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前后處理|超聲波清洗的原理和實(shí)際應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2018-04-23
隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,超聲技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。從超聲測(cè)厚到超聲診斷、治療,超聲波焊接,它已為人們所熟悉。但超聲設(shè)備在清洗行業(yè)的應(yīng)用,人們還不夠熟悉和了解。
超聲波清洗技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代早期,當(dāng)時(shí),位于美國新澤西州的美國無線電公司的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中的技術(shù)人員嘗試用自制的簡(jiǎn)陋超聲波清洗系統(tǒng)清洗某些物體,但試驗(yàn)未獲成功。在此基礎(chǔ)上,超聲波清洗技術(shù)在20世紀(jì)50年代有了很大的發(fā)展,當(dāng)時(shí)使用的超聲波工作頻率在20～40kHz之間。該范圍內(nèi)的超聲波被應(yīng)用在數(shù)千種不同的工作場(chǎng)合下,其中許多是別的清洗手段不能很好發(fā)揮作用的場(chǎng)合。超聲波可以對(duì)工件施加非常巨大的能量,尤其適用于清除牢固地附著在基底上的污垢。然而在某些情況下,超聲波強(qiáng)大的能量也會(huì)損傷粘有污垢而性質(zhì)脆弱的基底材料。在過去的十幾年中,超聲波領(lǐng)域中出現(xiàn)了一些技術(shù)革新,提高了清除敏感基底上的污物的安全系數(shù)。在此期間,超聲波技術(shù),特別是中高頻超聲波清洗技術(shù)有了新的發(fā)展,并成為行業(yè)的亮點(diǎn)。近年來,人們發(fā)現(xiàn)用兆聲波(根據(jù)超聲波的頻率不同,把40kHz及其以下的稱為常規(guī)或低頻超聲波,把1000kHz以上的稱為高頻超聲波,又稱兆頻超聲波,簡(jiǎn)稱兆聲波)清洗可以去除掉半導(dǎo)體材料表面上的超細(xì)污垢微粒,并且不會(huì)損傷基底材料的表面。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到了很快的普及。
1、超聲波清洗的優(yōu)勢(shì)
1.1、清洗效果好
運(yùn)用于工業(yè)清洗的清洗方式一般為人工清洗、有機(jī)溶劑清洗、蒸汽氣相清洗、高壓水射流清洗和超聲波清洗。超聲波清洗被國際公認(rèn)為是當(dāng)前效率最高、效果最好的清洗方式,其清洗效率達(dá)到了98%以上,清洗潔凈度也達(dá)到了最高級(jí)別。而傳統(tǒng)的人工清洗和有機(jī)溶劑清洗的清洗效率僅僅為60%～70%,即使是氣相清洗和高壓水射流清洗的清洗效率也低于90%。不論工件形狀多么復(fù)雜,將其放入清洗液內(nèi),只要是能接觸到液體的地方,超聲波的清洗作用都能達(dá)到。尤其是對(duì)于形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人工及其它清洗方式不能完全有效地進(jìn)行清洗的工件,具有顯著的清洗效果。清洗時(shí)液體內(nèi)產(chǎn)生的氣泡非常均勻,工件的清洗效果也非常理想。超聲波清洗可根據(jù)溶劑的不同達(dá)到不同的效果,如:除油、除銹或磷化。配合清洗劑的使用,加速污染物的分離和溶解,可有效防止清洗液對(duì)工件的腐蝕。
1.2、清洗成本低
