DE4228551C2

DE4228551C2 - Verfahren und Anwendung des Verfahrens zur reinigenden Behandlung von Oberflächen mit einem Niederdruckplasma

Info

Publication number: DE4228551C2
Application number: DE19924228551
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Dr Ing Wandke; Stephan Dipl Ing Rief
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1992-08-27
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2012-08-28
Also published as: DE4228551A1; WO1994005828A1; AU3256993A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur reinigenden Behandlung von mit fettig-öligen und oxidischen Verunreinigungen verschmutzten Werkstückoberflächen mit einem Niederdruckplasma, das aus einer Basisgasmischung bei Drücken unterhalb 100 mbar erzeugt wird.

Zur effizienten Reinigung von Materialoberflächen aller Art (metallisch, Kunststoff, Glas . . . ) sind z. B. naßchemische und Halogen-Kohlenwasserstoff-chemische Verfahren bekannt. Aus Umweltschutzgründen - da einerseits mit Ölen und Fetten ver schmutzte Abwässer und Abgase auftreten und andererseits die bekannte, ozonzerstörende und den Treibhauseffekt fördernde Wirkung von FKW′s und FCKW′s gegeben ist - besteht jedoch zunehmend das Bedürfnis, diese Oberflächenreinigungsverfahren durch umweltfreundlichere Verfahren zu ersetzen. Eine prinzi pielle Möglichkeit hierzu scheint die Behandlung oder Beauf schlagung von Werkstücken mit Niederdruckplasmen zu sein, da dabei oberflächenreinigende Effekte auftreten. Unter Plasma ist ein unter anderem Ionen, Radikale, Elektronen und Photo nen enthaltender Zustand eines Gases zu verstehen, der bei spielsweise durch Niederdruckbedingungen - Druck < 100 mbar - und Energiezufuhr - z. B. Mikrowellen - erzeugbar ist. Die reinigende Wirkung des Plasmas beruht auf der Auslösung und Unterstützung von chemischen Reaktionen sowie auf der mecha nischen Initiierung der Ablösung von Teilchen vom Werkstück. Auf dem Fachgebiet des Lötens von bestückten Leiterplatten ist diese Problematik in der DE-PS 39 36 955 angesprochen.

Ein Problem bei der Reinigung mit Plasmen besteht jedoch darin, daß oft unterschiedlichste Verunreinigungen - bei spielsweise adhesiv gebundene Fettschichten einerseits und chemisch gebundene Oxide andererseits - von einem zu reini genden Werkstück zu entfernen sind. Dazu werden bekannter maßen aus einem Basisgas gebildete Plasmen, z. B. aus O₂ oder CF₄ gebildete Plasmen, angewendet. Bekannt und gängig ist auch der Einsatz von Plasmagasmischungen aus O₂ und CF₄ (siehe nochmals DE-PS 39 36 955, z. B. Anspruch 3). Oft, und gerade bei "gemischt" verunreinigten Werkstücken treten jedoch mit diesen Plasmen unbefriedigende Reinigungsergebnisse auf, dies insbesondere bei zwar gemischten, aber einerseits stark fettig-öligen Verschmutzungen oder andererseits massiven oxidischen Beschichtungen.

Wiederum auf dem Gebiet des Lötens von Leiterplatten und hierbei insbesondere bei den Lötverfahren mit vorgeschalteter Plasmabehandlung der Leiterplatten ist bereits vor dem Anmeldetag vorliegender Erfindung ein erfolgreiches Verfahren für ausgewogen fettig-oxidisch verschmutzte Teile vorgeschlagen worden. Es wird bei der Plasmavorbehandlung hierbei ein Ausgangsgasgemisch bestehend aus

0,5 bis 10 Vol-% O₂,
80 bis 20 Vol-% H₂ sowie
20 bis 80 Vol-% CF₄

eingesetzt. Mit derart zusammengesetzten Gasmischungen gelingt es, üblich verunreinigte, zu verlötende Teile vorteilhaft auf den Lötprozeß vorzubereiten und insbesondere zugehörige, adsorptiv gebundene, oxidierbare Substanzen (Fette, Öle) sowie simultan auch oxidische Oberflächenbeschichtungen zu entfernen bzw. aufzubrechen (EP-A 0 557 756). Extrem fettig oder oxidisch beaufschlagte Werkstücke bereiten jedoch auch hier noch Schwierigkeiten.

