等离子清洗技术 | 中国先进制造领域的精密清洗优选方案

发布时间: 2020年12月16日 浏览次数:773

电路板的无电势等离子处理

电路板的无电势等离子处理 图源:Plasmatreat

近年来,等离子清洗技术在诸多先进制造领域中占据了关键清洗地位,在复合材料、汽车工业、机械制造、电子电力、医疗、航空航天技术、考古、印刷、纳米技术、通讯及手机零部件等行业和领域中有着广泛应用场景,尤其在精密清洗方面起着不可替代的应用。

等离子清洗是一种干式工艺,由于采用电能催化反应,可以提供一个低温环境,同时排除了湿式化学清洗所产生的危险和废液,安全、可靠、环保。与传统的溶剂清洗不同,等离子清洗工艺是彻底的剥离式清洗,依靠其中所包含高能物质的“活化作用”达到清洗材料表面的目的,清洗效果彻底。原理简而言之,等离子清洗技术结合了等离子体物理、等离子体化学和气固两相界面反应,可以有效清除残留在材料表面的有机污染物,并保证材料的表面及本体特性不受影响。

等离子清洗原理图

等离子清洗原理图 图源:北京欧倍尔科学仪器有限公司

等离子清洗技术容易实现智能化控制,可装配高精度的控制装置,精准控制时间,具备记忆功能,可重复使用。更重要的是,等离子清洗技术不分处理对象的基材类型,对半导体、金属和大多数高分子材料均有很好的处理效果,可实现整体和局部以及复杂结构的精密清洗,目前被考虑为传统湿法清洗的主要替代技术,其清洗优势主要体现在以下几个方面:

  • 可以处理各种各样的材质,无论是金属、半导体、氧化物,还是高分子材料都可以使用等离子清洗技术来处理。
  • 被清洗工件经过离子干燥处理后,不需要再经干燥处理即可送往下一道工序。可以提高整个工艺流水线的处理效率;
  • 清洗后的工件表面基本没有残留物,并且可以通过搭配和选择多种等离子清洗类型达到不同的清洗目的;
  • 改善材料本身的表面性能,如提高表面的润湿性能、改善膜的黏着力等,这在许多应用中都是非常重要的。
  • 由于等离子清洗的方向性不强,因此不需要过多考虑被清洗工件的形状,强力适用于带有凹陷、空洞、褶皱等复杂结构的工件。
  • 可处理多种基材,对待清洗工件的要求较低,因此特别适合清洗不耐热和溶剂的基体材料;
  • 无废液产生,无毒害排放,安全环保,远离对人体的伤害,避免了湿法清洗中容易洗坏清洗工件的问题;
  • 操作简便、易控、快捷,对真空度要求不高或可直接采用大气压等离子清洗工艺,同时此工艺避免了大量溶剂的使用,因此成本较低;
  • 装置的设备成本不高,加上清洗过程不需要使用价格较为昂贵的有机溶剂,这使得整体成本要低于传统的湿法清洗工艺。

利用无溅射效应的纳米等离子清洗仪对多孔碳膜进行180秒清洗,可去除碳膜上的污染物,增加碳膜的亲水性。

利用无溅射效应的纳米等离子清洗仪对多孔碳膜进行180秒清洗,可去除碳膜上的污染物,增加碳膜的亲水性。图源:CHITC

现阶段,我国等离子清洗市场发展稳定,总产值保持持续增长,且在部分领域中,国产等离子清洗机已逐渐代替进口,国产等离子清洗机在工艺和性能上已达到或领先国际水平,与进口并驾齐驱。国产等离子清洗机的生产企业在市场占有率上也在逐年提高,这源于新形势下传统制造业的升级、关键核心技术上的国产代替和国内大循环的需求刺激,在前沿尖端技术领域得到规模化应用。本文列举了等离子清洗技术在几种代表领域的应用,以供有需求的企业参考。

Diener 迪尔低压等离子清洗技术可为所有类型的污染物、所有基材和所有后续处理提供解决方案。还能分解由分子构成的残留污染物

Diener 迪尔低压等离子清洗技术可为所有类型的污染物、所有基材和所有后续处理提供解决方案。还能分解由分子构成的残留污染物。

图源:上海尔迪仪器科技有限公司

等离子清洗实景

等离子清洗实景 图源:深圳方瑞科技科技有限公司

 

