Pulizia al plasma

Per un migliore risultato di incollaggio, stampa, verniciatura, bonding, ecc.

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Su tutte le superfici si trovano sempre impurità finissime, non visibili all'occhio nudo. L'eliminazione di tali impurità è quasi sempre un presupposto necessario per l'ulteriore lavorazione ottimale della superficie con procedure quali:

Incollaggio | Stampa | Verniciatura | Bonding | Rivestimento | Acidatura

La tecnologia del plasma offre soluzioni per ogni tipo di sporco, di substrato e di post-trattamento, in quanto elimina anche i residui di contaminazione molecolare. Esistono diversi metodi di pulizia, in base alle diverse esigenze del singolo caso.

La pulizia al plasma presenta vantaggi unici rispetto ad altri metodi di pulizia

✓ Pulizia anche negli interstizi e nelle cavità più piccole
✓ Pulizia di tutte le superfici dei componenti in un'unica operazione, anche all'interno di corpi cavi
✓ Rimozione senza residui dei prodotti di degradazione mediante aspirazione sottovuoto
✓ Nessun danno alle superfici sensibili ai solventi a causa di detergenti chimici

✓ Rimozione anche dei residui molecolari fini
✓ Possibilità immediata di lavorazione ulteriore ✓ Senza necessità di ventilazione e rimozione di solventi
✓ Senza necessità di stoccaggio e smaltimento di detergenti pericolosi, dannosi per l'ambiente e la salute
✓ Costi di processo molto bassi

Come funziona la pulizia al plasma?

Un processo importante della tecnologia delle superfici al plasma è la pulizia al plasma. Le particelle di sporco vengono rimosse mediante reazioni chimiche con i gas ionizzati.

Per la riduzione dell'ossido di rame , gli ossidi di rame vengono esposti ad un plasma contenente una miscela di gas idrogeno , riducendo chimicamente gli ossidi e generando vapore acqueo.

1. Rimozione degli idrocarburi nel plasma di ossigeno

Micropulitura - Sgrassaggio in plasma di ossigeno

Su quasi tutte le superfici si trovano idrocarburi,residui di grassi, oli o agenti distaccanti. Questi strati riducono drasticamente l'adesione di altri materiali durante il successivo trattamento della superficie. Per questo motivo, la rimozione chimica degli idrocarburi nel plasma di ossigeno è un trattamento standard effettuato prima di qualsiasi processo di verniciatura, stampa o incollaggio.

Le reazioni del plasma in questo metodo di pulizia sono illustrate a titolo di esempio nella sezione "Piccola fisica del plasma".

Si crea un’interazione tra ioni, radicali e radiazioni UV. La radiazione UV ad alta energia scinde le macromolecole. I radicali dell'ossigeno, gli ioni e i radicali scissi dell'idrogeno occupano le estremità libere delle catene polimeriche di H2O e CO2

I prodotti di degradazione degli idrocarburi nel plasma a bassa pressione sono gassosi e possono pertanto essere aspirati.

Sulle superfici polimeriche, parallelamente all’asportazione dello sporco superficiale, si avvia un'attivazione mediante i radicali dell'ossigeno. Questo tipo di attivazione è il presupposto per una perfetta adesione delle materie plastiche apolari. Per i dettagli, si rinvia alla sezione Attivazione dei materiali.

Oli, grassi o agenti distaccanti contenenti additivi non possono essere sempre rimossi senza lasciare residui nel plasma di ossigeno. Possono infatti formarsi ossidi solidi aderenti al substrato. Se necessario, essi possono essere puliti con ulteriori processi di pulizia a valle.

La pulizia nel plasma di ossigeno funziona praticamente su tutti i materiali. Spesso può essere utilizzata aria secca depurata al posto dell'ossigeno. La rimozione degli idrocarburi deve quindi essere effettuata sia nel plasma a bassa pressione sia nel plasma a pressione atmosferica.

2. Pulizia meccanica mediante microsabbiatura

Plasma di argon

Un tipo di plasma particolarmente semplice è un plasma di gas nobile. Esso consiste unicamente di ioni, elettroni e atomi di gas nobili. Poiché il gas è sempre atomico, non contiene radicali e poiché i gas nobili non sono chimicamente reattivi, non si formano prodotti di reazione. Per effetto dell'energia cinetica degli ioni pesanti, il plasma di argon è comunque attivo.

Pulizia

Per l'energia cinetica derivante dall'impatto degli ioni, vengono eliminati gli atomi e le molecole del rivestimento, riducendolo sempre più.

Il trattamento è efficace su quasi tutte le superfici, cioè su tutti i tipi di sporco. La microsabbiatura permette inoltre di rimuovere quasi tutto lo sporco che  resiste agli agenti chimici.

