真空等離子清洗機設備原理、特點及應用-深圳納恩科技有限公司

真空等離子清洗機

等離子清洗是通過等離子所含活性粒子與污染物分子反應或利用產生的粒子轟擊被清洗表面，使污染物從被清洗表面分離的清洗方法，等離子在清洗材料表面的同時，也會對被清洗表面改性，提高潤濕性和表面的附著力等。等離子清洗設備分為真空（低壓）和大氣（常壓）兩大類型，其中真空等離子清洗機因其等離子體密度、溫度、能量易于控制的優點而被廣泛應用于工業領域。

真空等離子清洗機清洗原理

等離子清洗可分為化學清洗（如圖1所示）、物理清洗（如圖2所示）及兩種混合清洗。針對不同行業的清洗產品可選擇相對應的工藝氣體進行等離子清洗。

化學等離子清洗
清洗反應是以化學反應為主的等離子體清洗。可用氧氣等離子體經過化學的反應可以使非揮發性的有機物生成易揮發的H₂O和CO₂，化學式為：
O²＋e^-＝2O※+e^-
O※＋非揮發性的有機物＝H₂O+CO₂
也可用氫氣等離子體可以通過化學的反應去除金屬表面的氧化層，清潔金屬的表面，化學式為：
H₂+e^-＝2H※+e^-
H※+非揮發性的金屬氧化物＝金屬＋H₂O

圖1 化學等離子清洗原理示意圖

物理等離子清洗
清洗反應是以物理反應為主的等離子體清洗。
Ar＋e^- ＝Ar⁺+2e^-
Ar⁺+沾污＝揮發性的沾污
氬氣離子在等離子產生的自偏壓環境下被加速從而帶有動能，然后離子轟擊清洗工件表面，用于去除氧化物和環氧樹脂的溢出物。

圖2 物理等離子清洗原理示意圖

混合式等離子清洗
清洗反應中物理反應與化學反應均起關鍵作用。

真空等離子清洗機產生等離子體的原理

產生等離子體的情形有很多種，主要概括為兩類：一類是自然界中產生的等離子體，比如地球高空中的等離子體層自然產生的等離子體；另一類是人工產生等離子體，也就是說利用外界能量使氣體分子、原子產生電離，并且不需要將所有的分子、原子都電離成電子、離子。

真空等離子清洗機是人為產生等離子體的設備，產生等離子體最為方便的方法是將兩極板通過射頻電壓源來驅動，當施加的電壓足夠大時，就可擊穿氣體，使得電流可在兩極板間流動，這之間的低壓（真空）氣體放電產生等離子體。它的原理是：在超低壓（真空）環境下，游離于氣體中的自由電子在射頻電場的作用下被加速成高能電子，從而與其他氣體分子發生碰撞使其電離，然后電離出的電子又與其他的氣體分子產生碰撞，造成連鎖碰撞反應，最后產生大量的等離子體。當外加的電壓大于氣體分子的擊穿電壓時，在真空等離子清洗機的腔室中可以連續產生等離子體。

真空等離子清洗機的兩種放電模式及其特點

真空等離子清洗機依據其放電模式的不同分為電感耦合等離子體（ICP）、電容耦合等離子體（CCP）及微波等離子體。其中，微波等離子體因其極高的電源頻率而很少被使用，所以我們僅對ICP真空等離子清洗機和CCP真空等離子清洗機進行簡單的說明，這兩種耦合方式各有優劣。

ICP式真空等離子清洗機它的原理是當有高頻電流通過ICP裝置中的線圈時，產生軸向磁場，磁場再在圓柱形腔室內產生感生電場，在低壓環境下，氣體中的電子被加速，產生一連串碰撞，最終產生等離子體。ICP的特點是結構簡單，在反應腔室內不安置電極，其使用的射頻電源一般為13.5MHz的射頻電源，這樣產生的等離子體密度較高，因而具有較高的的化學活性，被廣泛應用于半導體工藝生產中。并且這種方式感應耦合線圈安裝在真空室外，內部無電極，不存在濺射污染問題，能滿足高純材料的制備和高精度的清洗要求。