碳纤/芳纶树脂及其复合材料

 

碳纤维/芳纶树脂复合材料结合了碳纤维与树脂二者的优越性能,被广泛应用于航天航空、能源、汽车和其他工业领域 。但是商业化的纤维材料表面通常会存在一层有机涂层,在复合材料制备过程中将会成为弱界面层,而严重影响到树脂与纤维之间的界面粘结作用。

因此,在制备复合材料之前,采用等离子清洗技术,可以有效避免化学溶剂对材料本体性能的损伤,在清洗材料表面的同时能够引入多种活性官能团,并增大表面粗糙程度,改善纤维表面自由能,有效提高树脂与纤维两相界面之间的粘结作用,提高碳纤维/芳纶树脂复合材料的综合性能。

PVC卡片水滴角测试仪对等离子清洗前后数据对比

PVC卡片水滴角测试仪对等离子清洗前后数据对比 图源:深圳方瑞科技科技有限公司

 

塑料/橡胶及其高性能聚合物材料

 

等离子清洗技术在塑料、橡胶及其高性能聚合物材料中的应用也表现出良好的清洗优势。聚丙烯、PTFE等橡胶塑料材料在未经过表面处理的状态下进行的印刷、粘合、涂覆等效果非常差,甚至无法进行。利用等离子技术对这些材料进行表面处理,在高速高能量的等离子体的轰击下,这些材料结构表面得以最大化,同时在材料表面形成一个活性层,这样橡胶、塑料就能够进行印刷、粘合、涂覆等操作。用低温等离子清洗机在适宜的工艺条件下处理PE、PP、PVF2、LDPE等材料,材料的表面形态发生的显著变化,引入了多种含氧基团,使表面由非极性、难粘性转为有一定极性、易粘性和亲水性,有利于粘结、涂覆和印刷。

PP红色表带与PP蓝色表带。PP塑料表带等离子处理后润湿性的变化.PP表带样品初始的水滴角度分别为114.5度和103.1度,属于疏水产品,而在经过等离子处理后,水滴角度分别达到19.90度和44.9度,通过等离子处理后PP塑料表面由疏水变成亲水,润湿性能大大增加。图源:上海沛沅仪器设备有限公司

 

锂电池

 

近年来随着新能源汽车市场的兴起,安全性和可靠性成为动力锂电池的硬标准。极片制造工艺、电芯制作工艺以及电池组装工艺构成了锂电池的整体生产 。在这三个阶段的工艺中,每道工序又可分为数道关键工艺,每一步都会对电池最后的可靠性和稳定性形成很大的影响,等离子清洗涉及每一步的关键清洗。

锂电池的正负极片是在金属薄带上涂覆锂电池正负极材料而成, 通俗地说,电池正负极是充电和放电时的接触点。接触点是否清洁,会影响电气连接的可靠性和耐久性。铝薄、铜薄等金属薄带在涂覆电极材料时,原来用的湿式乙醇清洗,容易对锂电池其他部件造成损伤。等离子干式清洗可以有效解决以上问题。

图源:东莞市钜大电子有限公司

在生产过程中,锂电池电芯经常会出现极耳不平整、弯曲甚至扭曲,从而导致焊接时出现假焊、假焊、短焊等现象。等离子清洗可以有效地去除电芯极柱端面的污物、粉尘等,为电池焊接提前做准备,以减少焊接的不良品。

为了防止锂电池发生安全事故,一般需要对锂电池电芯进行外贴胶处理,以起到绝缘的作用,防止短路的发生以及保护线路、防止刮伤。等离子清洗技术对绝缘板、端板进行清洗,清洁电芯表面脏污,粗化电芯表面,提高贴胶或涂胶的附着力。

 

航空航天连接器

 

在航空航天领域中,对电连接器产生漏电现象,来自绝缘体与封线体之间的粘接失效,影响电连接器的耐压值。通过使用等离子清洗对连接件表面进行等离子处理,不但可以将表面的油污去除干净,而且可增强器件表面活性,使涂胶更为均匀,提升粘接效果。经国内多个生产大厂使用测试,用等离子清洗处理后的电连接器, 其抗拉能力成数倍增加, 耐压值有显著提高。目前国内指定生产航空电连接器的厂家正在逐步推广应用等离子清洗技术清洗连接件表面。