在所有清洗方式中,清洗成本大體為:設(shè)備成本和消耗成本。超聲波清洗設(shè)備使用壽命約為十年,設(shè)備購置成本高于人工清洗和有機(jī)堿性溶劑刷洗,低于氣相清洗和高壓水射流清洗,對(duì)于消耗成本,以有效尺寸為600×400×350mm3,功率為1kW,價(jià)格約為1萬元的超聲波清洗機(jī)為例,耗電1kW·h約為0.5元;堿性金屬清洗劑1kg,價(jià)格約為20元,可反復(fù)使用20～50h(根據(jù)污染程度而定),相當(dāng)于0.4～1元/h,而一般工件清洗時(shí)間僅為3～15min即可,且一次清洗可對(duì)一定數(shù)量及體積的工件同時(shí)清洗,因此對(duì)于消耗成本而言,采用超聲波清洗,不僅清洗效果最好,而且清洗成本相當(dāng)于不到0.04元/件,還不算節(jié)省的勞動(dòng)力成本,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他各類清洗方法。
1.3、避免勞動(dòng)損傷
以往在骯臟的環(huán)境中通過繁重的體力勞動(dòng),需要長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行手工清洗的復(fù)雜機(jī)械零件,應(yīng)用了超聲波清洗機(jī)以后,不僅改善了勞動(dòng)環(huán)境,杜絕了手工清洗對(duì)工件產(chǎn)生的傷害,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,而且在大幅提高清洗精度的基礎(chǔ)上,清洗時(shí)間縮短為原來的四分之一。超聲波清洗還可有效地降低污染,減少有毒溶劑對(duì)人類的損害。
2、超聲波清洗的原理
超聲波是一種頻率超出人類聽覺范圍20kHz以上的聲波。超聲波很像電磁波,能折射、聚焦和反射,然而和電磁波又不同,電磁波可以在真空中自由傳播,而超聲波的傳播要依靠彈性介質(zhì)。其傳播時(shí),使彈性介質(zhì)中的粒子振蕩,并通過介質(zhì)按超聲波的傳播方向傳遞能量,這種波可分為縱向波和橫向波。在固體內(nèi),兩者都可以傳送,而在氣體和液體內(nèi),只有縱向波可以傳送。超聲波能夠引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的加速度與超聲頻率的平方成正比。因此,幾十千赫茲的超聲會(huì)產(chǎn)生極大的作用力,強(qiáng)超聲波在液體中傳播時(shí),由于非線性作用,會(huì)產(chǎn)生聲空化。在空化氣泡突然閉合時(shí)發(fā)出的沖擊波可在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力,對(duì)污層的直接反復(fù)沖擊,一方面破壞污物與清洗件表面的吸附,另一方面也會(huì)引起污物層的破壞而脫離清洗件表面并使它們分散到清洗液中。氣泡的振動(dòng)也能對(duì)固體表面進(jìn)行擦洗。氣泡還能“鉆入”裂縫中做振動(dòng),使污物脫落。對(duì)于有油脂性污物,由于超聲空化作用,兩種液體在界面迅速分散而乳化,當(dāng)固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí),油被乳化,固體粒子即脫落。空化氣泡在振動(dòng)過程中會(huì)使液體本身產(chǎn)生環(huán)流,即所謂聲流。他可使振動(dòng)氣泡表面存在很高的速度梯度和粘滯應(yīng)力,促使清洗件表面污物的破壞和脫落,超聲空化在固體和液體表面上所產(chǎn)生的高速微射流能夠除去或削弱邊界污層,腐蝕固體表面,增加攪拌作用,加速可溶性污物的溶解,強(qiáng)化化學(xué)清洗劑的清洗作用。此外,超聲振動(dòng)在清洗液中引起質(zhì)點(diǎn)很大的振動(dòng)速度和加速度,亦使清洗件表面的污物受到頻繁而激烈的沖擊。由上述超聲清洗原理可知,凡是液體浸到空化產(chǎn)生的地方都有清洗作用,不受清洗件表面復(fù)雜形狀的限制,如部件表面的空穴、凹槽、狹縫和深孔、微孔都能得到清洗,而這些部件用一般刷洗方法是不能清洗干凈的。
3、超聲波清洗的主要設(shè)備
超聲波清洗設(shè)備主要由發(fā)生器、換能器和清洗槽三部分組成。發(fā)生器即電源,產(chǎn)生電磁振蕩信號(hào)并提供能量;換能器即振板,是超聲清洗的關(guān)鍵部分,它把發(fā)生器產(chǎn)生的電磁振動(dòng)轉(zhuǎn)換成換能器本身的超聲振動(dòng),并傳入清洗槽中產(chǎn)生空化作用,通常置于槽底部;清洗槽用來容納清洗液及待清洗的工件。
4、影響超聲波清洗效果的因素
4.1、超聲波強(qiáng)度
