等离子清洗机的原理及应用

2016-11-30

1、何谓等离子清洗机  

  等离子清洗机采用气体作为清洗介质,有效地避免了因液体清洗介质对被清洗物带来的二次污染。等离子清洗机外接一台真空泵,工作时清洗腔中的等离子体与清洗物的表面污染物发生反应并灰化,短时间的清洗就可以使有机污染物被彻底地清洗掉,同时污染物被真空泵抽走,其清洗程度达到分子级。等离子清洗器除了具有超清洗功能外,在特定条件下还可根据需要改变某些材料表面的性能,等离子体作用于材料表面,使表面分子的化学键发生重组,形成新的表面特性。对某些有特殊用途的材料,在超清洗过程中等离子清洗器的辉光放电不但加强了这些材料的粘附性、相容性和浸润性,并可消毒和杀菌。等离子清洗器广泛应用于光学、光电子学、电子学、材料科学、生命科学、高分子科学、生物医学、微观流体学等领域。 

  等离子清洗机的应用,起源于20世纪初,随着高科技产业的快速发展,其应用越来越广,目前已在众多高科技领域中,居于关键技术的地位,等离子清洗技术对产业经济和人类文明影响最大,首推电子资讯工业,尤其是半导体业与光电工业。 

  等离子清洗机已应用于各种电子元件的制造,可以确信,没有等离子清洗机及其清洗技术,就没有今日这么发达的电子、资讯和通讯产业。此外,等离子清洗机及其清洗技术也应用在光学工业、机械与航天工业、高分子工业、污染防治工业和量测工业上,而且是产品提升的关键技术,比如说光学元件的镀膜、延长模具或加工工具寿命的抗磨耗层,复合材料的中间层、织布或隐性镜片的表面处理、微感测器的制造,超微机械的加工技术、人工关节、骨骼或心脏瓣膜的抗摩耗层等皆需等离子技术的进步,才能开发完成。 

  等离子技术是一新兴的领域,该领域结合等离子物理、等离子化学和气固相界面的化学反应,此为典型的高科技产业,需跨多种领域,包括化工、材料和电机,因此将极具挑战性,也充满机会,由于半导体和光电材料在未来得快速成长,此方面应用需求将越来越大。 

2、等离子清洗机的技术原理

2.1 什么是等离子体 

  等离子体是物质的一种存在状态,通常物质以固态、业态、气态3种状态存在,但在一些特殊的情况下可以以第四中状态存在,如太阳表面的物质和地球大气中电离层中的物质。这类物质所处的状态称为等离子体状态,又称位物质的第四态。

  等离子体中存在下列物质。处于高速运动状态的电子;处于激活状态的中性原子、分子、原子团(自由基);离子化的原子、分子;分子解离反应过程中生成的紫外线;未反应的分子、原子等,但物质在总体上仍保持电中性状态。

3、等离子清洗原理简介

3.1、金属表面清洗 

    金属表面常常会有油脂、油污等有机物及氧化层,在进行溅射、油漆、粘合、健合、焊接、铜焊和PVD、CVD涂覆前,需要用等离子处理来得到完全洁净和无氧化层的表面。 在这种情况下的等离子处理会产生以下效果:

3.11灰化表面有机层

-表面会受到化学轰击

-在真空和瞬时高温状态下,污染物部分蒸发

-污染物在高能量离子的冲击下被击碎并被真空带出

-紫外辐射破坏污染物

因为等离子处理每秒只能穿透几个纳米的厚度,所以污染层不能太厚。指纹也适用。

3.12氧化物去除

金属氧化物会与处理气体发生化学反应

这种处理要采用氢气或者氢气与氩气的混合物。有时也采用两步处理工艺。第一步先用氧气氧化表面5分钟,第二步用氢气和氩气的混合物去除氧化层。也可以同时用几种气体进行处理。

3.13焊接

通常,印刷线路板在焊接前要用化学助焊剂处理。在焊接完成后这些化学物质必须采用等离子方法去除,否则会带来腐蚀等问题。

3.14键合

好的键合常常被电镀、粘合、焊接操作时的残留物削弱,这些残留物能够通过等离子方法有选择地去除。同时氧化层对键合的质量也是有害的,也需要进行等离子清洁。

4、等离子刻蚀

在等离子刻蚀过程中,通过处理气体的作用,被刻蚀物会变成气相(例如在使用氟气对硅刻蚀时,下图)。处理气体和基体物质被真空泵抽出,表面连续被新鲜的处理气体覆盖。不希望被刻蚀部分要使用材料覆盖起来(例如半导体行业用铬做覆盖材料)。 

等离子方法也用于刻蚀塑料表面,通过氧气可以灰化填充混合物,同时得到分布分析情况。刻蚀方法在塑料印刷和粘合时作为预处理手段是十分重要的,如POM 、PPS和PTFE。等离子处理可以大大地增加粘合润湿面积。

5、刻蚀和灰化

PTFE刻蚀

PTFE在未做处理的情况下不能印刷或粘合。众所周知,使用活跃的碱性金属可以增强粘合能力,但是这种方法不容易掌握,同时溶液是有毒的。使用等离子方法不仅仅保护环境,还能达到更好效果。      

等离子结构可以使表面最大化,同时在表面形成一个活性层,这样塑料就能够进行粘合、印刷操作。    

PTFE混合物的刻蚀

PTFE混合物的刻蚀必须十分仔细地进行,以免填充物被过度暴露,从而削弱粘合力。 

处理气体可以是氧气、氢气和氩气。可以应用于PE、PTFE、TPE、POM、ABS和丙烯。

6、塑料、玻璃和陶瓷的表面活化和清洁

塑料、玻璃、陶瓷与聚丙烯、PTFE一样是没有极性的,因此这些材料在印刷、粘合、涂覆前要进行处理。同时,玻璃和陶瓷表面的轻微金属污染也可以用等离子方法清洁。等离子处理与灼烧处理相比不会损害样品。同时还可以十分均匀地处理整个表面,不会产生有毒烟气,中空和带缝隙的样品也可以处理。    

等离子表面处理的效果可以简单地用水来验证,处理过的样品表面完全被水润湿。长时间的等离子处理(大于15分钟),材料表面不但被活化还会被刻蚀,刻蚀表面具有最大润湿能力。常用的处理气体为:空气、氧气、氩气、氩氢混合气体、CF4等。

7、等离子涂镀

聚合     

在涂镀中两种气体同时进入反应舱,气体在等离子环境下汇聚合。这种应用比活化和清洁的要求要严格一些。典型的应用是保护层的形成,应用于燃料容器、防刮表面、类似PTFE材质的涂镀、防水涂镀等。涂镀层非常薄,通常为几个微米,此时表面的亲和力非常好