图源:OPS Plasma

 

光刻胶去除

 

光刻胶是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一,光刻胶的主要功能是在整个区域进行化学或机械处理工艺时,保护光刻胶下的衬底部分。刻蚀或离子注入之后,已经不再需要光刻胶作保护层,可以将其除去。光刻胶去胶效果太弱影响生产效率,去胶效果太强容易造成基底损伤,影响整个产品的成品率 。

利用等离子清洗技术将光刻胶剥除,要通过氧原子核和光刻胶在等离子体环境中发生反应来去除光刻胶,由于光刻胶的基本成分是碳氢有机物,在射频或微波作用下,氧气电离成氧原子并与光刻胶发生化学反应,生成一氧化碳,二氧化碳和水等,再通过泵被真空抽走,完成光刻胶的去除。

传统主流去胶方法采用湿法去胶,成本低效率高,但随着技术不断迭代更新,越来越多超大规模集成电路制商开始采用等离子清洗去胶,不同于传统的湿法式去胶工艺,它不需要浸泡化学溶剂,也不用烘干,去胶过程更容易控制,避免过多算上基底,提高产品成品率。

低温等离子去胶前后效果对比 图源:烟台金鹰科技有限公司

 

晶圆清洗

 

随着半导体技术的不断发展,对工艺技术的要求越来越高,尤其是对半导体晶片的表面质量。主要原因是晶片表面的颗粒和金属杂质的污染会严重影响器件的质量和成品率。在目前的集成电路生产中,由于晶片表面的污染,仍有50%以上的材料损失。

在半导体生产过程中,几乎每个工序都需要清洗,芯片晶圆清洗的质量对器件性能有着严重的影响。但由于半导体制造需要一些有机和无机物质参与,工艺总是由净化室的人进行,半导体晶片不可避免地会受到各种杂质的污染。正是因为晶圆清洗是半导体制造过程中很重要、频繁的步骤,制造商优选等离子清洗技术消除晶圆表层的颗粒、有机物、金属离子和氧化物,提升芯片器件的良率、性能和可靠性。

等离子清洗晶圆 图源:大族激光

 

LED封装

 

等离子清洗技术在LED封装工艺流程中表现出清洗均匀性好、重复性好、可控性强、具有三维处理能力及方向性选择处理好、利于环保的巨大优势,主要体现在点银胶前、引线键合前、 LED封胶前三个方面:

图源:Alpha Plasma

基板上如果存在肉眼不可见的污染物,亲水性就会较差,不利于银胶的铺展和芯片的粘贴,并也可能在手工刺片时造成芯片的损伤。等离子清洗能形成清洁表面,还能够将基板表面粗化,从而实现亲水性的提升,减少银胶的使用量,而且能够提高产品的质量。

在将芯片粘贴到基板上之后,在固化的过程中是很容易引入一些细小颗粒或氧化物的,正是这些污染物,会使键合的强度变差,出现虚焊或焊接质量差的情况。为改善这一问题,就需要等离子清洗来提高器件表面活性,提高键合强度,改善拉力均匀性。

在LED注环氧树脂胶过程中,假如存在污染物,就会引起成泡率的上升,也会影响到产品的质量和使用寿命,通过等离子清洗设备处理后,会提升芯片与基板和胶体之间的结合力,减少气泡的形成,同时能够提升散热率以及光的出射率。

 Alpha Plasma等离子清洗机采用的是2.45Ghz微波等离子源,以化学清洗为主的微波等离子清洗,无害处理过程,最低偏置电压;快速反应,极高电子密度;无电极的等离子发生方式,零维护;无UV紫外光线产生。图源:Alpha Plasma 

