Limpieza con plasma

Para mejorar el pegado, la impresión, el lacado, la unión por hilo...

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En todas las superficies hay siempre impurezas muy finas, imposibles de apreciar por el ojo humano. La eliminación de tales contaminantes es casi siempre obligatoria para conseguir que los tratamientos posteriores en la superficie transcurran sin problemas. Esto se aplica a procedimientos como los siguientes:

Pegado | Impresión | Lacado | Unión por hilo | Recubrimiento | Grabado

La tecnología del plasma ofrece soluciones para todos los tipos de contaminación, todos los sustratos y todos los tratamientos posteriores. También permite reducir los restos de contaminación a nivel molecular. Para los distintos requisitos individuales, existen diferentes métodos de limpieza.

En comparación con otros procedimientos de limpieza, la limpieza con plasma cuenta con ventajas únicas

✓ Limpieza incluso en intersticios muy finos y en huecos minúsculos.
✓ Limpieza de todas las superficies de componentes en un paso de trabajo, incluso en el interior de cavidades.
✓ Eliminación, sin dejar restos, de productos de descomposición por aspiración en vacío.
✓ No se ven dañadas las superficies sensibles a los disolventes por la acción de productos químicos de limpieza.

✓ Eliminación de restos finos, incluso a escala molecular.
✓ Posibilidad de realizar el tratamiento posterior de inmediato. No hay que dejar secar ni eliminar disolventes.
✓ Los productos de limpieza, peligrosos y nocivos para el medio ambiente y la salud, no se almacenan ni se eliminan.
✓ Los costes del proceso se reducen enormemente.

¿Cómo funciona la limpieza con plasma?

Un proceso importante en la tecnología del tratamiento de superficies con plasma es la limpieza con plasma. A través de reacciones químicas con los gases ionizados, se eliminan partículas de suciedad.

En la reducción de óxido de cobre, se someten óxidos de cobre a un plasma de mezcla de gas hidrógeno y, de este modo, se reducen químicamente los óxidos y se produce vapor de agua.

1. Eliminación de hidrocarburos en el plasma de oxígeno

Microlimpieza: desengrasado en el plasma de oxígeno

En prácticamente todas las superficies hay hidrocarburos en forma de restos de grasas, aceites o desmoldantes. Estas capas reducen drásticamente la adhesión de otros materiales al tratar la superficie a posteriori. En consecuencia, una eliminación química de hidrocarburos en el plasma de oxígeno constituye un tratamiento estándar antes de cualquier trabajo de lacado, impresión o pegado.

A modo de ejemplo, en el área "Pequeña física de los plasmas" se representan las reacciones del plasma durante este proceso de limpieza.

Se produce una interacción entre iones, radicales y radiación UV. La radiación UV de alta energía divide las macromoléculas. Los radicales de oxígeno, los iones y los radicales de hidrógeno separados ocupan extremos libres de las cadenas de polímeros para formar H2O y CO2

En el plasma de baja presión, los productos de descomposición de los hidrocarburos se encuentran en estado gaseoso y se aspiran.

En las superficies de los polímeros se inicia, en paralelo a la descomposición de la contaminación superficial, una activación mediante radicales de oxígeno. Esta activación es necesaria en los plásticos no polares para lograr una adhesión perfecta. Para más información, ver Activación de materiales.

Los aceites, grasas o desmoldantes que contienen aditivos no siempre pueden eliminarse en el plasma de oxígeno sin dejar restos. Pueden formarse óxidos sólidos que se adhieran al sustrato. Dado el caso, estos materiales pueden eliminarse a posteriori, en procesos de limpieza adicionales.

La limpieza con plasma de oxígeno funciona en prácticamente todos los materiales. A menudo, en lugar de oxígeno, puede emplearse también aire limpio y seco. Por lo tanto, la eliminación de hidrocarburos debe realizarse tanto en el plasma de baja presión como en el plasma de presión atmosférica.

2. Limpieza mecánica por microchorros de arena

Plasma de argón

Un tipo de plasma especialmente sencillo es el plasma de gas noble, ya que solamente está compuesto por iones, electrones y átomos del gas noble en cuestión. Puesto que el gas siempre es atómico, no existen radicales, y como los gases nobles no reaccionan químicamente, tampoco hay productos de reacción. A pesar de ello, el plasma de argón es activo a causa de la energía cinética de los iones pesados.

Limpieza

La energía cinética producida por el golpeo de los iones provoca la eliminación de átomos y moléculas del recubrimiento, que, en consecuencia, se va descomponiendo de forma paulatina.

Este tratamiento resulta eficaz en prácticamente todas las superficies y, por lo tanto, para cualquier tipo de contaminación. Así pues, los microchorros de arena permiten eliminar casi todos los contaminantes que se muestran resistentes ante los ataques químicos.

