隨著科學技術的高速發展,超聲技術已越來越多地應用於人們的生產和生活的各個領域。從超聲測厚到超聲診斷、治療,超聲波焊接,它已為人們所熟悉。但超聲設備在清洗行業的應用,人們還不夠熟悉和了解。
超聲波清洗技術最早出現於20世紀30年代早期,當時,位於美國新澤西州的美國無線電公司的一個實驗室中的技術人員嘗試用自制的簡陋超聲波清洗系統清洗某些物體,但試驗未獲成功。在此基礎上,超聲波清洗技術在20世紀50年代有了很大的發展,當時使用的超聲波工作頻率在20～40kHz之間。該範圍內的超聲波被應用在數千種不同的工作場合下,其中許多是別的清洗手段不能很好發揮作用的場合。超聲波可以對工件施加非常巨大的能量,尤其適用於清除牢固地附著在基底上的汙垢。然而在某些情況下,超聲波強大的能量也會損傷粘有汙垢而性質脆弱的基底材料。在過去的十幾年中,超聲波領域中出現了一些技術革新,提高了清除敏感基底上的汙物的安全係數。在此期間,超聲波技術,特別是中高頻超聲波清洗技術有了新的發展,併成為行業的亮點。近年來,人們發現用兆聲波(根據超聲波的頻率不同,把40kHz及其以下的稱為常規或低頻超聲波,把1000kHz以上的稱為高頻超聲波,又稱兆頻超聲波,簡稱兆聲波)清洗可以去除掉半導體材料表面上的超細汙垢微粒,並且不會損傷基底材料的表面。目前這項技術已經得到了很快的普及。
1、超聲波清洗的優勢
1.1、清洗效果好
運用於工業清洗的清洗方式一般為人工清洗、有機溶劑清洗、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為是當前效率最高、效果最好的清洗方式,其清洗效率達到了98%以上,清洗潔淨度也達到了最高級別。而傳統的人工清洗和有機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於90%。不論工件形狀多麼複雜,將其放入清洗液內,只要是能接觸到液體的地方,超聲波的清洗作用都能達到。尤其是對於形狀和結構複雜、人工及其它清洗方式不能完全有效地進行清洗的工件,具有顯著的清洗效果。清洗時液體內產生的氣泡非常均勻,工件的清洗效果也非常理想。超聲波清洗可根據溶劑的不同達到不同的效果,如:除油、除鏽或磷化。配合清洗劑的使用,加速汙染物的分離和溶解,可有效防止清洗液對工件的腐蝕。
1.2、清洗成本低
在所有清洗方式中,清洗成本大體為:設備成本和消耗成本。超聲波清洗設備使用壽命約為十年,設備購置成本高於人工清洗和有機鹼性溶劑刷洗,低於氣相清洗和高壓水射流清洗,對於消耗成本,以有效尺寸為600×400×350mm3,功率為1kW,價格約為1萬元的超聲波清洗機為例,耗電1kW·h約為0.5元;鹼性金屬清洗劑1kg,價格約為20元,可反覆使用20～50h(根據汙染程度而定),相當於0.4～1元/h,而一般工件清洗時間僅為3～15min即可,且一次清洗可對一定數量及體積的工件同時清洗,因此對於消耗成本而言,採用超聲波清洗,不僅清洗效果最好,而且清洗成本相當於不到0.04元/件,還不算節省的勞動力成本,遠遠低於其他各類清洗方法。
1.3、避免勞動損傷
以往在骯髒的環境中通過繁重的體力勞動,需要長時間地進行手工清洗的複雜機械零件,應用了超聲波清洗機以後,不僅改善了勞動環境,杜絕了手工清洗對工件產生的傷害,減輕了勞動強度,而且在大幅提高清洗精度的基礎上,清洗時間縮短為原來的四分之一。超聲波清洗還可有效地降低汙染,減少有毒溶劑對人類的損害。
2、超聲波清洗的原理
超聲波是一種頻率超出人類聽覺範圍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。其傳播時,使彈性介質中的粒子振盪,並通過介質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,兩者都可以傳送,而在氣體和液體內,只有縱向波可以傳送。超聲波能夠引起質點振動,質點振動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產生極大的作用力,強超聲波在液體中傳播時,由於非線性作用,會產生聲空化。