当然,还要注意等离子过程中的静电损伤问题等离子技术中,大气等离子体和射频等离子体不可避免的会产生静电损伤,而在清洗的过程中,正负电极之间的电压差有上千伏,会有一定的几率出现静电,在 ITO 玻璃表面的引线就有可能会被击穿,从而产生静电损伤,造成对产品的损坏。采用微波等离子清洗方式,就会对静电损伤从根本上有所避免,因为微波等离子体的产生方式与其他两种等离子体不同,微波等离子体的产生不需要正负电极,不需要很高的电压差,它是由微波发生器连接的磁控管,在反应仓旁边的谐振腔内由磁场的正负极产生等离子体,对反应仓的 ITO 玻璃不直接接触,只是产生的等离子体对ITO玻璃表面进行清洗和表面活化。这就从根本上避免了对 ITO玻璃的静电损伤问题,不会在等离子清洗的过程 中产生损失。

 

手机摄像模组

 

超高成像的手机摄像头越来越成为智能手机厂家的营销卖点。数千万像素的手机摄像头中大量运用COB/COG/COF工艺制造的手机摄像模组,等离子清洗技术在清除这些工艺中涉及到的滤光片、支架、电路板焊盘表面的有机污染物发挥了重要作用。各种材料表面的活化和粗化,进而达到改善支架与滤光片的粘接性能,提高打线的可靠性,以及手机模组的良率等目的。

手机摄像模组支架清洗:去除有机物,活化材料表面,提高亲水性和黏附性能,防止溢胶。

手机摄像模组支架清洗:去除有机物,活化材料表面,提高亲水性和黏附性能,防止溢胶。 图源:昆山普乐斯电子科技有限公司,同下

手机摄像模组W/B前清洗:去除有机物,提高W/B结合力,确保打线可靠性

手机摄像模组W/B前清洗:去除有机物,提高W/B结合力,确保打线可靠性

 

医疗器械

 

导尿管给需要留置导尿的患者带来了福音,在临床上的应用越来越广,但随着其应用的增多,导尿管拔除困难的情况也越来越常见。特别是长期留置的导尿管,有时由于橡胶的老化会造成气囊管腔的阻塞,强行拔除时可能会引起严重的并发症。采用等离子清洗处理后的导尿管表面变滑,表面无有害基团产生,说明氧等离子清洗技术是一种有效的表面处理方法。等离子处理硅橡胶以增加其表面活性,然后在表面涂一层不易老化的疏水材料,其效果也非常好。

针座在等离子清洗机中进行表面清洗活化处理 图源:温州市亿鸿科技有限公司

输液器末端输液针在使用过程中,拔出时针座与针管之间会出现脱离现象,一旦脱离,血液会随针管流出,如不及时正确处理,对病人会造成严重威胁。针座孔非常小,普通方法难处理,而等离子体是一种离子状态的气体,对微小的孔也可以有效处理。应用等离子对其进行表面活化处理,可改善表面活性,提高其与针管的粘接强度,以确保它们之间不会脱离。

在生物培养板清洗中,等离子清洗用于改善PS培养板表面亲水性,接枝特定化学基团,并进行表面杀菌。

 

汽车制造

 

随着经济的发展,消费者对汽车的性能要求越来越高,厂家为了满足消费者的要求也不断地对汽车进行大的改进提高。在生产汽车时越来越注重细节。这也就促使了等离子清洗技术在汽车行业的应用。

等离子清洗技术使材料的表面活性增强,给汽车的改进带来了很大的空间。在汽车内饰、仪表板、轮胎、储物盒、保险杠、车灯、传感器、动力电池组、挡风玻璃、轴瓦、点火线圈、发动机油封片等应用场景展现了出色的清洗能力。离子清洗技术提高了汽车的外观、操作舒适性可靠性、使用耐久性等要求,解决了消费者不断优化改进的细节要求。

图源:东莞晟鼎精密仪器有限公司

随着等离子清洗技术的日益成熟,以及清洗设备尤其是常压条件下在线连续等离子清洗装置的开发,清洗成本不断降低,工业清洗尤其是精密清洗的效率进一步提高,因此在精细化生产制造的应用将会越来越深入。

离子清洗技术作为ICLEAN工业清洗展重点推广的技术,将联合该领域的头部企业,力推有潜力的新生力量,共同助力中国制造业升级。欢迎意向企业参与到ICLEAN工业清洗展中,ICLEAN将在技术、资源、资本上做有效链接。