超聲空化閾值和超聲波的頻率有密切關(guān)系。頻率越高,空化閾越高,換句話說,頻率越高,在液體中要產(chǎn)生空化所需要的聲強(qiáng)或聲功率也越大;頻率低,空化容易產(chǎn)生。同時(shí)在低頻情況下,液體受到的壓縮和稀疏作用有更長的時(shí)間間隔,使氣泡在崩潰前能生長到較大的尺寸,增高空化強(qiáng)度,有利于清洗作用。40KHz左右的頻率,在相同聲強(qiáng)下,產(chǎn)生的空化泡數(shù)量比頻率為20KHz時(shí)多,穿透力較強(qiáng),宜清洗表面形狀復(fù)雜或有盲孔的工件,空化噪聲較小。但空化強(qiáng)度較低,適合清洗污物與被清洗件表面結(jié)合力較弱的場合。
高頻超聲清洗適用于計(jì)算機(jī)精密零部件的清洗。對(duì)于一些難清洗干凈的污物,例如金屬表面的氧化物,化纖噴絲板孔中污物的清洗,則需要采用較高的聲強(qiáng)。此時(shí)被清洗面應(yīng)貼近聲源,這時(shí)大多不采用槽式清洗器,而用棒狀聚焦式換能器直接[敏感詞]清洗液靠近清洗件的表面進(jìn)行清洗。而微電子元件的精密清洗,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,這些清洗對(duì)象要求在清洗過程中不能受到空化腐蝕,要能洗掉微米級(jí)的污物。兆赫超聲清洗適用于集成電路芯片、硅片及簿膜等的清洗,能去除微米、亞微米級(jí)的污物而對(duì)清洗件沒有任何損傷,因?yàn)榇藭r(shí)不產(chǎn)生空化。其清洗機(jī)理主要是聲壓梯度,粒子速度和聲流的作用。特點(diǎn)是清洗方向性強(qiáng),被清洗件一般置于與聲束平行的方向。
超聲波清洗效果不一定與(功率×清洗時(shí)間)成正比,有時(shí)用小功率,花費(fèi)很長時(shí)間也沒有清除污垢。而如果功率達(dá)到一定數(shù)值,有時(shí)很快便將污垢去除。若選擇功率太大,空化強(qiáng)度將大大增加,清洗效果是提高了,但這時(shí)使較精密的零件也產(chǎn)生蝕點(diǎn),得不償失,而且清洗缸底部振動(dòng)板處空化嚴(yán)重,水點(diǎn)腐蝕也增大,在采用三氯乙烯等有機(jī)溶劑時(shí),基本上沒有問題,但采用水或水溶性清洗液時(shí),易于受到水點(diǎn)腐蝕,如果振動(dòng)板表面已受到傷痕,強(qiáng)功率下水底產(chǎn)生空化腐蝕更嚴(yán)重,因此要按實(shí)際使用情況選擇超聲功率。
a.清洗劑的分類:
目前市面上清洗劑的廠家很多,清洗劑的品種也五花八門,按照是否與水互溶來分,有可溶于水的水基清洗劑和不溶于水的溶劑型清洗劑。
b.非ODS溶劑和環(huán)保清洗劑:
ODS溶劑即對(duì)地球環(huán)境特別是對(duì)地球大氣層中臭氧層中的臭氧起破壞作用、造成地球環(huán)境惡化如全球氣溫上升、氣候變暖等等的有關(guān)像氟利昂(CFC-113),三氯乙烷(TCA),二氯甲烷,四氯化碳,四氯乙烯(也稱全氯乙烯)、天臘水、苯、甲苯等氟化物、鹵代烴化合物的統(tǒng)稱。
在中國使用ODS溶劑典型的行業(yè)是液晶LCD(液晶)的清洗,LCD清洗屬于精密清洗領(lǐng)域,對(duì)清洗的質(zhì)量、效率要求很高,以前LCD工廠大多使用的是ODS清潔劑和超聲氣相清洗技術(shù),在國際上加速淘汰ODS清潔劑的壓力下,LCD廠正在積極選用替代ODS清潔劑(或稱非ODS清洗劑),替代清洗劑必須保證清洗的LCD質(zhì)量不低于原用ODS清洗劑的清洗標(biāo)準(zhǔn),甚至更高。
到目前為止,LCD行業(yè)已有15家企業(yè)參與了《中國清洗行業(yè)ODS整體淘汰計(jì)劃》,并獲得國際多邊基會(huì)贈(zèng)款。其中已有10家企業(yè)的替代設(shè)備投入運(yùn)行。但仍有少數(shù)LCD廠繼續(xù)使用CFC-113及TCA。部分已淘汰ODS清洗劑的企業(yè)也面臨進(jìn)一步優(yōu)選工藝、設(shè)備及非ODS清洗劑,以便提高LCD清洗品質(zhì)及效益的問題。
適用于LCD行業(yè)的非ODS清洗劑有水基、半水基和溶劑型三種, 水基、半水基清洗劑適用于超聲水洗工藝路線,溶劑型清洗劑適用于氣相超聲清洗工藝路線。
水基、半水基及溶劑型三種替代清洗劑中,水基清洗劑的清洗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及溶劑和半水基型清洗劑。其原因有二:一是水基清洗劑去除LCD殘留液晶以表面活性劑與液晶的乳化作用為主,乳化對(duì)超聲波的依賴性較大;二是水的表面張力比溶劑大,對(duì)狹縫的濕潤性能較差。而表面張力較低的半水基和溶劑型清洗劑與液晶是一種溶解作用。
