紫外光精密清洗 | 彻底清除光电子材料表面有机污染物,保证高可靠性和高成品率(附拓展案例)

发布时间: 2021年05月25日 浏览次数:542

随着光电子产业的迅猛发展,精密清洗成为光电子产品表面处理中必不可少的工艺,对提升产品的质量、精度、外观等方面的作用也越来越重要。

液晶显示器件、半导体硅晶片、集成电路、高精度印制电路板、光学器件、石英晶体、密封技术、氧化膜等光电子精密零部件愈加高性能和微型化,要求表面洁净度越来越高。常规的清洗方法(如水洗、化学溶液洗、超声波清洗等)已不能满足光电子领域的精密清洗要求。在又安全又环保的前提下,如何彻底清除这些特殊工件和材料表面的有机物污染物?那么该如何保证光电子产品的高可靠性和高成品率?

对于此,目前国内外广泛使用的精密清洗方法是紫外光(UV)清洗。紫外光清洗技术以其卓越的性能和效果,能够达到常规的清洗方法难以达到的高清洁度,成为光电子产品清洗领域一股别样的风流。

 

图源:YAMAKO株式会社

 

紫外光清洗技术

 

紫外光清洗技术是在常温、常压的环境中进行的,是一种非接触式的干法清洗技术,利用有机化合物的光敏氧化作用,去除黏附在光电子材料表面上的有机物质,经过光清洗后的材料表面可以达到"原子清洁度"。

不同波段紫外光的划分 表格:费勉仪器

 

紫外光是波长为100~400nm的不可见光。波长范围100~280nm的被称为UV-C(深紫外)的光不会照射到地球上,但是这种光具有杀菌,有机分解,光聚合和传感等的功能。图源:斯坦雷电气

紫外光清洗技术详细工作原理过程:

① 发射高能量光波

UV光源能同时发射波长254nm和185nm的紫外光,具有很高的能量,这两种波长的光子能量可以直接打开和切断有机物分子中的共价键,使有机物分子活化,分解成离子、游离态原子、受激分子等。

② 持续的光敏反应

与此同时,185nm波长紫外光的光能量能将空气中的氧气(O2)分解成臭氧(O3);而254nm波长的紫外光的光能量能将O3分解成O2和活性氧(O),这个光敏氧化反应过程是连续进行的。

图源:深圳市汇沃科技有限公司

③ 达到清除有机污染物目的

在这两种短波紫外光的照射下,臭氧会不断的生成和分解,活性氧原子就会不断的生成,而且越来越多,由于活性氧原子(O)有强烈的氧化作用,与活化了的有机物(即碳氢化合物)分子发生氧化反应,生成挥发性气体(如CO2,CO,H2O,NO等)逸出物体表面,从表面消散被排风系统抽走,从而彻底清除了粘附在物体表面上的有机污染物。

因此,紫外光清洗技术具备如下清洗优势:

  • 无接触方式,可在空气中进行并且在清洗后不必进行干燥;
  • 紫外光清洗的表面不会受到损伤,由于光子的能量相对比氩等离子体溅射或惰性气体离子轰击的能量小,光清洗后的表面不会受到损伤或发生晶体缺陷的现象;
  • 紫外光是纳米短波紫外线,能够射入材料表面(如孔穴、微细沟槽等)的极为细微的部位,发生光敏氧化反应,充分表现出光清洗的彻底性,彻底清除物体表面的碳和有机污染物;
  • 避免由于使用有机溶剂造成的污染,无溶剂挥发及废弃溶剂的处理问题,不会造成三废处理问题,有利于环境保护;
  • 保证产品的高可靠性和高成品率;
  • 保证产品表面清洗处理的均匀度一致。

 

紫外臭氧清洗机(UVO)

 

紫外光清洗技术需要用到紫外臭氧清洗机(UVO),是一种简单、经济、快速高效的光电子材料表面精密清洗设备,清洗时使基板治湿性向上,玻璃基板是以滚轮方式输送,上方装置低压水银灯产生紫外线照射。

图源:华仪行(北京)科技有限公司

紫外臭氧清洗机最主要的功能应用是UV光清洗和表面UV光改性:

