氣相溶劑在覆晶清洗製程的應用
活性溶劑濃度對於清洗效果是關鍵要素
當採用藉由毛細原理運作之填膠(underfill)作業進行覆晶與電路板間之構裝時，為使填膠均勻地充填在電路板與晶片間之凸塊接點(bump)間隙間，以確保電路板與晶片間之接著強度，在電路板與晶片經迴焊接合(reflow soldering)製程後所產生的助焊劑(flux；或稱助熔劑)殘渣需被確實地清除。採用氣相清洗機去除殘渣是一種常見的方法。另採用非臭氧層破壞物質(non-ozone-depleting)溶劑之清洗方法，自從蒙特婁議定書(Montreal Protocol)決議禁用之前絕大多數常使用的氟氯碳化物(CFCs)及氟氯烴(HCFCs)後，已成為一種可行的替代選擇。對於溶劑的選擇，必須考慮一些要素，包括清洗效果、操作安全性、使用限制及成本。至於各要素的重要性，得視需求狀況而定。如最有清洗效果的溶劑可能引起毒化物、環保處理或易燃性等疑慮。
參考在氣相清洗機內所採用的共沸混合物(azeotropic composition)之混合溶劑。在此，本文將藉以討論為何一種利用最新發現的類共沸混合物(azeotrope-like mixture)，會是另一種可行的清洗製程選擇。
設備說明
由於新式的氣相清洗溶劑比起那些具有破壞臭氧層特性的溶劑較為昂貴，因而驅使我們開發具有低揮發損耗之清洗系統。在改善設計上增加了可提供零度以下的冷凍機設備，及加高了溶劑液面至容器外之容器槽高度(freeboard height)，這些改善措失已證實可大大地降低溶劑的發散損耗情形。
溶劑清洗過程可視為兩種機制的交互作用。第一種機制為化學溶解作用(dissolution)，汙物在溶劑中被分解帶走，新鮮乾淨的溶劑濃縮物持續不斷地補充替換含汙物的溶劑。另一種機制為不溶物置換作用(mechanical displacement of insoluble components)，可藉由浪花衝擊、紊流或超音波震盪等達成此作用機制。不過，對於覆晶構裝清洗製程，超音波震盪是不被建議使用，以降低微小的焊點因而受損的風險。
目前的電路板清洗設計可分為兩種基本的設備架構。一種為批式結構(batch configuration)，是由數個桶槽組成類似階梯瀑布狀的槽體(cascading solvent tanks)。裝有電路板的容器放入溶劑槽中清洗，依序移至後續的清洗槽(圖一)，可同時並行處理電路板，且可使電路板與溶劑接觸維持較長的時間。一般說來，至少由三組桶槽組成類似階梯瀑布狀的槽體，這些桶槽包括有清洗槽、沖洗槽-1及沖洗槽-2。此架構可提供在較小的空間有較佳的產能及可清洗較寬尺寸的電路板等優點。不過，使用幫浦來輸送流體循環，會在溶劑槽中產生紊流，但絕不會對電路板，表面有所影響。可說此種桶槽結構的清洗系統，具有在槽內相當充裕的時間進行化學溶解機制之優點，但不溶物置換機制之作用是較為受限的。
另一種設備架構即連線式結構(in-line configuration)，可稱為是一種直接對每一電路板正面噴洗的操作模式。電路板放置於金屬網狀輸送帶上，藉此將電路板導入清洗機內，實施電路板正面噴洗機制(圖二)。因為此設計採用串接放置電路板的方式進入清洗機，整體設備長度為滿足清洗機構及沖洗機構配置可能會很長。另外，因電路板傳送機構設計較桶槽結構複雜，因此限制了不同寬度的電路板清洗應用。雖然此連線式架構具有高度機構運作效率，但卻限制了溶劑與電路板接觸的時間，亦即限制了化學溶解機制作用的時間。
