Plasmareinigen
Plasmatechnologie
Oberflächenbehandlung

Plasmareinigung mit Niederdruckplasma

1. Wie funktioniert die Reinigung mittels Plasma? 

Ein wichtiger Prozess der Plasma-Oberflächentechnik ist die Plasmareinigung. Durch chemische Reaktionen mit den ionisierten Gasen werden Schmutzpartikel entfernt, in die Gasphase umgesetzt und durch kontinuierlichen Gasfluss über die Vakuumpumpe abgeführt. Die hierbei erzielbaren Reinheitsgrade sind extrem hoch. 

Bei der Kupferoxid-Reduzierung werden Kupferoxide einem Wasserstoff-Plasma ausgesetzt und somit werden die Oxide chemisch reduziert und es entsteht Wasser, welches von der Pumpe abgesaugt wird.

Niederdruckplasmaanlage: Reinigen mit Niederfrequenz- oder Hochfrequenzgenerator
Niederdruckplasmaanlage: Reinigen mit Mikrowellengenerator

1.1 Plasmareinigung

2. Wie wirkt Plasma bei der Reinigung?

2.1 Plasmareinigung von Metallen

Manche Behandlungsgüter sind mit FettenÖlenWachsenSilikonen (nicht LABS-frei - LABS=LAckBeschichtungsStörendeund 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

  • Diese werden z. B. von Sauerstoff und Luft chemisch angegriffen (siehe Skizzen).
  • Durch den Unterdruck und die oberflächliche Aufheizung verdampfen die Verunreinigungen zum Teil.
  • Durch die energiereichen Teilchen im Plasma werden die Verunreinigungen in kleinere, stabile Moleküle umgewandelt und lassen sich dadurch absaugen.
  • Auch UV-Strahlung kann die Verunreinigung zerstören und deren Ablösung von der Oberfläche bewirken.

Die Verunreinigungen dürfen nur wenige Mikrometer dick sein, da das Plasma nur in der Lage ist, wenige nm/s abzutragen.

Fette enthalten z. B. Lithiumverbindungen. Von ihnen können nur die organischen Bestandteile entfernt werden. Das gleiche gilt für Fingerabdrücke.

2. Reduktion von Oxiden

  • Das Metalloxid reagiert chemisch mit dem Prozessgas. Als Prozessgas wird reiner Wasserstoff oder eine Mischung mit Argon oder Stickstoff verwendet.

Es ist auch möglich, die Prozesse zweistufig zu fahren. Zum Beispiel werden die Behandlungsgüter erst 5 Minuten mit Sauerstoff oxidiert; anschließend werden sie 5 Minuten mit Argon-Wasserstoff (z. B. Gemisch aus 90 % Argon und 10 % Wasserstoff) reduziert.

2.2 Plasmareinigung von Kunststoffen

Die Plasmareinigung von Kunststoffen ist immer auch einhergehend mit der Aktivierung des Kunststoffes. Soll ein Kunststoff wirklich nur gereinigt und nicht aktiviert werden, so müssen die Prozessparameter einfach so lange herabgesetzt werden, bis der gewünschte Effekt erreicht ist. Wobei zu überlegen ist, ob die bloße Reinigung eines Werkstückes für die nachfolgenden Prozesse ausreicht.

Als Prozessgas wird üblicherweise technischer Sauerstoff verwendet, oft reicht aber schon Raumluft aus. Die Plasmabehandlung kann wiederholt werden und es entstehen keine giftigen Abgase.

Das Prinzip entspricht der Plasmareinigung von Metallen.

2.3 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 empfiehlt sich z. B. Argon oder Sauerstoff.

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

Die anderen Parameter (Druck, Generatorleistung, Gasfluss, Dauer der Behandlung) hängen von der Empfindlichkeit der zu behandelnden Werkstücke ab.

3. Ist ein Gewichtsverlust messbar?

Ja, anhand des Homogenitätstests ist z. B. die Ätzrate durch den Gewichtsverlust feststellbar.

Hierzu werden Objektträger mit PE-Band beklebt und vor und nach der Plasmabehandlung gewogen. Die Differenz kann dann Auskunft über die Ätzrate geben.

Das Wiegen muss auf einer Analysenwaage stattfinden, da der Gewichtsverlust nur sehr gering ist.

4. Wie kann LABS-Freiheit erzielt werden? 

Durch lackbenetzungsstörende Substanzen – kurz LABS genannt – treten deutlich sichtbare Fehler am Endprodukt auf, da eine gleichmäßige Benetzung der zu lackierenden Oberfläche verhindert wird. Es treten trichterförmige Störstellen und Kraterbildungen in der Lackschicht auf. Derartige Substanzen können Silikonefluorhaltige (PTFE) Stoffe, bestimmte Öle und Fette sein.

Das Plasmaverfahren löst dauerhaft alle lackbenetzungsstörenden Substanzen von der Oberfläche sowie aus dem Elastomer selbst heraus.