Dado que los iones con carga positiva se aceleran ante un electrodo con carga negativa, el plasma se excita en un reactor de placas paralelas.

Estructuración: grabado físico

Los iones energizados no solo arrancan fragmentos de una capa superficial, sino también del propio material del sustrato. Por lo tanto, a escala molecular, se produce una mayor estructuración y un aumento de la rugosidad de la superficie. Como en el caso de la limpieza con chorros de arena o por lijado, esto provoca una ampliación de la superficie, o incluso una formación de destalonamientos, lo que permite una mayor adhesión en las capas aplicadas a continuación.

A diferencia de los efectos del grabado químico en el plasma de baja presión, la limpieza con microchorros de arena no actúa de modo isotrópico, es decir, por igual en todas las superficies de un componente, sino principalmente en la dirección del campo eléctrico, ya que los iones se aceleran en ese sentido.

3. Reducción de capas de óxido

En muchas superficies aparecen capas de óxido. Solo algunos metales se libran de la tendencia a generar óxido tras un largo tiempo de almacenamiento. En muchos metales, se forman capas de óxido ya durante la limpieza con plasma de oxígeno. Las capas de óxido interfieren en todos los pasos del tratamiento posterior: 

  • Adhesión de contactos eléctricos durante la unión por hilo y la soldadura
  • Contacto eléctrico defectuoso
  • Adhesión defectuosa durante el pegado y el lacado

Incluso en materiales no metálicos, a menudo se encuentran acumulaciones de óxido sólido, que generalmente se han formado durante la limpieza, al aplicar el plasma de oxígeno. Las capas de óxido suelen resistir cualquier ataque con disolventes convencionales. Debido a su gran dureza, a menudo resultan difíciles de solucionar incluso por medios mecánicos. Se eliminan por reducción en el plasma de hidrógeno.

Oxidación

En el plasma de oxígeno o de aire, también se oxidan capas metálicasextremadamente finas, de tan solo varias capas atómicas de grosor, de forma selectiva. Estas capas invisibles se endurecen y protegen el material metálico contra ataques químicos y mecánicos, y evitan que sigan oxidándose. Con ello, se garantiza una superficie con un brillo metálico permanente.

Con frecuencia, la oxidación de la superficie tiene lugar en el plasma de presión atmosférica. 

Puesto que, a menudo, es necesario extraer contaminantes de distintos tipos de una superficie, se aplican diferentes procesos de limpieza de forma consecutiva. Ejemplo:

1. Eliminación de desmoldantes (hidrocarburos) en el plasma de oxígeno
2. Limpieza micromecánica superfina por microchorros de arena en el plasma de argón

Otro ejemplo:

1. Desengrasado en el plasma de oxígeno
2. Reducción de capas de óxido en el plasma de hidrógeno

Por otro lado, justo después de la limpieza con oxígeno, se produce una activación de superficies no polares con radicales de oxígeno, a base de mantener el proceso activo durante más una vez terminada la limpieza. Para más información, ver Activación de materiales; si se mantiene el proceso activo durante aún más tiempo, ver Grabado de materiales, que será el tratamiento siguiente.

    ¿Cómo puede conseguirse la ausencia de PWIS?

    Las sustancias que afectan a la humectabilidad de la pintura (PWIS, por sus siglas en inglés) provocan fallos claramente visibles en el producto final, ya que impiden la humectación uniforme de la superficie que se va a lacar. Aparecen defectos en forma de embudo y se forman cráteres en la capa de pintura. Dentro de esta clase de sustancias, se incluyen las siliconas, las sustancias fluoradas (PTFE) y determinados aceites y grasas

    El tratamiento con plasma disuelve de forma permanente todas las sustancias que afectan a la humectabilidad de la pintura, eliminándolas tanto de la superficie como del propio elastómero.

    Pueden limpiarse componentes de los materiales más diversos, como PVC-U, PVC-C, PP, PE, ABS y PVDF, así como componentes metálicos

    Después de la limpieza, se tratan las piezas con plasma durante un máximo de una hora, dependiendo del grado de contaminaciónpresente. Para confirmar que el tratamiento haya sido correcto y, por lo tanto, exista ausencia de PWIS, después del tratamiento con plasma se realiza una prueba de PWIS, basada en la norma de ensayos de Volkswagen PV 3.10.7, en la que se detectan restos de silicona utilizando un método rápido.

    Simplemente se necesitan una placa de vidrio limpia, acetona y una pintura de spray que carezca de siliconas, como es lógico. El color blanco ha demostrado ser especialmente apropiado para esta tarea. Para efectuar la prueba, el material que va a comprobarse se dispone sobre la placa de vidrio y se enjuaga con acetona. Una vez evaporada la acetona, se pulveriza pintura de spray en forma de cruz en la placa de vidrio. Cuando se ha secado la pintura, puede reconocerse claramente si todavía quedan restos de silicona en la superficie. En estos puntos, la pintura no se humecta, y se forman los denominados cráteres.

