Plasmareinigen mit Atmosphärendruckplasma

Für die Plasmareinigung der Oberflächen werden nur die Geräte der Serie "PlasmaBeam" eingesetzt. Den Geräten vom Typ Plasma APC500 können praktisch keine Reinigungswirkungen nachgewiesen werden. Daher werden diese hier fast nicht erwähnt. 

1. Aufbau und Wirkungsprinzip

2. Wie funktioniert die Reinigung mittels atmosphärischem Plasma?

Ein wichtiger Prozess der Plasma-Oberflächentechnik ist die Plasmareinigung. Durch chemische Reaktionen mit den ionisierten Gasen sowie auch durch den druckluftbeschleunigten Aktivgasstrahl werden Schmutzpartikel entfernt, in die Gasphase umgesetzt und durch kontinuierliche Aktivgasstrahlwirkung weggeblasen. Die hierbei erzielbaren Reinheitsgrade sind relativ hoch. 

Bei der Kupferoxid-Reduzierung werden Kupferoxide einem Wasserstoffgasgemisch-Plasma ausgesetzt und somit werden die Oxide chemisch reduziert und es entsteht Wasserdampf. Zu diesen Gasgemischen gehören Ar/H2 oder N2/H2 mit max. Anteil von H2 unter 5%. Dies funktioniert bei Atmosphärendruckplasma nur mit sehr hohem Gasverbrauch.

3. Wie wirkt atmosphärisches Plasma bei der Reinigung?

3.1 Plasmareinigung von Metallen 

Manche Behandlungsgüter sind mit Fetten, Ölen, Wachsen und anderen organischen und anorganischen Verunreinigungen (auch Oxidschichten) bedeckt

Für bestimmte Anwendungen kann es erforderlich sein, absolut saubere und oxidfreie Oberflächen zu erzielen z. B.

  • vor dem Sputtern
  • vor dem Lackieren
  • vor dem Kleben
  • vor dem Bedrucken
  • vor dem PVD- und CVD-Beschichten
  • bei speziellen medizinischen Anwendungen
  • bei analytischen Sensoren
  • vor dem Bonden
  • vor dem Löten von Leiterplatten
  • bei Schaltern usw.

Das Plasma wirkt hier auf zwei verschiedene Arten:

1. Es entfernt organische Schichten (C-haltige Verunreinigungen)

  • Diese werden z. B. von Sauerstoff und Luft chemisch angegriffen. 
  • Durch den Überdruck von der Oberfläche weggeblasen.
  • Durch die energiereichen Teilchen im Plasma werden die Verunreinigungen in kleinere, stabile Moleküle umgewandelt und lassen sich dadurch wegtransportieren.

Die Verunreinigungen dürfen nur wenige hundert Nanometer dick sein, da das Plasma nur in der Lage ist, wenige nm pro Durchgang abzutragen.

Fette enthalten z. B. Lithiumverbindungen. Von ihnen können nur die organischen Bestandteile entfernt werden. Das gleiche gilt für Fingerabdrücke, daher wird das Tragen von Handschuhen empfohlen.

2. Reduktion von Oxiden  

  • Das Metalloxid reagiert chemisch mit dem Prozessgas. Als Prozessgas wird eine Mischung von Wasserstoff mit Argon oder Stickstoff verwendet. Die thermische Wirkung des Plasmastrahls kann eine weitere Oxidation hervorrufen. Daher wird empfohlen, Prozesse unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen (z. B. N2 oder Ar).

3.2 Plasmareinigung von Kunststoffen

Bei der Atmosphärendruck-Plasmabehandlung kann die Plasmareinigung nicht von der Plasmaaktivierung getrennt werden.

Als Prozessgas wird üblicherweise trockene und ölfreie Druckluft verwendet.

Das Prinzip entspricht der Plasmareinigung von Metallen.

3.3 Plasmareinigung von Gläsern und Keramiken

Das Reinigen von Gläsern und Keramiken erfolgt auf die gleiche Weise wie das Reinigen von Metallen. Als Prozessgas für die Reinigung von Gläsern wird Druckluft verwendet.

Allgemein kann gesagt werden, dass eine Reinigung meist mit Druckluft durchgeführt wird.