清洗需求
氣相溶劑混合物具有良好的潤溼特性、極低的溶劑黏度及表面張力，由於這些特性使得溶劑可充分進入覆晶晶片與電路板間之凸塊接點間隙，而將助焊劑殘渣溶解並排除之。此對於覆晶構裝後續實施填膠作業極為重要，因為填膠作業極易因助焊劑殘渣使得填膠不完全，導致空洞(void)缺陷。
目前的清洗製程採用以氫氟碳化物 (hydrofluorocarbon；HFC)之共沸清洗劑(azeotropic cleaning chemistry；ACC)為主的氣相流體，在此共沸混合物(azeotropic mixture)中的成份溶劑具有熱力學流體(thermodynamic fluid)特性，可使各組成成份形成具有相同沸點特性之混合物，且此混合狀態成份組成不論是在沸騰狀態、氣相態及沖洗作用階段皆可長時間維持一定。
然而，目前的共沸清洗劑對覆晶之助焊劑之清洗效果並不盡理想，而有關清洗後之助焊劑殘渣量經證實是導因於一些設計與構裝因素。就現行的助焊劑操作，相關因素包括在迴焊操作時助焊劑的初始供給量、最高的迴焊溫度、迴焊接合製程與後續清洗製程之間隔時間長短，及一些極具影響的因素，即電路板與晶片間之見間隙高度和覆晶尺寸大小等都是清洗製程所面臨的難題。除此之外，覆晶晶片上的有機保護層(passivation layer)似乎是比無機保護層難以清洗，且電路板要求更小的凸塊接點節距、更多的接點數及更低的電路板與晶片間之間隙高度等複雜設計需求，也更增加了清洗製程的困難度。
助焊劑殘渣特性
對於覆晶構裝的清洗製程，對於凸塊接點旁殘留的白色助焊劑殘渣是常見的問題。這些助焊劑殘渣是由助焊劑作用過程產生的副產品，其中大部份包含不可溶的有機化合物，及少量具化學惰性且相當安定的含錫金屬鹽類(參圖三)，且這些鹽類是被殘留的助焊劑載體(vehicle)所包覆。因此，選擇助焊劑清洗劑時，考量對助焊劑載體之溶解能力，及在清洗作用初期具有將鹽類清除之能力是必要的。
至於金屬鹽類形成的主要成因是助焊劑內之活性成份所造成的，首先是助焊劑與焊點表面之錫鉛氧化物反應，以去除焊點表面的氧化物，使得焊料流到接點表面並潤溼接點表面，以完成良好焊點接合。當加熱時間加長時，在凸塊接點旁可看見之助焊劑殘渣將愈增加。實驗分析證實對於助焊劑殘渣含有錫化合物，這可能是類似氧化錫之有機酸類錫鹽，同時，也證實當助焊劑作用時，這些氧化物及金屬鹽類的量會隨著加熱時間加長而增加。
避免白色助焊劑殘渣的產生需注意兩項很重要的製程步驟；即在迴焊製程中適當的熱量管理，及在初始清洗循環時清洗液的調配，需足以能有效達到清除助焊劑殘渣的效果。通常在使用ACC清洗溶劑之清洗系統，殘渣的有機層部份可快速被分解，並將化學惰性的殘渣清除。不過，可在殘渣的有機層部份被清除的同時，也將氧化層部份分解的強效清洗溶劑是必須的，另外添加氟素成份及含有較高活性濃度的清洗劑，對於完全去除在殘渣有機層上的惰性物也是必要的，否則清洗後的殘渣殘留，將無法在後續之清洗程序中予以移除。
清洗液效能提昇
現行使用之ACC清洗溶劑是由三種活性溶劑所組成，並添加氟化材料及抑制劑。其中僅有一種活性溶劑是主要的溶解載體，而足夠的活性溶劑濃度，對於有效溶解較難處理的殘渣是必須的。之前提及含氟的共沸混合溶劑在高濃度時，即具有類似此溶解載體的功效。對於發揮清除殘留的白色助焊劑殘渣之功效，含有高成份比例之此類強效活性溶劑扮演極重要角色。