① 表面UV光清洗

利用紫外光以及由其产生的臭氧,对有机物质所起的光敏氧化分解作用,以达到去除粘附在物体表面上的有机化合物(碳氢化合物)之目标,获得超洁净的表面。

② 表面UV光改性

利用紫外光照射有机表面,在将有机物分解的同时,254nm波长的紫外光被物体表面吸收后,将表层的化学结构切断,光子作用产生原子氧会与被切断的表层分子结合,并将之变换成具有高度亲水性的官能基(如-OH,-CHO,-COOH),从而提高表面的浸润性。

去掉外壳的UVO清洗机内部结构 图源:北京航天宏达光电技术有限公司

紫外臭氧清洗机适用的材料类型包括:石英、硅、金、镍、铝、砷化镓、氧化铝、二氧化硅、氮化硅、玻璃、不锈钢等。可以去除有机性污垢、人体皮脂、化妆品油脂、树脂添加剂及聚酰亚胺、石蜡、松香、润滑油、残余的光刻胶等污垢。

可实现对光电子领域的精密部件、特殊材料的表面清洗和改性,以及微生物消毒等,应用分类如下:

  • 石英/玻璃制品的表面清洗:液晶面板、等离子电视屏幕、彩色过滤片、光罩、棱镜、透镜、反射镜、平板显示器/液晶显示器。增强玻璃的除气作用;
  • 微电子产品的表面清洗:微型马达轴、磁头驱动架、光盘、光电器件、手机摄像头、微型喇叭/受话器震膜、半导体硅片、掩膜版。如去除光刻机台上的光刻胶残留物;
  • 精密集成电路的表面清洗:液晶显示器ITO、精密电路板、软性电路板接头、COG的清洗、COF(ILB)接合面的清洗、薄膜基板的清洗、金属基板的清洗、基片蓝膜去除与终测后墨迹清除、BGA基板与粘结垫的清洗;
  • 在胶粘接或是印刷之前,对高分子聚合制品的表面改性:增强蚀刻特氟隆、氟橡胶以及其它有机材料的粘附性,对汽车塑料部件、透镜保护膜、塑料薄膜、树脂成型空气袋、IC包装、注射针接合部的表面性、介入导管的表面改性等;增强GaAs 和Si氧化物钝化表面;
  • 科研过程的表面清洗及处理:半导体、生物芯片、纳米材料、聚合物、光化学等;
  • 生物科学应用清洗和消毒等。

左: 紫外线臭氧清洗前  右: 紫外臭氧清洗10分钟后 图源:华仪行(北京)科技有限公司

 

主要应用案例:光电子材料清洗与改性

 

通过上述介绍应用我们得知,紫外臭氧清洗机对白玻璃、ITO玻璃、半导体材料、光学玻璃、铬板玻璃、膜块、液晶屏斑马线以及残余的光刻胶和聚酰亚胺等多种材料有令人满意的清洗效果。

经过光清洗后的物体表面清洁度更高,浸润性更好,粘合力更强,可使脏点、黑点、白点、针孔、起皮等影响涂敷的质量问题大大减少,膜层更加牢固。通过对ITO玻璃用光清洗机进行光清洗前后对比试验,检测情况如下:

ITO玻璃样片光清洗前后的俄歇能谐分析曲线对比图 图源:汇沃科技

 

ITO玻璃样片光清洗前后的接触角测试对比图 图源:汇沃科技

UV光源在LCD工艺中又具有UV改性、使紫外光表面质变的特点,目前在液晶显示器STN的生产过程中,主要是用在膜处理技术上,对于改善膜与膜之间的密接是非常有效的,如ITO膜与感光胶膜层,TOP涂层与PI涂层等等。

另在研究部门又可用来UV改性塑料材料产品,用于纳米技术研究,产品经此UV光照射发生化学反应,使产品表面性质改变。

图源:珠海凯为光电科技有限公司

 

应用拓展案例:杀毒灭菌、清洁净化等

 

按照波长,UV光通常分为UVA(315nm-400nm)UVB(280nm-315nm)、UVC(200nm-280nm)。其中波长UVC波段又称为“日盲”波段,由于大气中臭氧的强烈吸收,在近地太阳光谱中几乎不含有该波段紫外光。

UVC波段波长短、能量高,短时间内可破坏微生物机体(细菌、病毒等病原体)细胞中分子结构,通过破坏微生物的DNA和RNA阻止其繁殖,可以实现高效快速的广谱杀菌效果,从而对水、空气和物体表面进行杀菌消毒,使细胞无法再生,因此广泛应用于如水、空气等的杀菌消毒。