即單位面積的超聲功率。超聲清洗的效果好壞取決于空化作用,但空化作用的產(chǎn)生與超聲波強(qiáng)度有關(guān),在通常情況下,在單位面積超過0.3W超聲功率時(shí)(輸入電功率為1W)。超聲波強(qiáng)度越大,空化作用越明顯,清洗作用越好。另外,根據(jù)不同的清洗對(duì)象,選擇適當(dāng)?shù)某暡◤?qiáng)度,如清洗電路板時(shí)超聲強(qiáng)度可低些,清洗機(jī)械零件時(shí)超聲波強(qiáng)度可高些。
4.2、超聲波頻率
空化作用還與超聲波頻率有關(guān),空化的產(chǎn)生存在著一個(gè)最小的臨界幅度,即空化是隨著頻率的升高而降低的。目前超聲波清洗機(jī)的工作頻率根據(jù)清洗對(duì)象,大致分為三個(gè)頻段:低頻超聲清洗(20～50kHz)高頻超聲清洗(50～200kHz)和兆赫超聲清洗(700～1000kHz)。低頻超聲清洗適用于大部件表面或者污物和清洗件表面結(jié)合強(qiáng)度高的場(chǎng)合;高頻超聲清洗適用于計(jì)算機(jī)、微電子元件的精細(xì)清洗。如磁盤、驅(qū)動(dòng)器、讀寫頭、液晶玻璃及平面顯示器微組件和拋光金屬件等的清洗;兆赫超聲清洗適用于集成電路芯片、硅片及薄膜等的清洗。
4.3、清洗溶液的選擇
清洗劑的選擇要從兩個(gè)方面考慮,一方面要從污物的性質(zhì)來選擇化學(xué)作用效果好的清洗劑;另一方面要選擇表面張力、蒸氣壓及黏度合適的清洗劑。因?yàn)檫@些特性與超聲空化強(qiáng)弱有關(guān)。液體的表面張力大則不容易產(chǎn)生空化,但是當(dāng)聲強(qiáng)超過空化閾值時(shí),空化泡崩潰釋放的能量也大,有利于清洗。高蒸氣壓的液體會(huì)降低空化強(qiáng)度,而液體的粘滯度大也不容易產(chǎn)生空化,因此蒸氣壓高和黏度大的清洗劑都不利于超聲清洗。
4.4、清洗的溫度
清洗溫度升高時(shí),對(duì)空化的產(chǎn)生有利,但是溫度過高氣泡中的蒸氣壓增大,空化強(qiáng)度會(huì)降低,所以溫度的選擇要考慮對(duì)空化強(qiáng)度的影響也要考慮清洗液的化學(xué)清洗作用。每一種液體都有一空化活躍的溫度,水較適宜的溫度是60℃左右,此時(shí)空化最活躍。
4.5、駐波的影響
清洗槽是有限空間,超聲波由聲源向液面?zhèn)鞑r(shí),在液體和氣體的交界面會(huì)反射回來而形成駐波。駐波的特征是在液體空間的某些地方聲壓最小,而在另外一些地方聲壓最大,這樣會(huì)造成清洗不均勻的現(xiàn)象。要減少駐波的影響有時(shí)清洗槽特意做成不規(guī)則的形狀以避免駐波的形成。有時(shí)在超聲電源方面采取掃頻的方式,使聲壓最小處不固定在一個(gè)地方,而是不斷地移動(dòng)以達(dá)到較均勻的清洗。
5、超聲波清洗的應(yīng)用
由于超聲波清洗本身具有其它物理清洗或化學(xué)清洗無可比擬的優(yōu)越性,因此廣泛應(yīng)用于日常生活、電子業(yè)、制藥工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械業(yè)、金屬工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等諸多領(lǐng)域。
5.1、日常生活
日常生活中,眼鏡、首飾都可以用超聲波進(jìn)行清洗,速度快,無損傷。賓館、飯店和家庭日常清洗餐具,不僅清洗效果好,還具有殺滅病毒的作用。
5.2、制藥工業(yè)
超聲波清洗技術(shù)經(jīng)過眾多制藥企業(yè)的應(yīng)用而得到廣泛使用,特別是對(duì)西林瓶、口服液瓶、氨瓶、大輸液瓶的清洗以及對(duì)丁基膠塞、天然膠塞的清洗方面,已經(jīng)得到肯定。對(duì)于瓶類的清洗,是用超聲波清洗技術(shù)代替原有的毛刷機(jī),經(jīng)過翻轉(zhuǎn)注水、超聲清洗、內(nèi)外沖洗、空氣吹干、翻轉(zhuǎn)等流程而實(shí)現(xiàn)。
5.3、電子工業(yè)
印制電路板焊接后,一般都會(huì)或多或少地有助焊劑殘留物附在基板上。這些殘留物會(huì)對(duì)基板造成不良的影響(如短路、漏電、腐蝕、接觸不良等)。給電子制造業(yè)帶來品質(zhì)上的影響。采用超聲波清洗技術(shù),可大大降低殘留物的量,進(jìn)一步提高潔凈度。
