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前后處理|超聲波清洗的原理和實際應(yīng)用
發(fā)布時間：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)和生活的各個領(lǐng)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(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,位于美國新澤西州的美國無線電公司的一個實驗室中的技術(shù)人員嘗試用自制的簡陋超聲波清洗系統(tǒng)清洗某些物體,但試驗未獲成功。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)千種不同的工作場合下,其中許多是別的清洗手段不能很好發(fā)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,超聲波強大的能量也會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。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,并且不會損傷基底材料的表面。目前這項技術(shù)已經(jīng)得到了很快的普及。
1、超聲波清洗的優(yōu)勢
1.1、清洗效果好
運用于工業(yè)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(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)到了最高級別。而傳統(tǒng)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堿性溶劑刷洗,低于氣相清洗和高壓水射流清洗,對于消耗成本,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;堿性金屬清洗劑1kg,價格約為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,而一般工件清洗時間僅為3～15min即可,且一次清洗可對一定數(shù)量及體積的工件同時清洗,因此對于消耗成本而言,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)省的勞動力成本,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他各類清洗方法。
1.3、避免勞動損傷
以往在骯臟的環(huán)境中通過繁重的體力勞動,需要長時間地進(jìn)行手工清洗的復(fù)雜機械零件,應(yīng)用了超聲波清洗機以后,不僅改善了勞動環(huán)境,杜絕了手工清洗對工件產(chǎn)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(chǔ)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污染,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,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)點振動,質(zhì)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(chǎn)生極大的作用力,強超聲波在液體中傳播時,由于非線性作用,會產(chǎn)生聲空化。在空化氣泡突然閉合時發(fā)出的沖擊波可在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓力,對污層的直接反復(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。氣泡的振動也能對固體表面進(jìn)行擦洗。氣泡還能“鉆入”裂縫中做振動,使污物脫落。對于有油脂性污物,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,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(chǎn)生環(huán)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(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,強化化學(xué)清洗劑的清洗作用。此外,超聲振動在清洗液中引起質(zhì)點很大的振動速度和加速度,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)生的電磁振動轉(zhuǎn)換成換能器本身的超聲振動,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)生與超聲波強度有關(guān),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(jù)不同的清洗對象,選擇適當(dāng)?shù)某暡◤姸?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(guān),空化的產(chǎn)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(jù)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)。低頻超聲清洗適用于大部件表面或者污物和清洗件表面結(jié)合強度高的場合;高頻超聲清洗適用于計算機、微電子元件的精細(xì)清洗。如磁盤、驅(qū)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。因為這些特性與超聲空化強弱有關(guān)。液體的表面張力大則不容易產(chǎn)生空化,但是當(dāng)聲強超過空化閾值時,空化泡崩潰釋放的能量也大,有利于清洗。高蒸氣壓的液體會降低空化強度,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,對空化的產(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(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,在液體和氣體的交界面會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,這樣會造成清洗不均勻的現(xiàn)象。要減少駐波的影響有時清洗槽特意做成不規(guī)則的形狀以避免駐波的形成。有時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地方,而是不斷地移動以達(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)、實驗室、機械業(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(jīng)得到肯定。對于瓶類的清洗,是用超聲波清洗技術(shù)代替原有的毛刷機,經(jīng)過翻轉(zhuǎn)注水、超聲清洗、內(nèi)外沖洗、空氣吹干、翻轉(zhuǎn)等流程而實現(xiàn)。
5.3、電子工業(yè)
印制電路板焊接后,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),超聲波洗絲機是根據(jù)實際生產(chǎn)需要而設(shè)計的一種連續(xù)走絲,高效清洗設(shè)備,粗洗部分由清洗液儲槽、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,從而完成整個清洗過程。整套設(shè)備集成控制,簡潔、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
對于像硅片表面小至零點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于事。近來發(fā)展了一種兆赫茲級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,聲強達(dá)不到要求,而采用機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,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(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,沖擊波能穿達(dá)凹槽、細(xì)縫、深孔等細(xì)微結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu),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(fā)生器,其換能器本身有兩個諧振頻率,在第一諧振點帶寬內(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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