Anlagen zur Reinigung und Entfettung von Teilen in Plasma

Niederdruckplasma ist ein modernes Verfahren, das zur Zeit noch auf große Vorurteile trifft:

Exotisch.
Sehr wenige haben davon gehört, noch weniger setzen es z. Z. ein.
Leider - aus meiner Sicht.

Extrem heiß.
Dazu muß man etwas zur Physik von Plasmen sagen. Wie bei allen Gasen, sind Temperatur und Druck direkt miteinander verknüpft. Ein Beispiel hierfür ist das Plasmaschweißen. Wir haben bei einem Druck von etwa 1 bar, eine Temperatur von mehreren tausend Grad.
Beim Metallentfetten oder Kunststoffaktivieren können wir häufig nur mit Temperaturen von Zimmertemperatur bis zu etwa 100 °C arbeiten, weil sonst die Teile Schaden annehmen würden. Aus diesem Grunde gehen wir mit dem Druck in einen Bereich von etwa 0,5 - 1 mbar, um in diesen niedrigen Temperaturbereichen zu arbeiten.

Nur für kleine Teile.
Das galt in Zeiten als diese Technik entwickelt wurde. Heutige, moderne Kunststoffaktivierungsanlagen haben inzwischen mehrere Kubikmeter Kammervolumen.

Teuer.
Da die Anlagen aus der Halbleiterindustrie kommen, sie also für Reinraumtechnik konstruiert worden sind, sind sie häufig - im ersten Moment - relativ teuer. Wenn man aber beachtet, daß sehr aufwendige Komponenten in diesen Anlagen stecken, kann man sehr schnell einen vermeintlich hohen Preis verstehen. Sehr wichtig ist, eine vernünftige Wirtschaftlichkeitsberechnung und eine Einsatzanalyse dieser Anlage für den Kunden zu machen.

Mikrowellenstrahlung.
Wenn das Plasma über Mikrowellen erzeugt wird, haben die Anlagen immer zwei verschiedene Dichtungsarten: Eine davon ist die Abdichtung der Vakuumkammer, die zweite wird zur Abschirmung der Mikrowellen eingesetzt. Die Abdichtung wird mit einem Spezialkunststoff erzielt, der mit einem metallisch leitendem Band oder Gewebe umwickelt ist. Die Mikrowellenstrahlung kann dann nicht mehr aus der Kammer austreten. Außerdem ist die Mikrowellenstrahlung insofern geregelt, daß nicht mehr als 5 mW/cm² in einer Entfernung von 5 cm von der Anlage gemessen werden können.

Jetzt möchte ich Ihnen einige Anwendungsbereiche für Plasmatechnik nennen:

Industrielle Teilereinigung
Hier wird das Plasma in zwei verschiedenen Anwendungstechniken eingesetzt. Es ist dies die Feinstreinigung nur mit Plasma oder in Kombination mit einer flüssigen Vorreinigung.

Aktivierung von Kunststoffoberflächen
Dieser Bereich wird immer interessanter, weil immer mehr recycelbare Kunststoffe, dies sind sehr häufig Polyolefine, wie Polypropylen oder Polyethylen, etc. , eingesetzt werden. Diese Kunststoffe sind unpolar und lassen sich somit nicht verkleben, lackieren, beschäumen oder beflocken. Mit dem Plasma kann man diese Oberflächen nun in sehr kurzer Zeit, d. h. in Zehntelsekunden bis wenige Minuten, so aktivieren, daß die og. Prozesse sehr gut durchführbar sind. Die Oberflächenspannungen, die erreichbar sind, betragen 72 N/m, dies ist Wassernetzbarkeit.

Polymerisierung
Im Niederdruckplasma kann mit bestimmten Gasen eine Polymerisierung in der Vakuumkammer durchgeführt werden. Man erzielt dabei eine gute Schichtbildung, die z. B. Sperrschichten in Kunststoffautomobiltanks sein können.