在空化氣泡突然閉合時發出的衝擊波可在其周圍產生上千個大氣壓力,對汙層的直接反覆衝擊,一方面破壞汙物與清洗件表面的吸附,另一方面也會引起汙物層的破壞而脫離清洗件表面並使它們分散到清洗液中。氣泡的振動也能對固體表面進行擦洗。氣泡還能“鑽入”裂縫中做振動,使汙物脫落。對於有油脂性汙物,由於超聲空化作用,兩種液體在界面迅速分散而乳化,當固體粒子被油汙裹著而粘附在清洗件表面時,油被乳化,固體粒子即脫落。空化氣泡在振動過程中會使液體本身產生環流,即所謂聲流。他可使振動氣泡表面存在很高的速度梯度和粘滯應力,促使清洗件表面汙物的破壞和脫落,超聲空化在固體和液體表面上所產生的高速微射流能夠除去或削弱邊界汙層,腐蝕固體表面,增加攪拌作用,加速可溶性汙物的溶解,強化化學清洗劑的清洗作用。此外,超聲振動在清洗液中引起質點很大的振動速度和加速度,亦使清洗件表面的汙物受到頻繁而激烈的衝擊。由上述超聲清洗原理可知,凡是液體浸到空化產生的地方都有清洗作用,不受清洗件表面複雜形狀的限制,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乾淨的。
3、超聲波清洗的主要設備
超聲波清洗設備主要由發生器、換能器和清洗槽三部分組成。發生器即電源,產生電磁振盪信號並提供能量;換能器即振板,是超聲清洗的關鍵部分,它把發生器產生的電磁振動轉換成換能器本身的超聲振動,並傳入清洗槽中產生空化作用,通常置於槽底部;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、超聲波強度
即單位面積的超聲功率。超聲清洗的效果好壞取決於空化作用,但空化作用的產生與超聲波強度有關,在通常情況下,在單位面積超過0.3W超聲功率時(輸入電功率為1W)。超聲波強度越大,空化作用越明顯,清洗作用越好。另外,根據不同的清洗對象,選擇適當的超聲波強度,如清洗電路板時超聲強度可低些,清洗機械零件時超聲波強度可高些。
4.2、超聲波頻率
空化作用還與超聲波頻率有關,空化的產生存在著一個最小的臨界幅度,即空化是隨著頻率的升高而降低的。目前超聲波清洗機的工作頻率根據清洗對象,大致分為三個頻段: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)。低頻超聲清洗適用於大部件表面或者汙物和清洗件表面結合強度高的場合;高頻超聲清洗適用於計算機、微電子元件的精細清洗。如磁盤、驅動器、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;兆赫超聲清洗適用於集成電路芯片、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方面考慮,一方面要從汙物的性質來選擇化學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。因為這些特性與超聲空化強弱有關。液體的表面張力大則不容易產生空化,但是當聲強超過空化閾值時,空化泡崩潰釋放的能量也大,有利於清洗。高蒸氣壓的液體會降低空化強度,而液體的粘滯度大也不容易產生空化,因此蒸氣壓高和黏度大的清洗劑都不利於超聲清洗。
4.4、清洗的溫度
清洗溫度升高時,對空化的產生有利,但是溫度過高氣泡中的蒸氣壓增大,空化強度會降低,所以溫度的選擇要考慮對空化強度的影響也要考慮清洗液的化學清洗作用。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,超聲波由聲源向液麵傳播時,在液體和氣體的交界面會反射回來而形成駐波。駐波的特徵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,這樣會造成清洗不均勻的現象。要減少駐波的影響有時清洗槽特意做成不規則的形狀以避免駐波的形成。有時在超聲電源方面採取掃頻的方式,使聲壓最小處不固定在一個地方,而是不斷地移動以達到較均勻的清洗。
5、超聲波清洗的應用