    La limpieza con plasma puede aplicarse también para tratar materiales de silicona con procesos especiales. Es posible lograr la ausencia de PWIS incluso en el caso de la goma de silicona

    La innovadora y ecológica tecnología del plasma de baja presión permite solucionar, gracias a la eliminación de sustanciasPWIS en superficies de componentes que deben someterse a recubrimiento, un problema que cada vez cobra mayor importancia. Algunas de las ventajas de la limpieza con plasma incorporada en la cadena de producción son las siguientes: 

    • La reducción de la tasa de retoques
    • La reducción de la tasa de descartes
    • La prevención de reclamaciones
    • El aumento de la seguridad de la producción

    Diener electronic también ofrece este procedimiento como tratamiento por contrato. Para ello, se ofrecen varios sistemas de plasma y empleados cualificados y experimentados. De este modo, podemos garantizar que sus componentes obtengan una superficie de excelente calidad.

    Preguntas frecuentes

    ¿Cómo funciona la limpieza de metales con plasma?

    Algunos materiales para tratar están recubiertos de grasasaceitesceras, siliconas (con sustancias que afectan a la humectabilidad de la pintura, o PWIS por sus siglas en  alemán) y otras impurezas orgánicas e inorgánicas (también capas de óxido).

    Para determinadas aplicaciones, puede resultar necesario lograr superficies totalmente limpias y libres de óxidos. Ejemplos:

    • Antes del sputtering
    • Antes del lacado
    • Antes del pegado
    • Antes de la impresión
    • Antes del recubrimiento por PVD CVD
    • En aplicaciones médicas especiales
    • En sensores analíticos
    • Antes de la unión por hilo
    • Antes de la soldadura de placas de circuito impreso
    • En interruptores, etc.

    El plasma actúa en este caso de dos maneras distintas:

    1. Eliminación de capas orgánicas

    • Las capas se someten a ataque químico, p. ej., con oxígeno y aire.
    • En el caso del plasma de baja presión, la presión negativa y el calentamiento de la superficie provocan la evaporación parcial de las impurezas. En el plasma de presión atmosférica, las impurezas se eliminan de la superficie mediante soplado debido a la sobrepresión.
    • Las partículas energizadas del plasma transforman las impurezas en moléculas estables de menor tamaño y, en consecuencia, resulta más fácil aspirarlas o evacuarlas.
    • La radiación UV también puede dañar las impurezas y facilitar su desprendimiento de la superficie.

    El grosor de las impurezas debe alcanzar tan solo algunos micrómetros, puesto que el plasma únicamente es capaz de extraer varios nanómetros por segundo.

    Las grasas contienen, p. ej., compuestos de litio, de los cuales solamente pueden eliminarse los componentes orgánicos.  Lo mismo se aplica a las huellas dactilares; por este motivo, se recomienda llevar puesto un par de guantes

    2. Reducción de óxidos

    • El óxido de metal reacciona químicamente con el gas de proceso. Como gas de proceso, se emplea hidrógeno puro o una mezcla con argón o nitrógeno.

    En el plasma de baja presión, también es posible realizar los procesos en dos etapas. Por ejemplo, los materiales para tratar se oxidan primero con oxígeno durante 5 minutos; acto seguido, se reducen durante otros 5 minutos con hidrógeno y argón (p. ej., mezcla compuesta por un 90 % de argón y un 10 % de hidrógeno).

     

    ¿Cómo funciona la limpieza de plásticos con plasma?

    La limpieza de plásticos con plasma siempre se obtiene como consecuencia de la activación del plástico. Si realmente se desea solamente limpiar un plástico y no activarlo, deben disminuirse los parámetros del proceso hasta que se consiga el efecto deseado.  Al hacerlo, debe considerarse si la mera limpieza de una pieza de trabajo es suficiente para los procesos posteriores.

    Como gas de proceso suele utilizarse oxígeno técnico, aunque a menudo basta con aire ambiente. En el caso del plasma de presión atmosférica, suele emplearse aire comprimido seco y sin aceite. El tratamiento con plasma puede repetirse y no emite gases tóxicos.

    El principio es el mismo que se aplica a la limpieza de metales con plasma.

    ¿Cómo funciona la limpieza de vidrios y cerámicas con plasma?

    La limpieza de vidrios y cerámicas se efectúa del mismo modo que los metales. Como gas de proceso para la limpieza de vidrios, se recomienda, p. ej., argón u oxígeno, o bien aire comprimido en el caso del plasma de presión atmosférica.

    En general, puede afirmarse que la limpieza se realiza con plasma de oxígeno en la mayoría de los casos.