Vorreinigung vor einer Hartstoffbeschichtung
Dabei wird das Plasma zur Vorreinigung auch in einer Kombination mit einer flüssigen Reinigung eingesetzt, damit Metalloberflächen sauber genug sind, um anschließend mit einer Hartstoffschicht - Titannitrid, Titancabid, etc. - beschichtet werden zu können.

Flußmittelfreies Löten
Hier werden lose bestückte Leiterplatten einem speziellen Gas, häufig eine Kombination aus O2 / H2 / Edelgas oder O2 / H2 / CF4, ausgesetzt. Die Metallteile werden feinstentfettet und die Kunststoffteile entsprechend aktiviert, so daß ein Lot ohne Flußmittel problemlos die Durchkontaktierung in einem Wellenlötbad durchführen kann.

Plasmadrilling
Ein ganz modernes Verfahren ist das Plasmadrillen von flexiblen Leiterplatten. Diese Leiterplatten sind auf Coils aufgewickelt und haben eine bestimmte Maskierung. Die Coils werden durch eine Plasmakammer durchgezogen und dabei werden die nichtmaskierten Stellen durchgeätzt. Man kann hiermit also sehr viele Bohrlöcher pro Fläche herstellen.
Diese Löcher mit sehr vielen kleinen feinen Bohrern mechanisch herzustellen, ist heute das gängige Verfahren.
Das Plasmadrilling ist aber noch recht neu und wird meines Wissens noch nicht in der Produktion eingesetzt.

Epilamisierung
Dieses Verfahren ist prinzipiell das Gegenteil der Feinstreinigung. Mit einem speziellen Gas werden jetzt auf der Oberfläche der Teile hydrophobe Schichten erzeugt, auf der z. B. ein Öltröpfchen seinen Platz beibehält und sich nicht mehr ausspreizt.
Dies wird häufig in der Feinstmechanik, wie z. B. der Uhrenindustrie, eingesetzt.

Oberflächenbehandlung durch Plasma

Eine Plasmaanlage besteht auf folgenden Hauptkomponenten:
1. Vakuumkammer
2. Vakuumpumpe
3. Gaseinlässe
4. Mikrowellenquelle oder andere, energiezuführende Komponenten
Mit der Vakuumpumpe wird in der Kammer ein Druck von ca. 0,1 ¸ 0,5 mbar eingestellt.
Danach wird ein Gas, mit dem man einen entsprechenden Prozeß durchführen möchte, eingelassen. Dies kann z. B. Sauerstoff sein, wenn es um oxydative Prozesse, es kann Agon-Wasserstoff sein, wenn es um reduktive Prozesse geht.
Die Gasmenge, die durch die Anlage strömt, wird häufig über Massflowcontroler (MFC) gesteuert. Die Mengen sind so gewählt, daß sich ein Prozeßdruck von ca. 1 mbar einstellt. Dieser Druck ist also abhängig von der Pumpleistung der Vakuum-pumpe und der Gasmenge, die eingelassen wird.

Danach wird durch eine Mikrowellenquelle Energie in dieses Gas eingebracht. Die Mikrowellen haben eine Frequenz von 2,45 GHz. Andere Frequenzen sind noch Radiofrequenzen, 13,56 MHz oder Kilohertzfrequenzen mit 20 oder 40 KHz.
Der Unterschied in den drei Frequenzen liegt darin, daß bei der Mikrowelle die Ionen, die in dem Plasma erzeugt werden, nicht mehr der Frequenz folgen kön-nen und damit ein rein chemischer Prozeß durchgeführt wird. Bei MHz oder KHz werden die Ionen durch die Anregungsfrequenz beschleunigt und man bekommt zusätzlich eine mikrostrukturelle Erosion an der Oberfläche.
Dafür haben diese beiden Frequenzen andere konstruktive Nachteile. Bei Megahertzanlagen benötigt man teure, komplexe Abstimmnetzwerke, damit die Elektroden (Sender) nicht durch die rückgekoppelten Energien zerstört werden.
Die eingebrachte Energie wandelt das Gas in ein Plasma um. Dieses Plasma besteht aus den verschiedensten chemischen Komponenten. Es sind dies ionisierte Anteile, hochaktive Radikale, alle möglichen Verbindungen, die chemisch entstehen können sowie ultraviolette Strahlung.