Poiché gli ioni caricati positivamente vengono accelerati su un elettrodo caricato negativamente, l'eccitazione del plasma avviene in un reattore a piastre parallele.

Strutturazione - Acidatura fisica

Gli ioni ricchi di energia distaccano i frammenti non solo da uno strato superficiale, ma anche dal materiale del substrato. Questo comporta una crescente strutturazione e all’irruvidimento della superficie su scala molecolare. Come per la sabbiatura o la levigatura, ne deriva un aumento della superficie, eventualmente anche dei sottostrati, che migliora l'adesione degli strati applicati successivamente.

A differenza degli effetti chimici dell'acidatura nel plasma a bassa pressione, la microsabbiatura non agisce isotropicamente, vale a dire in modo uniforme su tutte le superfici di un componente, ma principalmente in direzione del campo elettrico, perché gli ioni subiscono un'accelerazione in questo senso.

3. Riduzione degli strati di ossido

Gli strati di ossido sono presenti su molte superfici. Solo pochi metalli non tendono a produrre ossidazione dopo un lungo periodo di stoccaggio. Su molti metalli si formano strati di ossido, specialmente durante la pulizia al plasma nel plasma di ossigeno. Gli strati di ossido possono influire negativamente su tutte le fasi di post-trattamento: 

  • adesione dei contatti elettrici durante il bonding e la saldatura
  • scarso contatto elettrico
  • scarsa adesione durante l'incollaggio e la verniciatura

Anche sui non metalli si riscontrano spesso depositi solidi ossidati, formatisi in alcuni casi solo in seguito alla pulizia nel plasma di ossigeno. Gli strati di ossido spesso resistono all’azione dei solventi convenzionali. Anche dal punto di vista meccanico sono spesso difficili da trattare, a causa della loro estrema durezza. Si rimuovono invece nel plasma di idrogeno per riduzione.

Ossidazione

Nel plasma di ossigeno o di aria vengono ossidati in modo mirato anche gli strati di metallo estremamente sottili, con pochi livelli di atomi spessi. Questi strati invisibili induriscono e proteggono il metallo da attacchi chimici e meccanici e dall’ulteriore ossidazione. Essi garantiscono una superficie metallica lucida in modo permanente.

L'ossidazione della superficie viene spesso eseguita nel plasma a pressione atmosferica. 

Poiché in molti casi è necessario rimuovere diversi tipi di sporco da una superficie, vengono applicati uno dopo l'altro diversi processi di pulizia, come ad esempio:

1. Rimozione di agenti distaccanti (idrocarburi) nel plasma di ossigeno
2. Pulizia micromeccanica di precisione con microsabbiatura al plasma di argon

oppure:

1. Sgrassaggio nel plasma di ossigeno
2. Riduzione degli strati di ossido nel plasma di idrogeno

La pulizia con ossigeno, per contro, è immediatamente seguita dall’attivazione delle superfici apolari da parte dei radicali dell'ossigeno, continuando il processo per un periodo di tempo più lungo al termine della pulizia. Per i dettagli, si rinvia alla sezione  Attivazione dei materiali  e, in caso di esposizione prolungata, alla successiva  Acidatura dei materiali.

    Come si può ottenere l’assenza di sostanze LABS?

    Le sostanze che interferiscono con la bagnatura della vernice (note con la sigla LABS) causano difetti chiaramente visibili nel prodotto finale, impedendo una bagnatura uniforme della superficie da verniciare  . Lo strato di vernice presenta impurità a forma di imbuto e crateri. Tali sostanze possono essere siliconisostanze fluorurate (PTFE), determinati oli e grassi .

    Il processo al plasma rimuove definitivamente tutte le sostanze che ostacolano la bagnatura della vernice dalla superficie e dall'elastomero stesso.

    Possono essere puliti componenti in svariati materiali , come PVC-U, PVC-C, PP, PE, ABS e PVDF, oltre a componenti metallici .

    Dopo la pulizia, a seconda del grado di contaminazione, i pezzi vengono sottoposti a trattamento al plasma della durata massima di un'ora. Per confermare la riuscita del trattamento e quindi l'assenza di LABS , dopo il trattamento al plasma viene eseguito un test LABS, conformemente alla specifica del test Volkswagen PV 3.10.7, che permette di rilevare i residui di silicone con un metodo rapido.

    Occorrono solo una lastra di vetro pulita, acetone e una vernice spray standard, che naturalmente deve essere priva di siliconi . Il colore bianco si è dimostrato particolarmente adatto allo scopo. Per il test, il materiale da testare viene collocato sulla lastra di vetro e risciacquato con acetone. Successivamente all’evaporazione dell'acetone, la lastra di vetro viene spruzzata a croce con la vernice spray. Non appena la vernice si è asciugata, è possibile identificare chiaramente se sono ancora presenti residui di silicone sulla superficie. In questi punti la vernice non si bagna e si formano i cosiddetti crateri.