Die Aufgabenstellung bei der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, hochwirksame Plasmareinigungsmethoden anzugeben, die extreme und dennoch gemischte Oberflächenverschmutzungen entfernen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
innerhalb von Grenzen, die durch

0,5 bis 25 Vol-% O₂,
80 bis 0,5 Vol-% H₂,
10 bis 65 Vol-% eines Halogenkohlenwasserstoff (HKW) oder SF₆ und
0 bis 40 Vol-% Ar, He oder N₂

gegeben sind -
bei hohem Verschmutzungsgrad mit Kohlenstoffverbindungen (fettig- ölige Verschmutzung) zur Plasmareinigung eine Basisgasmischung mit relativ hohem O₂-Gehalt (nämlich ca. 15 bis 20 Vol-%) und relativ hohem HKW- bzw. SF₆-Gehalt (ca. 60 Vol-%) angewandt wird,
und daß im Falle, daß im wesentlichen eine Oxidschicht von Werk stücken zu entfernen ist, der reduzierend wirkende Wasserstoffanteil der Basisgasmischung bei gleichzeitig niedrigem O₂-Gehalt (nur wenige Vol-% O₂) betont wird (ca. 70 Vol-% H₂-Gehalt), wobei im übrigen ca. 15 Vol-% HKW bzw. SF₆ vorzusehen sind.

Die vorgeschlagenen Gasmischungen, die ein Hauptelement der vorliegenden Erfindung darstellen, weisen eine besonders günstige Kombination von Wirkungen auf. So sorgt der vorge sehene Sauerstoffanteil für den Abbau von Stoffen, die durch Oxidation (kalte Oxidation) entfernbar sind. Beispielsweise betrifft dies fettige oder ölige Rückstände, wie sie häufig in Produktionsabläufen auf Werkstücken abgelagert werden. Teil weise gleiche Wirkungsrichtung, also eine eine chemische Reaktion auslösende und/oder unterstützende Wirkung, besitzen auch die HKW- oder SF6-Anteile im beschriebenen Basisgas, da im Plasma hieraus hochreaktive Radikale entstehen, die mit verschiedensten Verunreinigungen, insbesondere auch mit lang kettigen Kohlenwasserstoffen, reagieren können. Andererseits ist bei diesen Verbindungen aufgrund der relativ großen Masse der Moleküle auch ein Abreinigungseffekt allein durch mecha nische Stöße gegeben. Diesen mechanischen Wirkmechanismus weisen auch die optionsweise zumischbaren Inertgase auf, wobei zusätzlich zum Teil auch durch Lichtemissionen (UV-Photonen insbesondere von Ar) bedingte Wirkungen vorhanden sind. Zum anderen Stabilisieren die Inertgase ein aktiviertes, brennen des Plasma in seiner Wirkung. Schließlich bewirkt die Wasser stoffkomponente einen Hauptteil der reduzierenden Fähigkeit des erfindungsgemäßen Plasmas, trägt also hauptverantwortlich zur Beseitigung eventuell vorhandener Oxidschichten bei. Insgesamt werden daher mit den beschriebenen Basisgasen in den verschiedensten Anwendungsfällen gute Reinigungsergebnisse erzielt, wobei darüber hinaus - aufgrund der niedrigen Gesamt flußmengen an Gas bei diesem Verfahren - nur geringste Mengen an umweltschädigend zu bewertenden Verbindungen umgesetzt bzw. freigesetzt werden.

Erfindungsgemäß angewandte Halogenkohlenwasserstoffe (HKW′s) sind beispielsweise CF₄, HCF₃ oder H₂C₂F₄.

In einer Variante der Erfindung wird das Basisgas auch noch im Verlaufe einer Behandlung in seiner Zusammen setzung variiert und so z. B. zunächst verstärkt ein Abtrag von fettig-öligen Schichten bewirkt (Oxidation) während in späte ren Behandlungsphasen durch Erhöhung der Reduktionsfähigkeit die Oxidentfernung forciert wird.

Eine vorteilhafte Grundvariante der Erfindung besteht jedoch darin, daß das Basisgas als fertig gemischtes Liefergas zur Verfügung gestellt und angewandt wird. Dabei sind vor Ort keine komplizierten Gasmischsysteme und Prozeßkontrollen vorzusehen.

Die Anwendung des Verfahrens richtet sich vorwiegend auf zu reinigende Werkstücke oder Werkstückteile aus verschiedensten Reinmetallen oder Legierungen, beispielsweise aus Stahl, Messing, Kupfer, Bronze, Aluminium etc.

Anhand der Figur wird die Erfindung im folgenden beispielhaft näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Anlagenaufbau für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Mischmöglichkeit vor Ort.