可用于直接替代CFC-113氣相清洗劑的溶劑型清洗劑包括HCFC、HFC、n-PB、HFE、低沸點(diǎn)碳?xì)浠衔锛捌浜跹苌?。其中HCFC類如HCFC141b、HCFC225,因ODP(臭氧層破壞系數(shù),CFC-113=1)值不等于0,為過渡性替代物;n-PB等鹵代烴在有水存在時(shí)對(duì)ITO具有較大的腐蝕性,而且n-PB的毒性至今尚無定論;HFC及HFE類的優(yōu)點(diǎn)是ODP等于0,但價(jià)格昂貴,且HFC4310具有極高的GWP值(地球溫室效應(yīng)系數(shù)),低沸點(diǎn)的碳?xì)浠衔锛捌浜跹苌颷敏感詞]的問題是易燃易爆,使用該類清洗劑必須采用有防爆功能的清洗設(shè)備。
a.溫度的影響:
水清洗液適宜的清洗溫度為40-60℃,尤其在天冷時(shí)若清洗液溫度低空化效應(yīng)差,清洗效果也差。因此有部分清洗機(jī)在清洗缸外邊繞上加熱電熱絲進(jìn)行溫度控制,當(dāng)溫度升高后空化易發(fā)生,所以清洗效果較好。當(dāng)溫度繼續(xù)升高以后,空泡內(nèi)氣體壓力增加,引起沖擊聲壓下降,反應(yīng)出這兩因素的相乘作用。
b.清洗劑的影響:
清洗劑的選擇要從兩個(gè)方面來考慮: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、蒸氣壓及枯度合適的清洗劑,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,因此蒸氣壓高和粘度大的潔洗劑都不利于超聲清洗。 此外,清洗液的溫度和靜壓力都對(duì)清洗效果有影響,清洗液溫度升高時(shí),空化核增加,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,所以溫度的選擇要同時(shí)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~C,此時(shí)空化活躍。
清洗液的靜壓力大時(shí),不容易產(chǎn)生空化,所以在密閉加壓容器中進(jìn)行超聲清洗或處理時(shí)效果較差。
c.影響超聲清洗效果的其它因素:
清洗液的流動(dòng)速度對(duì)超聲清洗效果也有很大影響。[敏感詞]是在清洗過程中液體靜止不流動(dòng),這時(shí)泡的生長和閉合運(yùn)動(dòng)能夠充分完成。如果清洗液的流速過快,則有些空化核會(huì)被流動(dòng)的液體帶走有些空化核則在沒有達(dá)到生長閉合運(yùn)動(dòng)整過程時(shí)就離開聲場,因而使總的空化強(qiáng)度降低。在實(shí)際清洗過程中有時(shí)為避免污物重新粘附在清洗件上,清洗液需要不斷流動(dòng)更新,此時(shí)應(yīng)注意清洗液的流動(dòng)速度不能過快,以免降低清洗效果。
被清洗件的聲學(xué)特性和在清洗槽中的排列對(duì)清洗效果也有較大的影響。吸聲大的清洗件,如橡膠,布料等清洗效果差,而對(duì)聲反射強(qiáng)的清洗件,如金屬件,玻璃制品的清洗效果好。清洗件面積小的一面應(yīng)朝聲源排放,排列要有一定的間距。清洗件不能直接放在清洗槽底部,尤其是較重的清洗件,以免影響槽底板的振動(dòng),也避免清洗件擦傷底板而加速空化腐蝕。清洗件[敏感詞]是懸掛在槽中,或用金屬羅筐盛好懸掛,但須注意要用金屬絲做成,并盡可能用細(xì)絲做咸空格較大的筐,以減少聲的吸收和屏蔽。
清洗液中氣體的含量對(duì)超聲波清洗效果也有影響。在清洗液中如果有殘存氣體(非空化核)會(huì)增加聲傳播損失,此外在空化泡運(yùn)動(dòng)過程中擴(kuò)散到泡中的氣體,在空化泡崩潰時(shí)會(huì)降低沖擊波強(qiáng)度而削弱清洗作用。因此有些超聲清洗設(shè)備具有除氣功能,在開機(jī)時(shí)先進(jìn)行低于空化閾值的功率水平作振動(dòng),以脈沖或間歇方式振動(dòng)進(jìn)行除氣,然后功率加到正常清洗的功率水平進(jìn)行超聲清洗。有些超聲清洗設(shè)備附有抽氣裝置{所謂真空脫氣},其目的同樣是減少清洗液中的殘存氣體。
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小,而在另外一些地方聲壓[敏感詞],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工方式,使聲壓小處不固定在一個(gè)地方而是不斷地移動(dòng),以達(dá)到較均勻的清洗。
另外,工件在清洗槽的數(shù)量也會(huì)影響清洗效果。一般說來,清洗工件總的橫截面積不應(yīng)超過超聲槽橫截面積的70%。
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