通常電路板構裝檢測松香殘留濃度之標準，都是參照IPC規範有關松香殘留濃度檢測方法(IPC-TM-650 2.3.27)，在各種活性溶劑濃度條件下，以紫外光／可見光光譜儀(UV/VIS Spectrophotometer)來實施檢測。經驗上，增加活性溶劑在清洗之後，可明顯地降低樹脂殘留量。
氟化物相當地不具活性，對污垢、油漬及油脂，呈現選擇性不一的溶解效果而且清洗效果有限，同時對於許多分子量較高之物質，如松香類及合成之樹脂類的助焊劑殘渣，也呈現溶解效果不佳的現象。為彌補溶解效果的不足，清洗劑的化學成份必須加以調配混合各種溶劑，使其能在較高濃度活性溶劑下，具有類共沸混合物之特性，以適用於今日電子構裝之清洗需求。
這些研發配置的成份以一定的比例調配形成共沸混合物或類共沸混合物，除具有強化清除助焊劑殘渣的功效外，也必須符合環保處理要求及毒化物規定。為清楚起見，在此說明何謂共沸混合物(azeotrope)，其特性為由兩種或兩種以上成份組成之混合物，具有在沸騰時其氣相蒸氣成份比例與液相的成份比例相同，且具有混合物之沸點溫度低於各別組成成份之沸點溫度，通常在揮發後，氣相與液相組成成份比例是有些許差異，不過一般上視為相同。
現行普遍認為最有效的活性溶劑是1,2-二氯乙烯(1, 2-trans-dichloroethylene；DCE)，具可接受的毒物特性、符合環保處理的及清洗效能要求，添加某些專有的氟化物可形成共沸混合物，這樣的混合溶劑具有強效清除各種助焊劑殘渣之功能，如溫和活化松香(RMA；Rosin Mildly Activated)、活化松香(RA；Rosin Activated)及低殘渣特性之樹脂類助焊劑殘渣。類似如此的混合溶劑，不含有破壞臭氧層之物質，然而仍具有極佳的清洗效果、容易乾燥、低黏度及低表面張力等優點。另外，這些混合溶劑也與氟氯碳化合物(chlorofluorocarbon；CFC)及含氯溶劑一樣無低閃火點的疑慮。
當開始調配溶劑成份時，必須先考量溶劑低閃火點的特性。如含氧溶劑(oxygenated solvents)對清除離子殘留污染是必須的，當混合此類富含氧之成份物時，低閃火點特性是必要的考量。為解決這方面的問題，可在此類共沸混合物(azeotrope-like)加入更多的氟化物，以提高閃火點，降低閃火的風險。而這種含有更多氟化物的混合溶劑，屬於另一種特別的共沸混合物，基本上依然具有不變的沸點，且蒸氣氣相組成並不會趨向任何較多量的成份。因為這種混合物不易分餾開來，商業使用上對採冷清洗(cold cleaning)或氣相去污(vapor degreasing)等方法，實施設備裝置的清洗作業是相當有用的。此具有在氣相組成成份比例與液相組成成份比例相同，且保有類共沸混合物或共沸混合物特性的混合溶劑配方，正是符合商業用途的需要。
助焊劑效能
為更加瞭解清洗溶劑之清洗效能，汙物的選擇評估必須考慮其對各種清洗技術適用性。電路板工業常使用的助焊劑是重要的評估對象，因為在焊接過程，助焊劑同時扮演許多角色功能，如使熱能由焊料加速傳至金屬接面以提高潤溼性，以及防止金屬接面在焊接高溫下被氧化，其中，主要的功能是移除在焊接時金屬接面上之氧化層。最常用在焊膏操作的助焊劑包含有機鹼、有機酸、有機鹵素化合物及有機鹵化鹽等。
其實助焊劑的組成成份相當複雜，一般說來，助焊劑含有樹脂、活化劑(activators)、溶劑及流變控制劑(rheological control age