    La pulizia al plasma con processi speciali può essere utilizzata anche per il trattamento di materiali a base di silicone . Si può ottenere la completa assenza di sostanze LABS perfino per la gomma siliconica .

    Mediante l'uso di una tecnologia al plasma a bassa pressione innovativa ed ecologica, può essere risolto un problema sempre più rilevante rimuovendo le sostanze LABS dalle superfici dei componenti da rivestire . Alcuni dei vantaggi della pulizia al plasma integrata nella catena di produzione sono: 

    • la riduzione del tasso di rilavorazione
    • la riduzione del tasso di scarto
    • la prevenzione dei reclami
    • una maggiore sicurezza produttiva

    Diener electronic offre questo tipo di procedimento anche come trattamento a contratto . A tale scopo l’azienda dispone di numerosi impianti al plasma e di personale qualificato ed esperto. In questo modo possiamo garantire una qualità di superficie ottimale dei vostri pezzi e componenti.

    Domande frequenti

    Come funziona la pulizia al plasma dei metalli?

    Alcuni prodotti da trattare sono coperti da grassioliceresiliconi (non privi di LABS ovvero di sostanze che ostacolano la bagnatura della vernicee da altre impurità organiche e inorganiche (compresi gli strati di ossido) .

    Per alcune applicazioni può essere necessario ottenere superfici assolutamente pulite e prive di ossidi, ad es.

    • prima dello sputtering
    • prima della verniciatura
    • prima dell’ incollaggio
    • prima della stampa
    • prima del rivestimento PVD CVD
    • per speciali applicazioni mediche
    • per sensori analitici
    • prima del bonding
    • prima di saldare i circuiti stampati
    • per gli interruttori, ecc.

    Il plasma agisce in due modi diversi:

    1. Rimuove gli strati organici

    • Tali strati vengono attaccati chimicamente, ad esempio dall'ossigeno e dall'aria.
    • Per effetto della pressione negativa e del riscaldamento superficiale con plasma a bassa pressione, si induce l’evaporazione di alcune impurità. Nel plasma a pressione atmosferica, gli strati in oggetto vengono rimossi dalla superficie mediante sovrapressione.
    • Le particelle cariche di energia presenti nel plasma trasformano le impurità in molecole più piccole e stabili , che possono poi essere aspirate/rimosse.
    • Anche le radiazioni UV possono distruggere le impurità e provocarne il distacco dalla superficie.

    Le impurità devono avere uno spessore di pochi micron , in quanto il plasma è in grado di asportare solo pochi nm/s.

    I grassi contengono ad es. composti del litio. Di essi possono essere rimossi solo i componenti organici . Lo stesso vale per le impronte digitali, per cui si consiglia di indossare dei guanti .

    2. Riduzione degli ossidi

    • L'ossido metallico interagisce chimicamente con il gas di processo. Per il gas di processo si utilizza idrogeno puro o una miscela con argon o azoto.

    Con il plasma a bassa pressione è inoltre possibile eseguire i processi in due fasi . Ad esempio, i prodotti da trattare vengono dapprima ossidati con ossigeno per 5 minuti; successivamente vengono ridotti con idrogeno ad argon (ad es. una miscela al 90 % di argon e 10 % di idrogeno) per 5 minuti.

     

    Come funziona la pulizia al plasma delle materie plastiche?

    La pulizia al plasma dei materiali plastici è sempre associata alla attivazione della plastica. Se una materia plastica deve essere solamente pulita e non attivata, è sufficiente ridurre i parametri di processo fino a raggiungere l'effetto desiderato . Occorre tuttavia valutare se la semplice pulizia di un pezzo sia sufficiente per le lavorazioni successive.

    Come gas di processo viene solitamente utilizzato ossigeno tecnico, ma spesso è sufficiente l'aria ambiente ; per il plasma a pressione atmosferica viene solitamente utilizzata aria compressa secca e priva di olio . Il trattamento al plasma può essere ripetuto più volte, senza generazione di gas di scarico tossici.

    Il principio è analogo a quello della pulizia al plasma dei metalli.

    Come funziona la pulizia al plasma di vetri e ceramiche?

    La pulizia di vetro e ceramica viene eseguita allo stesso modo della pulizia dei metalli. Come gas di processo per la pulizia del vetro nel plasma a pressione atmosferica si consiglia ad es. l'uso di argon , di ossigeno o di aria compressa.