    Los demás parámetros (presión, potencia del generador, caudal de gas, duración del tratamiento) dependen de la sensibilidad de las piezas de trabajo que deban tratarse.

    ¿Es posible medir una pérdida de peso? (Plasma de baja presión)

    , el ensayo de homogeneidad permite determinar, p. ej., la tasa de grabado a través de la pérdida de peso.

    Para ello, se pegan portaobjetos con cinta de PE y se pesan antes y después del tratamiento con plasma. La diferencia puede ofrecer información sobre la tasa de grabado.

    El pesaje debe efectuarse en una balanza analítica, ya que la pérdida de peso es muy reducida.

    ¿El haz de plasma y el chorro de gas activo están libres de potencial? (Plasma de presión atmosférica)

    , el chorro de gas activo de PlasmaBeam no tiene potencial eléctrico, o su potencial es muy reducido en caso de tenerlo. Por ello, a menudo se utilizan PlasmaBeamspara la limpieza de módulos electrónicos.  

    Los equipos del tipo Plasma APC 500 deben destinarse al tratamiento de materiales no conductores. El haz de plasma de Plasma APC 500 no está libre de potencial.

    ¿Qué gases pueden emitirse durante la limpieza con plasma? (Plasma de presión atmosférica)

    Se generan los óxidos de nitrógeno NO y NO2. Evidentemente, también es posible una cantidad menor de gases con carbono (CO2, CO).

    ¿Cuál es la anchura de tratamiento con PlasmaBeam? (Plasma de presión atmosférica)

    La anchura de tratamiento de una tobera es de aprox. 8-12 mm. Sin embargo, la anchura de limpieza debe comprobarse de antemano en cada aplicación (p. ej., midiendo el ángulo de contacto).

    En caso de uso de oxígeno puro (O2) o nitrógeno puro (N2), se incrementa ligeramente la anchura de tratamiento.

    ¿Qué velocidades de tratamiento pueden alcanzarse? (Plasma de presión atmosférica)

    En comparación con los procesos de activación, la velocidad de limpieza solamente alcanza algunos centímetros por segundo. Una limpieza eficaz requiere un aumento de la temperatura en la superficie, algo que solamente puede lograrse con una velocidad menor

    ¿Qué temperatura alcanza el haz? (Plasma de presión atmosférica)

    La temperatura media del haz de plasma es de aprox. 200-250 °C. Si se ajustan correctamente la distancia y la velocidad, se alcanza una temperatura en la superficie de aprox. 70-80 °C.  Por lo tanto, esta tecnología puede utilizarse para todos los materiales habituales (metales, cerámica, vidrio, plásticos, elastómeros).

    ¿Cuál es la vida útil de la limpieza con plasma atmosférico? (Plasma de presión atmosférica)

    En este aspecto, lamentablemente no podemos mencionar cifras que puedan aplicarse con certeza en todos los casos. La vida útil depende de las condiciones de almacenamiento, los parámetros de tratamiento y el grado de impurezas

    Ejemplos:

    1. Una atmósfera húmeda y las temperaturas elevadas (por encima de los 20 °C) reducen drásticamente la vida útil del tratamiento con plasma.
    2. Un tratamiento múltiple consigue aumentar la vida útil del tratamiento.
    3. Por lo general, es válida una recomendación para las superficies de metal, vidrio o cerámica: el pegado, la impresión o el lacado deben realizarse durante la primera hora posterior al tratamiento con plasma para lograr el máximo éxito.
    4. En el caso de los plásticos, se aplica la siguiente vida útil para el tratamiento con plasma:
    • PA (con y sin refuerzo de fibra de vidrio): 1-2 semanas.
    • PP, PE: recomendamos que el tratamiento posterior tenga lugar al cabo de 1 o como máx. 2 días.
    • PC: 2-5 días.
    • ABS, PC/ABS: 2-5 días.

    Tenga en cuenta que se trata de valores aproximados. En función del fabricante, pueden surgir diferencias significativas por el uso de aditivos y desmoldantes.

    ¿Qué ventajas principales aporta el tratamiento con plasma de presión atmosférica? (Plasma de presión atmosférica)

    La tecnología de PlasmaBeam es aplicable a procesos en línea, p. ej., limpieza con plasma de perfiles metálicos y tubos continuos antes del recubrimiento, el pegado, la unión por hilo o el lacado. 

    Esta tecnología es compatible con el uso de robots, es decir, es posible explorar superficies bidimensionales o tridimensionales con el haz de plasma con la ayuda de robots. 

    PlasmaBeam permite una limpieza local de superficies sin enmascarar la superficie restante, p. ej., limpieza de pads de contacto de Al, Au y Cu antes de la unión por hilo (wire bonding) sin tocar el resto de la superficie. 

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