CCP式真空等離子清洗機的工作原理與ICP不同，多采用平板式電極，其放電結構由兩部分組成：放電腔室和兩塊金屬極板，一塊極板需要牢固的接地，另一塊極板經匹配器連接到等離子體源上，這就組成了平行板式容性耦合等離子體。當電源接通后,放電腔內的兩平板電極組成的電容結構之間產生高頻電場，電子在電場的作用下被賦能，做快速的往復運動，激發原子放電，從而產生了等離子體。CCP的優勢是放電面積大，具有穩定、均勻的特點，很容易獲得大面積的加工處理能力。

圖3 兩種類型真空等離子清洗機放電結構示意圖

真空等離子清洗機的結構組成

無論是CCP，還是ICP結構的真空等離子清洗機，其結構組成都是差不多的，系統主要由三大部分組成包括真空系統、放電系統和控制系統。只是在放電系統方面稍有區別，其中電容耦合式真空等離子清洗機的放電系統由放電腔體、平行極板、和電源及匹配網絡組成，電感耦合式真空等離子清洗機的放電系統由放電腔體，感應線圈，和電源及匹配網絡組成。其放電結構大致原理圖如圖3所示。

真空等離子清洗機的設備類型

真空等離子清洗機一般來說主要分為離線式和在線真空等離子清洗機兩大類型。離線式等離子清洗機和在線式等離子清洗機的模型，如圖4、5所示。
在線式等離子清洗機是在離線式等離子清洗機的設備基礎上為了盡量減少生產工藝中的人工參與而設計的一種設備，能夠與產線對接，實現自動化生產流程。

圖 4（左）離線式等離子清洗機圖5（右）在線式等離子清洗機

真空等離子清洗機對比常壓等離子清洗機的優勢特點

真空等離子清洗機由于具有密閉的真空腔體環境，所以容易控制產生等離子體的氣氛，可以得到較純的等離子體。并且因為腔體壓力低，等離子體可以擴散的距離較遠，等離子體因碰撞所損失的能量也較小，因此真空等離子清洗機有較好的處理效率，由于壓力夠低，sputtering效應也有助于提高清潔速度，甚至可以去除無機污染物。密閉的環境及所需氣體用量少，因此可以使用特珠氣體，并且可以同時通入多種反應氣體、增加制程彈性及更廣的應用范圍。

此外真空等離子清洗機對處理產品的形狀沒有限制，尤其適合3D都需要處理的產品，特別是產品上有較深的盲孔，和沉孔也需要清洗的部分，這一點是常壓等離子清洗機無法比擬的。

從產能上來說，真空等離子清洗機尤其適合大批量的產品處理，其一次處理效率要遠遠高于常壓等離子清洗機。

真空等離子清洗機常見應用范圍

半導體行業
在半導體行業中，真空等離子清洗機一般應用于以下幾個關鍵步驟中
去膠：用氧的等離子體對硅片進行處理，清洗晶圓表面的光刻膠殘膠。
半導體封裝：真空狀態下的等離子作用能夠基本去除材料表面的無機/有機污染，提高材料的表面活性，增加引線的鍵合能力，防止封裝的分層。
例如在一個COB基板上，在SMT元件粘接好后進行IC芯片的引線鍵合。在表面安裝元件粘接后，會有大量的助焊劑污染物和水殘余，而為了在PCB基板上可靠地進行引線鍵合，這些必須去除。

高分子塑料
粘接：大部分高分子塑料在粘接前都可以利用真空等離子清洗機來提高其粘接性能
印刷：等離子處理可以提高承印物表面對于油墨的附著力，比如PP、PE等表面做高品質的印刷,等離子處理已經成為一種高效而又安全的印前處理手段。

微流控芯片
等離子處理技術是微流控芯片制作過程中最常用的鍵合技術，能夠實現PDMS-玻璃的永久性貼合。

真空等離子清洗機具有清洗效果好，清洗后不會產生有害污染物、效率高、節省勞動力和安全可靠等優點，其具有更廣泛的市場前景。