Eine Behandlungskammer 1, welche mit einem mit zu behandeln den Teilen zu befüllenden Werkstückkorb 2 ausgestattet ist, steht auf der einen Seite mit einer Gasversorgung über eine Gasleitung 3 in Verbindung. Die Gasversorgung besteht im einzelnen aus drei Gasspeicherbehältern 5, 6, 7, die mit einem Gasmischer 8 verbunden sind, an den sich wiederum die Gasleitung 3 anschließt. Die Gasspeicherbehälter enthalten die für die Erfindung wesentlichen Gase, nämlich Sauerstoff, Wasserstoff und Tetrafluormethan. Optionsweise kann hier ein weiterer Speicherbehälter mit Inertgas zusätzlich vorgesehen werden. Auf der anderen Seite ist die Behandlungskammer 1 an eine Pumpe 11 angeschlossen, die für die Erzeugung des für die Plasmareinigung erforderlichen Niederdrucks sowie generell für die Absaugung von Abgasen zuständig ist.

Ausgangsseitig kann die Pumpe 11 zusätzlich an eine Abgas reinigungseinrichtung 12, z. B. einen Aktivkohlefilter ange schlossen sein. Dies ist jedoch nach heute geltenden, gesetz lichen Vorschriften aufgrund der nur geringen, auftretenden Gas- und Schadstoffmengen in aller Regel nicht erforderlich. Die schädlichen Bestandteile der Abgase bestehen einerseits aus von den Werkstücken abgereinigten Stoffen und anderer seits aus den Halogenkohlenwasserstoffen des Basisgases und deren im Prozeß entstehende Reaktionsprodukte. In der Behand lungskammer 1 der Anlage ist schließlich noch eine Energie quelle für die Plasmabildung, beispielsweise ein Hochfrequenz wellengenerator 4, angeordnet.

Der Betrieb der gezeigten Anlage ist nun wie folgt:
Für die Durchführung einer entsprechenden Reinigungsbehand lung ist zunächst eine geeignete Basisgasmischung festzulegen - in jedem Falle jedoch besitzt diese entsprechend erfin dungsgemäßer Auslegung sowohl reduzierende wie auch oxidie rende Wirkung. Für die weitere Bestimmung ist dann zunächst die Art des zu reinigenden Werkstücks - Metall, Metallsorte, eventuell auch Kunststoff, Keramik oder Glas - sowie dessen Verschmutzung - Kohlenwasserstoffverbindungen, Fette, Öle - Oxidschichten - näher zu definieren. Davon ausgehend erfolgt die engere Festlegung der geeigneten Basisgasmischung, wobei die wesentlichen Überlegungen für die letztendliche Fest legung im folgenden kurz dargestellt sind:

Weist die zu reinigende Oberfläche einen hohen Verschmut zungsgrad an Kohlenstoffverbindungen auf, so ist eine Basis gasmischung - im Rahmen der vorgegebenen Grenzen - mit relativ hohem Sauerstoffgehalt und relativ hohem Gehalt eines Halogen kohlenwasserstoffs anzuwenden, da insbesondere bei dieser Gewichtung der Anteile die besagten Verschmutzungen effizient entfernt werden. Eine Beispielmischung hierfür besteht in einer

15% O₂, 60% CF₄, 5% H₂ und 20% Ar

enthaltenden Mischung. Ist dagegen im wesentlichen eine Oxid schicht von einem Werkstück zu entfernen, so ist vor allem der reduzierend wirkende Wasserstoffanteil der Basisgas mischung zu betonen. Eine Basisgasmischung für diese Ziel richtung besteht beispielsweise aus

1% O₂, 20% CF₄, 70% H₂ und 9% Ar,

vor allem jedoch aus Gasmischungen mit unterhalb 20 Vol-% liegendem Anteil an CF₄ und entsprechend höher liegenden Anteilen an H₂ oder Inertgas.

Beispielhaft soll nun die Reinigung von überwiegend fettig und ölig verschmutzten, aber auch von Oxiden zu befreienden, aus Kupfer bestehenden Schaltkontakten beschrieben werden.