5.4、金屬行業(yè)
眾所周知,金屬棒材經(jīng)擠壓成絲后,金屬絲的外部往往有一層碳化膜和油,用酸清洗或其它清洗方法,很難讓污物去除(尤其整盤絲),超聲波洗絲機(jī)是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要而設(shè)計(jì)的一種連續(xù)走絲,高效清洗設(shè)備,粗洗部分由清洗液儲(chǔ)槽、換能器、循環(huán)泵、過濾器及配套管道系統(tǒng)組成,金屬絲經(jīng)超聲波粗洗精洗后,再經(jīng)過吹干,從而完成整個(gè)清洗過程。整套設(shè)備集成控制,簡(jiǎn)潔、方便、效果好,廣泛用于鉭絲、鎢絲、鉬絲、鈮絲、銅絲(絕緣漆涂覆前)等金屬絲。
5.5、精密光學(xué)儀器
光學(xué)儀器的透鏡表面常因切片,研磨等加工而造成表層被磨屑、油污等污染,有的已滲入表層微觀組織內(nèi),用其它工藝清洗很難奏效,但改用高效率的超聲波清洗,就可化難為易。
6、超聲波清洗技術(shù)的新進(jìn)展
超聲波清洗技術(shù)經(jīng)過幾十年來的理論探討和應(yīng)用研究,無論在設(shè)備還是在工藝上均取得了較大的發(fā)展,有關(guān)單位相繼研發(fā)了一大批新的產(chǎn)品,也制訂出了一些先進(jìn)典型的清洗工藝。
6.1、高頻超聲清洗
對(duì)于像硅片表面小至零點(diǎn)幾微米的超微污物粒子,常規(guī)的超聲波清洗器無能為力,即使增加功率密度也無濟(jì)于事。近來發(fā)展了一種兆赫茲級(jí)的高頻超聲清洗技術(shù),由于頻率高,空化效應(yīng)已不起作用,因此清洗的關(guān)鍵不是氣泡,是高頻壓力波的擦洗作用,其對(duì)污物的去除率接近百分之百。高頻清洗近來發(fā)展較快,主要用于超大規(guī)模集成電路芯片上的污物清洗,以及硅晶片、陶瓷、光掩模等特種污物的清洗。
6.2、聚焦式清洗
對(duì)于像紡織行業(yè)的噴絲板、過濾器之類微孔物件的清洗,常規(guī)的超聲清洗效果十分不理想,聲強(qiáng)達(dá)不到要求,而采用機(jī)械掃描聚焦式超聲清洗,噴絲板微孔中的污物脫離則十分明顯。聚焦式清洗要求達(dá)到高的聲強(qiáng),目前選用的頻率以低頻為主,常用20kHz和15kHz兩種頻率,個(gè)別的頻率也有28kHz的,其電功率在連續(xù)波情況下一般為500～700W,間隙脈沖工作狀態(tài)下,功率可高一些。
6.3、多頻清洗
即在一只清洗槽中,安裝有兩種或三種以上不同頻率的換能器,由多只發(fā)生器分別推動(dòng)各自頻率的換能器。我們知道,清洗器工作頻率高時(shí),在液體中空化強(qiáng)度低而空化密度大,而工作頻率低時(shí)則相反。低頻超聲波的強(qiáng)度高,對(duì)物體表面清洗有利,高頻超聲波空化密度高,沖擊波能穿達(dá)凹槽、細(xì)縫、深孔等細(xì)微結(jié)構(gòu)。同時(shí)缸中有多種頻率的超聲波,也克服了單頻清洗駐波場(chǎng)造成的清洗不均勻問題。
6.4、掃頻和跳頻清洗
掃頻和跳頻清洗都是為了改善槽中的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu),前者解決了槽中的不均勻駐波場(chǎng),使清洗均勻。而跳頻和多頻一樣兼顧到高低頻清洗,不同的是跳頻用的是一個(gè)換能器和一個(gè)發(fā)生器,其換能器本身有兩個(gè)諧振頻率,在第一諧振點(diǎn)帶寬內(nèi)作連續(xù)的頻率變化,然后跳到另一帶寬內(nèi)進(jìn)行掃頻清洗,是高低頻交替進(jìn)行清洗。
7、結(jié)束語
超聲波清洗具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用價(jià)值,相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,超聲波清洗在清洗領(lǐng)域必將得到快速發(fā)展,實(shí)現(xiàn)振興行業(yè)、振興中華,服務(wù)于全世界的遠(yuǎn)大目標(biāo)。
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