Yingzhan3

（1.China Communication System Co.，Ltd.Hebei Branch，Shijiazhuang 050081，China；
2.Hebei Noah Human Resource Development Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050035，China；
3.China Electronics Technology Group Corporation No.54 Research Institute，Shijiazhuang 050081，China）

Screen cleaning，an important process during the LTCC process，impacts the quality and reliability of LTCC substrate，especially when the screen plate is reused.Only when the metal paste is cleaned out from the mesh of stencil and the gap of steel screen can the screen be reused.By summarizing the status quo of screen cleaning and compares the semi-automatic equipment and detergents，the paper introduces an optimum cleaning process.

stainless screen；cleaning process；orthogonal test

TN305.94

A

1681-1070（2016）10-0011-04

2016-7-1

国家自然科学基金（61404119）

卢会湘（1982—），男，河北邢台人，硕士，工程师，毕业于天津大学，主要从事微组装LTCC工艺技术相关工作。