Für den Reinigungsvorgang sind jetzt fast ausschließlich die O2*-Radikalen interessant. Diesen fehlt in der obersten Elektronenschale ein Elektron. Daher ihre Reaktivität. Diese Radikale versuchen nun organische Verbindungen, die in der Kammer vorliegen, aufzuoxidieren.
Dies geschieht folgendermaßen:
Die Radikale sind so energiereich, daß sie in der Lage sind, die Bindungsenergien der Kohlenwasserstoffketten zu überwinden und diese Ketten aufzubrechen.
Wenn man Sauerstoff als Prozeßgas einsetzt, entsteht bei dem Prozeß als Endprodukt CO2 und H2O-Dampf. Die Menge dieses Abgases ist abhängig von der Gasmenge, die vorher eingelassen wurde. Da selbst bei großen Kammern nur mit Gasströmen von ca. 30 l pro Minute gearbeitet wird, kann man sich gut vorstellen, daß die Abgasmenge äußerst gering ist.

Dieser Mikrowellenprozeß ist eine rein chemische Oxydation. In Abhängigkeit von der Prozeßzeit kann man nun eine entsprechend hochreine Oberfläche erzeugen. Die anderen Prozeßparameter, die eingestellt werden können, sind die Mikrowellenenergie, der Gasfluß sowie, wenn notwendig, das Mischungsverhältnis mehrerer Gase.

Ein problematischer Effekt, der bei der Teilereinigung entstehen kann, ist die "Einkoppelung". Hierbei kann es passieren, daß die Metallteile sehr stark erhitzt werden. Der Vorgang entsteht folgendermaßen:
Die Mikrowellen haben bei der Frequenz von 2,45 GHz eine Wellenlänge von ca. 12 cm. Liegt nun ein metallisches Teil, das stabförmig ist und eine Länge von eben diesen 12 cm oder ein ganzzahliges Vielfaches davon hat, in der Kammer, dann entsteht eine Resonanz zwischen der Eigenkreisfrequenz der Teile und der Mikrowellenfrequenz. Die dabei entstehenden Temperaturen können mehrere 100 °C betragen, d. h., die Teile werden dadurch zerstört.

Eine einfache Abhilfemaßnahme für diesen Effekt ist ein Faraday-Käfig oder Faradayische Abschirmbleche. Diese lassen die Mikrowellenstrahlung nicht mehr durch. Die Radikale werden also nur in dem Bereich zwischen der Mikrowellenquelle, in diesem Fall hinter der Quarzglasscheibe, und vor dem Faradayischen Abschirmeinheiten erzeugt. Da aber die Lebensdauer der Radikale ca. bis zu einer ½ Sekunde sein kann und sie sich in dem Druckbereich mit fast Schallgeschwindigkeit bewegen, sind sie in der Lage, alle Bereiche auch in großen Kammern zu erreichen.

Niederdruck-Plasmaverfahren, bei denen durch die Erzeugung eines Sauerstoff-Plasmas organische Schichten wie Fette und Öle in CO2 und H2O-Dampf umgesetzt werden, sind besonders umweltfreundlich. Es werden auch Kombinationsanlagen mit Kohlenwasserstoff- bzw. wäßrigen Vorreinigungsanlagen und anschließender Plasmafeinstreinigung angeboten.