    In generale, si può affermare che la pulizia avviene solitamente con plasma di ossigeno .

    Gli altri parametri (pressione, potenza del generatore, portata del gas, durata del trattamento) sono in funzione della sensibilità dei pezzi da trattare.

    La perdita di peso è misurabile? (plasma a bassa pressione)

    , il test di omogeneità può essere utilizzato per determinare, ad es. il tasso di acidatura calcolando la perdita di peso.

    A tale scopo, i supporti del prodotto vengono coperti con nastro PE e pesati prima e dopo il trattamento al plasma . La differenza permette quindi di ottenere informazioni sul tasso di acidatura.

    La pesatura deve avvenire su una bilancia analitica, trattandosi di una perdita di peso esigua.

    Il getto di plasma/di gas attivo è privo di potenziale? (plasma a pressione atmosferica)

    , il fascio di gas attivo di PlasmaBeam ha un potenziale elettrico basso o nullo . Per questo motivo gli impianti PlasmaBeam vengono spesso utilizzati per la pulizia dei gruppi elettronici.  

    I dispositivi Plasma APC500 possono essere impiegati per il trattamento di materiali non conduttivi  . Il fascio di plasma di Plasma APC500 non è a potenziale zero.

    Quali gas di scarico possono formarsi durante la pulizia al plasma? (Plasma a pressione atmosferica)

    Si formano gli ossidi di azoto NO e NO2. È naturalmente possibile anche una quantità minore di gas di scarico contenenti carbonio (CO2, CO).

    Quanto è esteso il trattamento con PlasmaBeam? (plasma a pressione atmosferica)

    L’ampiezza di trattamento di un ugello è di circa 8-12 mm. Tuttavia occorre controllare previamente la fascia di pulizia per ogni applicazione   (ad es. mediante misurazione dell'angolo di contatto).

    Se si utilizza  ossigeno puro (O2) o azoto (N2), l’ampiezza di trattamento aumenta lievemente.

    Quali velocità di trattamento si possono raggiungere? (plasma a pressione atmosferica)

     Rispetto ai processi di attivazione la velocità di pulizia è di pochi cm al secondo. Per una pulizia efficace è necessario un aumento della temperatura sulla superficie, che può essere ottenuto solo a una velocità inferiore .

    Qual è la temperatura del fascio? (plasma a pressione atmosferica)

    La temperatura media del getto di plasma è di ca. 200 – 250 °C. Una  corretta impostazione della distanza e della velocità consente di raggiungere una temperatura superficiale di ca. 70 – 80 °C . Questa tecnica può quindi essere utilizzata per tutti i materiali più comuni (metalli, ceramica, vetro, plastica, elastomeri).

    Qual è la durata della pulizia al plasma con plasma atmosferico? (plasma a pressione atmosferica)

    Purtroppo, in questa sede non è possibile indicare tempi generalmente validi in termini di sicurezza. La durata dipende dalle condizioni di stoccaggio, dai parametri di trattamento e dal grado di sporco .

    Alcuni esempi:

    1. Condizioni di umidità e temperature elevate (oltre i 20 °C) riducono drasticamente la vita utile del trattamento al plasma.
    2. Un trattamento ripetuto   aumenta invece la vita utile .
    3. In generale, per le superfici in metallo, vetro e ceramica si consiglia: di effettuare l'incollaggio, la stampa o la verniciatura entro un'ora dal trattamento al plasma per ottenere i migliori risultati.
    4. Per le materie plastiche, la durata dell’effetto del trattamento al plasma è la seguente:
    • PA (con e senza rinforzo in fibra di vetro): 1 - 2 settimane
    • PP, PE: consigliamo un ulteriore trattamento entro 1 - max. 2 giorni.
    • PC: 2 - 5 giorni
    • ABS, PC/ABS: 2 - 5 giorni

    Si osservi che si tratta di valori approssimativi. L'impiego di additivi e agenti distaccanti può causare notevoli differenze a seconda del produttore.

    Quali sono i principali vantaggi del trattamento con plasma a pressione atmosferica? (plasma a pressione atmosferica)

    La tecnica PlasmaBeam si applica a processi in linea  quali ad es. pulizia al plasma di profili metallici infiniti, tubi prima del rivestimento, dell'incollaggio, del bonding o della verniciatura. 

    Questa tecnica è adatta alla robotica, vale a dire che le superfici a 2 o 3 dimensioni possono essere  scansionate con il fascio di plasma utilizzando dei robot. 

    PlasmaBeam rende possibile la pulizia locale della superficie senza mascherare la superficie rimanente, ad esempio per la pulizia di cuscinetti in Al, Au e Cu  prima dell'incollaggio (wire-bonding) senza  toccareil resto della superficie.

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