图源:深圳市源科光电有限公司

数据显示,仅以30mW/cm2的UVC紫外辐照强度,一秒钟即可对绝大部分细菌实现近乎100%的杀灭,效果非常显著,UVC主要应用主要包括水/空气/表面的消毒/净化,以及医疗卫生领域。

①机场消毒清洁案例

向航空公司提供杀毒服务的霍尼韦尔紫外线客舱清洁系统,可实现对重症急性呼吸综合征(SARS)冠状病毒和中东呼吸综合征(MERS)冠状病毒的消杀。其尺寸与飞机饮料车相当,配备紫外线清洁灯臂,可伸展至座位顶部扫掠客舱,从而完成客舱表面清洁工作,以帮助乘客获得更加舒适的飞行体验。

图源:Pittsburgh International Airport - Beth Hollerich

为在COVID-19疫情期间加强机场清洁水平并保障旅客健康和安全,匹兹堡国际机场(PIT)与当地技术公司Carnegie Robotics合作,部署拥有自主紫外线杀毒技术的机器人。这款由Nilfisk与Carnegie Robotics联合开发的商业级全自动地面清洁机器人,将作为机场日常清洁程序的一部分,全天候部署。

香港国际机场的官员已经采用了类似的技术来对抗COVID-19的传播,包括试用一台能够在一分钟内对人体和衣物进行消毒的全身消毒机。

② 个人与家庭卫生清洁案例

在个人健康和家庭卫生方面,紫外光可用于地毯和厨房地板消杀细菌病毒、水杯碗筷消毒、空气净化除菌、杀灭螨虫、鞋袜杀菌除臭、婴儿奶瓶消毒等,用武之地简直不可胜数。

紫外线清洁工具。图源:Polly

③ 空气净化与水过滤案例

深紫外LED是为杀菌而生的“人造光”(特定波段260-280nm)。其空气杀菌消毒处理系统也可用于任何需要清新、新鲜空气设备上,如空气净化器、冰箱等。

没有深紫外LED杀菌模块的冰箱,其细菌自然衰减率为 30%,而含有深紫外LED杀菌模块的冰箱,其细菌衰减率达到了 85%,这也很好证明了深紫外LED杀菌效果,使冰箱冷藏室空气细菌含量维持在低水平,更大程度提升了冰箱的保鲜能力。

深紫外LED作为新一代绿色光源,以其特有的安全、经济优势,为空气净化提供了一个有效解决方案。

华为720全效空气净化器,UVC深紫外灭菌,综合除菌率超过99.9%。内置UVC深紫外LED灯珠,可有效杀灭空气中多种细菌。图源: 湖北深紫科技有限公司  

④ 工业废气处理案例

通常工业有机废气中会含有颗粒物、重金属、漆雾、卤素化合物等混合物。恶臭气体(工业废气)利用排风设备输入到UV光解净化设备后,净化设备运用高能UV紫外线光束及臭氧对恶臭气体进行协同裂解、氧化反应,使恶臭气体物质其降解转化成低分子化合物、水和二氧化碳,再通过排风管道排出室外。

光解能处理30%的废气,二氧化钛能处理30%的废气,等离子能处理30%的废气。机器越大处理效果越好,如果风量算好,三结合的方式是能处理90%以上的废气。

Voc光催化设备 图源:青岛博瑞一创

⑤ 半导体检测案例

基于紫外光原理的另一个应用是分析仪器(分光光度法、液相色谱、气相色谱等)矿物分析。

真空紫外光作为一种较高能量的光子,相比于X射线,真空紫外光子线宽较窄,只使原子的外层价电子、价带电子电离,并可分辨出分子的振动能级。它可以直接电离几乎所有的有机大分子而不产生碎片。

真空紫外光被广泛地用来研究材料表面的组成、形貌、化学状态、电子结构和表面键合等信息。高亮度的深紫外光源是组成光电子能谱仪、光电离质谱仪以及真空紫外光谱仪的核心部件。在光电子能谱、有机质谱、真空紫外光谱和极紫外光刻技术的分析研究中扮演着极其重要的角色。

图源:北京汇德信科技有限公司