Als wichtige Parameter müssen hier Abstand, Geschwindigkeit sowie auch Wiederholung des Prozesses (mehrfache Behandlung ist vorteilhaft) berücksichtigt werden.

4. Ist der Plasmastrahl/Aktivgasstrahl potentialfrei? 

Ja, der Aktivgasstrahl des PlasmaBeam besitzt kein oder nur ein sehr geringes elektrisches Potential. Deshalb werden PlasmaBeams oft für die Reinigung von elektronischen Baugruppen eingesetzt. 

Die Geräte vom Typ Plasma APC500 dürfen zur Behandlung von nicht leitfähigen Materialien eingesetzt werden. Der Plasmastrahl von Plasma APC500 ist nicht potentialfrei.

5. Welche Abgase können bei der Plasmareinigung entstehen?

Es entstehen die Stickoxide NO und NO2. Eine geringere Menge von kohlenstoffhaltigen Abgasen ist selbstverständlich auch möglich (CO2, CO).

6. Wie breit ist die Behandlung mit dem PlasmaBeam?

Die Behandlungsbreite von einer Düse beträgt ca. 8-12 mm. Allerdings muss die Reinigungsbreite bei jeder Anwendung vorab geprüft werden (z. B. durch Kontaktwinkelmessung).

Bei Verwendung von reinem Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2) wird die Behandlungsbreite etwas erhöht.

7. Welche Behandlungsgeschwindigkeiten können erreicht werden? 

Im Vergleich zu Aktivierungsprozessen beträgt die Reinigungsgeschwindigkeit nur einige wenige cm pro Sekunde. Eine effektive Reinigung erfordert eine Temperaturerhöhung auf der Oberfläche, die nur mittels geringerer Geschwindigkeit erreichbar ist.

8. Wie hoch ist Strahltemperatur? 

Die mittlere Plasmastrahltemperatur beträgt ca. 200 – 250 °C. Bei einer richtigen Abstand- und Geschwindigkeitseinstellung wird eine Oberflächentemperatur von ca. 70 – 80 °C erreicht. Daher kann diese Technik für alle gängigen Werkstoffe eingesetzt werden (Metalle, Keramik, Glas, Kunststoffe, Elastomere).

9. Wie hoch ist die Lebensdauer der Plasmareinigung mittels atmosphärischem Plasma?

Hier können leider keine allgemein gültigen sicheren Zahlen genannt werden. Die Lebensdauer hängt von Lagerungsbedingungen, Behandlungsparametern sowie dem Verunreinigungsgrad ab.

Beispiele:

  1. Feuchte Atmosphäre und erhöhte Temperaturen (über 20 °C) reduzieren drastisch die Lebensdauer der Plasmabehandlung.
  2. Eine mehrfache Behandlung erhöht die Lebensdauer der Behandlung.
  3. Generell gilt für Metalle, Glas- und Keramikoberflächen eine Empfehlung: Das Verkleben, Bedrucken oder Lackieren sollte innerhalb einer Stunde nach der Plasmabehandlung durchgeführt werden, um die maximalen Erfolge zu erreichen.
  4. Für Kunststoffe gilt folgende Lebensdauer für die Plasmabehandlung:
  • PA (mit und ohne Glasfaserverstärkung): 1 - 2 Wochen
  • PP, PE: Wir empfehlen eine Weiterbehandlung innerhalb von 1 bis max. 2 Tagen
  • PC: 2 - 5 Tage
  • ABS, PC/ABS: 2 - 5 Tage

Bitte beachten Sie, dass es sich hierbei um Circa-Werte handelt. Je nach Hersteller können gravierende Unterschiede durch den Einsatz von Additiven und Trennmitteln auftreten.

10. Welche Hauptvorteile bringt uns die Behandlung mit Atmosphärendruckplasma? 

Die PlasmaBeam Technik ist für In-Line Prozesse anwendbar z. B. Plasmareinigung von endlosen Metallprofilen, Rohren vor dem Ummanteln, Kleben, Bonden oder Lackieren. 

Diese Technik ist Roboter-tauglich, d. h. die 2- oder 3-dimensionalen Oberflächen können mit dem Plasmastrahl mit Hilfe von Robotern abgescannt werden. 