Positive Verfahrensmerkmale der Plasmareinigung
Es ist der zur Zeit größte Reinheitsgrad erzielbar. Absolut fettfreie Ober-flächen.
Es ist bevorzugt dazu geeignet, dünne Restverschmutzungen zu entfernen.
Es kann keine Schmutzanreicherung im Reinigungsmedium entstehen, wir haben gasförmige Chemie.
Unproblematische Handhabung der Chemikalien, sprich Gase.
Abschaltbare Chemie bedeutet, sobald der Strom abgeschaltet wird, ist der Prozeß automatisch zu Ende.
Plasma kann für alle Werkstoffe zur Reinigung oder Aktivierung eingesetzt werden (Metalle, Keramiken, Glas, Kunststoffe).
Dadurch, daß wir einen Gasprozeß haben, haben wir eine sehr gute Spalt-gängigkeit. Gase haben keine Oberflächenspannung, können also z. B. in Spalten oder feine Bohrungen sehr gut eindringen.
Die Werkstücke sind nach der Plasmabehandlung absolut trocken, selbst wenn nach einer flüssigen Vorreinigung eine Plasmafeinstreinigung eingesetzt wird, haben wir durch das Vakuumverfahren eine sehr, sehr gute Trocknung der Teile.
Wir haben ein sehr hohes Maß an Umweltverträglichkeit dadurch, daß wir im Prinzip nur mit Sauerstoff als Gas arbeiten.
Wir haben keine besonderen Arbeitsschutzanforderungen.
Der Energieverbrauch ist extrem niedrig.
Negative Verfahrensmerkmale der Plasmareinigung
Es ist nicht möglich, anorganische Stoffe von einer Metall- oder Kunststoffoberfläche zu entfernen. Dies sind z. B. Salze, Späne oder Partikel. Eine Abhilfe kann nur durch eine Kombination mit einer flüssigen Vorreinigung geschehen.
Das Plasma ist natürlich außerdem nicht in der Lage, zu erkennen, daß Späne, die aus dem gleichen Material wie der Grundstoff bestehen, entfernt werden sollen, das Grundmaterial aber nicht angegriffen werden darf.
Ein hoher Verschmutzungsgrad bedeutet eine lange Prozeßzeit. Diese kann durchaus bei hartnäckigen Verschmutzungen, wie Vercrackung oder Harz-bildungen, mehrere Stunden betragen. Dies ist normalerweise nicht akzeptabel für einen Prozeß. Abhilfe kann in diesem Fall auch nur eine ent-sprechende Vorreinigung schaffen.
Die Oberfläche muß natürlich dem Plasmagas zugänglich sein. Andernfalls haben wir keinen Effekt. Eine Abhilfe hierfür kann eine entsprechende Anordnung der Teile, z. B. Limitierung der Schütthöhe oder eine entsprechende Positionierung der Teile in der Kammer, sein.
Wir haben einen Vakuumprozeß, d. h., wir haben immer einen Batchbetrieb. Eine mögliche Durchlaufanlage wäre nur über Schleusensysteme darstellbar, wobei diese Schleusen differentiell abgepumpt sein müssen, dann kann der Druck in der Prozeßkammer konstant gehalten werden.

Das Niederdruck-Plasmaverfahren
Prinzip
Technischer Sauerstoff wird bei neidrigem Druck (<1 mbar) durch Mikrowellenanregung (Frequenz 2,45 GHz) in ein Sauerstoffplasma umgewandelt. Es entstehen dabei aus den Sauerstoffmolekülen (O2) hochaktive Radikale O*, die chemisch sehr aktiv sind.
Diese Radikale sind in der Lage, Bindungsbrüche in organischen Verbindungen zu erzeugen. Es ist
(siehe "Reinigungsverfahren") eine chemische Reaktion.

Da bei dieser chemischen Reaktion als Endprodukt nur CO2 und Wasserdampf entsteht, ist dieses Verfahren äußerst umweltfreundlich. In Abhängigkeit von der Prozeßzeit wird eine hochreine Oberfläche erzeugt.

Die Anwendungen
Entfetten - Aktivieren

Sauerstoffplasmen bauen organische Schichten umweltfreundlich ab:
Fette, Öle und Harze werden in CO2 und H2O Dampf umgewandelt. Anorganische Bestandteile bleiben als loses Pulver auf der Oberfläche zurück. Mit verschiedenen Gasplasmen kann man unpolare Kunstoffoberflächen aktivieren und optimale Voraussetzungen zum Verkleben und Lackieren erzielen.

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