由於超聲波清洗本身具有其它物理清洗或化學清洗無可比擬的優越性,因此廣泛應用於日常生活、電子業、製藥工業、實驗室、機械業、金屬工業、化學工業等諸多領域。
5.1、日常生活
日常生活中,眼鏡、首飾都可以用超聲波進行清洗,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、製藥工業
超聲波清洗技術經過眾多製藥企業的應用而得到廣泛使用,特別是對西林瓶、口服液瓶、氨瓶、大輸液瓶的清洗以及對丁基膠塞、天然膠塞的清洗方面,已經得到肯定。對於瓶類的清洗,是用超聲波清洗技術代替原有的毛刷機,經過翻轉註水、超聲清洗、內外沖洗、空氣吹乾、翻轉等流程而實現。
5.3、電子工業
印製電路板焊接後,一般都會或多或少地有助焊劑殘留物附在基板上。這些殘留物會對基板造成不良的影響(如短路、漏電、腐蝕、接觸不良等)。給電子製造業帶來品質上的影響。採用超聲波清洗技術,可大大降低殘留物的量,進一步提高潔淨度。
5.4、金屬行業
眾所周知,金屬棒材經擠壓成絲後,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,很難讓汙物去除(尤其整盤絲),超聲波洗絲機是根據實際生產需要而設計的一種連續走絲,高效清洗設備,粗洗部分由清洗液儲槽、換能器、循環泵、過濾器及配套管道系統組成,金屬絲經超聲波粗洗精洗後,再經過吹乾,從而完成整個清洗過程。整套設備集成控制,簡潔、方便、效果好,廣泛用於鉭絲、鎢絲、鉬絲、鈮絲、銅絲(絕緣漆塗覆前)等金屬絲。
5.5、精密光學儀器
光學儀器的透鏡表面常因切片,研磨等加工而造成表層被磨屑、油汙等汙染,有的已滲入表層微觀組織內,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、超聲波清洗技術的新進展
超聲波清洗技術經過幾十年來的理論探討和應用研究,無論在設備還是在工藝上均取得了較大的發展,有關單位相繼研發了一大批新的產品,也制訂出了一些先進典型的清洗工藝。
6.1、高頻超聲清洗
對於像硅片表面小至零點幾微米的超微汙物粒子,常規的超聲波清洗器無能為力,即使增加功率密度也無濟於事。近來發展了一種兆赫茲級的高頻超聲清洗技術,由於頻率高,空化效應已不起作用,因此清洗的關鍵不是氣泡,是高頻壓力波的擦洗作用,其對汙物的去除率接近百分之百。高頻清洗近來發展較快,主要用於超大規模集成電路芯片上的汙物清洗,以及硅晶片、陶瓷、光掩模等特種汙物的清洗。
6.2、聚焦式清洗
對於像紡織行業的噴絲板、過濾器之類微孔物件的清洗,常規的超聲清洗效果十分不理想,聲強達不到要求,而採用機械掃描聚焦式超聲清洗,噴絲板微孔中的汙物脫離則十分明顯。聚焦式清洗要求達到高的聲強,目前選用的頻率以低頻為主,常用20kHz和15kHz兩種頻率,個別的頻率也有28kHz的,其電功率在連續波情況下一般為500～700W,間隙脈衝工作狀態下,功率可高一些。
6.3、多頻清洗
即在一隻清洗槽中,安裝有兩種或三種以上不同頻率的換能器,由多隻發生器分別推動各自頻率的換能器。我們知道,清洗器工作頻率高時,在液體中空化強度低而空化密度大,而工作頻率低時則相反。低頻超聲波的強度高,對物體表面清洗有利,高頻超聲波空化密度高,衝擊波能穿達凹槽、細縫、深孔等細微結構。同時缸中有多種頻率的超聲波,也克服了單頻清洗駐波場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結構,前者解決了槽中的不均勻駐波場,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換能器和一個發生器,其換能器本身有兩個諧振頻率,在第一諧振點帶寬內作連續的頻率變化,然後跳到另一帶寬內進行掃頻清洗,是高低頻交替進行清洗。
7、結束語
超聲波清洗具有廣泛的應用領域和應用價值,相信隨著科學技術的不斷進步,超聲波清洗在清洗領域必將得到快速發展,實現振興行業、振興中華,服務於全世界的遠大目標。
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