PlasmaBeam ermöglicht eine lokale Oberflächenreinigung ohne Maskieren von restlicher Fläche z. B. Reinigung von Al, Au und Cu  Bondpads vor dem Drahtbonden (Wire-Bonding) ohne den Rest der Oberfläche zu berühren.

11. Welche Anwendungen sind möglich?

Weitere Informationen finden Sie unter Anwendungen.

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Plasmabeam: Der Plasmaprozessor ist robotertauglich und kann in bestehende automatisierte Fertigungslinien integriert werden.

Atmosphärisches Plasma – PlasmaBeam

Die Anlage besteht aus drei Einheiten:

1. Versorgungseinheit: 

  • elektrischer Netzanschluss
  • Prozessgas- und Kühlgasanschluss
  • Hochspannungsgenerator
  • Strommessblock
  • Gassteuerungsblock
  • Frontplatte mit Bedienelementen

2. Gas und Stromzuleitung im flexiblen Rohr

3. Plasmaerzeuger: die Zentralelektrode, die äußere Elektrode und der Isolator bilden eine Entladungszone 

  • Der Hochspannungsgenerator wandelt die Netzspannung in die Hochspannung um (bis zu 10 kV), die notwendig ist für die Ausbildung der elektrischen Entladung.
  • Die Versorgungsspannung und das Prozessgas werden in der Entladungszone durch die flexible Leitung zugeführt.
  • Der Luftstrom trägt die im Lichtbogen entstehenden aktiven Spezies (i+, e-, r*) aus der Entladungszone heraus. (Plasma Jet-Verfahren)
  • Der Strom des aktiven Gases wird durch die spezielle Düsenform auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert.
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PlasmaAPC500: Der Plasmaprozessor ist robotertauglich und kann in bestehende automatisierte Fertigungslinien integriert werden.

Atmosphärisches Plasma - PlasmaAPC 500

Die Anlage besteht aus drei Einheiten:

1. Versorgungseinheit: 

  • elektrischer Netzanschluss
  • Hochspannungsgenerator
  • Kontrollblock (Mikrokontroller gesteuert)
  • Frontplatte mit Bedienelementen
  • Luftversorgung 

2. Strom- und Luftzuleitungen in flexiblem Rohr

3. Plasma-Erzeuger:

Zwei Elektroden bilden eine Entladungszone

  • Der Hochspannungsgenerator erzeugt eine Spannung von bis zu 10 kV, die für die Erzeugung der elektrischen Entladung notwendig ist.
  • Die Versorgungsspannung wird durch die flexible Zuleitung zugeführt.
  • Der Luftstrom ersteckt den Lichtbogen aus dem Elektrodenbereich heraus. (Gliding Arc-Verfahren)
  • Lichtbogen kommt direkt in Kontakt mit der Oberfläche.
  • Vorsicht Hochspannung! Bitte den Lichtbogen sowie die Elektroden nicht anfassen.

Der PlasmaAPC 500 wird nur für nicht leitfähige Oberflächen verwendet.

Bei der atmosphärischen Plasmatechnik wird Gas mittels Hochspannung unter Umgebungsdruck derart angeregt, dass ein Plasma zündet. Das Plasma wird mit Druckluft aus der Düse herausgetrieben. Es werden zwei Plasmaeffekte unterschieden:

Aktivierung und Feinstreinigung werden durch die im Plasmastrahl enthaltenen reaktiven Teilchen durchgeführt.

Zusätzlich werden die losen, anhaftenden Partikel durch den druckluftbeschleunigten Aktivgasstrahl von der Oberfläche entfernt.

Durch die Variation der Prozessparameter wie Behandlungsgeschwindigkeit und Abstand zur Substratoberfläche können die Behandlungsergebnisse unterschiedlich beeinflusst werden.

Der atmosphärische Plasmaprozessor PlasmaBeam wird hauptsächlich für die lokale Vorbehandlung (reinigen, aktivieren) von verschiedenen Oberflächen eingesetzt:

  • Polymere
  • Metall
  • Keramik
  • Glas
  • Hybridmaterialien

Der PlasmaBeam ist roboter-tauglich und kann in bestehende, automatisierte Fertigungslinien ohne großen Aufwand installiert werden.

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