Diese relativ kleinen Werkstücke werden in großer Stückzahl in die in der Figur gezeigte Behandlungskammer 1 und den gezeigten Teilekorb 2 eingebracht. Nach Verschließen der Kammer 1 erfolgt die Evakuierung der Kammer mit der Absaug pumpe 11. Das Abpumpen der Luftatmosphäre erfolgt dabei zu nächst so lange, bis ein unterer Grenzdruckwert von etwa 0.5 mbar erreicht ist. Darauf folgend wird die Zufuhr einer aus

10% O₂, 55% CF₄ und 35% H₂

enthaltenden Basisgasmischung über die Leitung 3 kommend, vom Gasmischer 8 und den zugehörigen Gasspeichern 5, 6, 7, einge schaltet. In der jetzt folgenden Behandlungsphase ist ein Gas zufuhr-Gasabfuhr-Gleichgewicht derart einzuhalten, daß ein Druckniveau von etwa 0.5 bis 2 mbar in der Behandlungskammer aufrecht erhalten wird. Dabei ist Hochfrequenzwellengenerator 4 in Betrieb zu nehmen und mit geeigneter Energie zu betreiben. Geeignete Werte bei einem Behandlungskammervolumen von ca. 40 bis 60 l sind etwa 500 bis 1000 W bei einer Frequenz von etwa 500 bis 1000 MHz. Die Gasmischung wird dabei über in der Zeichnung nicht gezeigte Einstellglieder beim Gasmischer 8 eingestellt und über einen Mengenregler in der Gasleitung 3 der Behandlungskammer 1 zugeführt. Zufuhrmenge und Pump leistung sind dabei entsprechend einer günstigen Durchfluß menge und entsprechend den erforderlichen Druckverhältnissen einzustellen, wobei im vorliegenden Fall etwa 20 bis 60 Normalliter Gas pro Stunde (Litermenge bezogen auf Normalbe dingungen hinsichtlich Druck und Temperatur) zugeführt wer den. Mit diesen Maßgaben wird eine hochwertige Reinigung des besagten Behandlungsgutes erzielt.

Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, daß eine Viel zahl von Materialien und Gegenständen mit dem beschriebenen Verfahren gegebenenfalls unter Hinzunahme von vorausgehenden oder nachgeordneten Schritten und unter Einhaltung hoher Ansprüche an den Umweltschutz vorteilhaft gereinigt werden kann. Dies wird insbesondere durch die an verschiedenste Anspruchsprofile anpaßbare Basisgasmischung gewährleistet.

Claims

1. Verfahren zur reinigenden Behandlung von mit fettig-öligen und oxidischen Verunreinigungen verschmutzten Werkstückoberflächen,

- bei dem die Werkstücke mit einem H₂, O₂ und HKW oder SF₆ enthaltenden Niederdruckplasma, das aus einer Basisgasmischung bei Drücken unterhalb 100 mbar erzeugt wird, behandelt werden
- und bei dem im Falle, daß im wesentlichen eine Oxidschicht von den Werkstücken zu entfernen ist, der reduzierend wirkende Wasserstoff anteil der Basisgasmischung bei gleichzeitig niedrigem O₂-Gehalt betont wird, d. h. daß eine Basisgasmischung mit

wenigen Vol-% Sauerstoff,
ca. 70 Vol-% Wasserstoff
und ca. 15 Vol-% HKW oder SF₆
sowie im Verbleibenden Inertgas, das ausgewählt ist aus Argon, Helium oder Stickstoff, angewandt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Anwendung kommende Basisgasmischung in etwa
1 Vol-% O₂,
70 Vol-% H₂, sowie
mindestens 10, jedoch weniger als 20 Vol-% HKW oder SF₆ aufweist.

3. Verfahren zur reinigenden Behandlung von mit fettig-öligen und oxidischen Verunreinigungen verschmutzten Werkstückoberflächen

- bei dem die Werkstücke mit einem H₂, O₂ und HKW oder SF₆ enthaltenden Niederdruckplasma, das aus einer Basisgasmischung bei Drücken unterhalb 100 mbar erzeugt wird, behandelt werden
- und bei dem bei einem hohen Verschmutzungsgrad mit Kohlenstoff verbindungen (fettig-ölige Verschmutzung) eine Basisgasmischung mit

ca. 15 Vol-% O₂,
ca. 60 Vol-% HKW oder SF_6,
niedrigen Anteilen Wasserstoff
sowie im Verbleibenden Inertgas, das ausgewählt ist aus Argon, Helium oder Stickstoff, angewandt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Basisgasmischung in etwa aus
15 Vol-% O₂,
60 Vol-% CF_4,
sowie 5 Vol-% H₂ und 20 Vol-% Inertgas zusammensetzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das jeweilige Basisgas als Fertiggemisch bereitge stellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Basisgasgemisch vor Ort aus den genannten Kompon enten gemischt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Basisgas im Laufe einer Behandlung variiert wird.

8. Anwendung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 auf metal lische Werkstücke, insbesondere aus Stahl, Messing, Kupfer, Bronze oder Aluminium.