Gereinigt werden können Bauteile aus den verschiedensten Werkstoffen wie PVC-U, PVC-C, PP, PE, ABS und PVDF sowie metallische Bauteile.

Nach der Reinigung werden die Teile, je nach vorliegendem Verschmutzungsgrad, bis zu einer Stunde mit Plasma behandelt. Um den Erfolg der Behandlung und damit LABS-Freiheit zu bestätigen, wird im Anschluss an die Plasmabehandlung ein LABS-Test, in Anlehnung an die Volkswagen-Prüfvorschrift PV 3.10.7, bei dem mit einer schnellen Methode Silikonreste detektiert werden, durchgeführt.

Man benötigt lediglich eine saubere GlasplatteAceton und einen handelsüblichen Sprühlack, welcher natürlich frei von Silikonen sein muss. Als besonders geeignet hat sich hierbei die Farbe Weiß erwiesen. Für den Test wird das zu testende Material auf die Glasplatte gelegt und mit Aceton abgespült. Nach dem Abdampfen des Aceton wird die Glasplatte mit dem Sprühlack kreuzförmig besprüht. Nachdem der Lack getrocknet ist, ist deutlich erkennbar, ob sich noch Silikonreste auf der Oberfläche befinden. An diesen Stellen benetzt der Lack nicht und es bilden sich sogenannte Krater.

Die Plasma-Reinigung kann mit Sonderprozessen auch für die Behandlung von Silikonmaterialien angewandt werden. Es kann selbst bei Silikongummi eine LABS-Freiheit erzielt werden.

Durch den Einsatz der innovativen und umweltbewussten Niederdruckplasmatechnik kann durch die Beseitigung von LABS-Substanzen an Bauteiloberflächen, die beschichtet werden müssen, ein immer mehr von Belang werdendes Problem gelöst werden. Die Vorteile durch eine in der Produktionskette eingegliederte Plasmareinigung sind unter anderem: 

  • Die Verringerung der Nacharbeitsrate
  • Die Verringerung der Ausschussrate
  • Die Vermeidung von Reklamationen
  • Eine Gesteigerte Produktionssicherheit

Diener electronic bietet Ihnen dieses Verfahren auch als Lohnbehandlung an. Hierfür stehen mehrere Plasmaanlagen sowie qualifizierte, erfahrene Mitarbeiter zur Verfügung. Somit können wir eine optimale Oberflächenqualität Ihrer Bauteile und Komponenten gewährleisten.

5. Welche Anwendungen sind möglich?

Weitere Informationen finden Sie unter dem Punkt "Anwendungen".

6. Welche Generatoren für LF, RF, MW?

Standardmäßig verwenden wir Generatoren mit folgenden Frequenzen: 

LFLow frequency40 kHz100 W, 200 W, 300 W, 1000 W, 1500 W, 2500 W
RFRadio frequency13,56 MHz100 W, 300 W, 600 W, 1000 W, ...
MWMicrowave2,45 GHz300 W, 850 W, 1,2 kW, ...

7. Welche Frequenz ist die beste Frequenz?

Diese Frage kann nicht allgemein beantwortet werden, sondern muss von Fall zu Fall entschieden werden. Der Trend geht im Moment allerdings hin zu den kHz-Generatoren. Mit den kHz-Maschinen können ca. 90% all unserer Kundenteile behandelt werden.

Diese Übersicht soll als Entscheidungshilfe dienen:

7.1 Frequenz 40 kHz 

VorteileNachteile
Preisgünstige LösungBei gleicher Ätzrate wird mehr Leistung als bei 13,56 MHz benötigt
RobustNur passivierte Halbleiter können vor dem Bonden gereinigt werden
Durch potentialfreie Einkopplung kann die höchste Homogenität von allen drei
Frequenzen erreicht werden
Metalltrommeln können problemlos verwendet werden
RIE-Betrieb möglich (hohe Ätzrate)
Die Impedenzanpassung benötigt keine störanfälligen mechanischen Bauteile
Wirkungsgrad: ca. 90 %
Es können Elektroden / Warenträger mit 10 und mehr Etagen aufgebaut
werden, um einen sehr hohen Durchsatz zu erhalten
Gut geeignet für Halbleiter Back-End-Prozesse
Niedrigere Beschichtungsraten bei Plasma-Polymerisationsprozessen
Generatoren lassen sich leicht reparieren

7.2 Frequenz 13,56 MHz 

VorteileNachteile
RIE-Betrieb möglichTeuer
Homogenität ist besser als bei 2,45 GHzRelativ störanfällig
Ätzrate ist bei gleicher Leistung höher als bei 40 kHzImpedanzanpassung mit mechanisch bewegten Teilen
Metalldrehtrommeln können problemlos verwendet werdenHF-System besteht aus Generator und Matching
Es können Elektroden / Warenträger aufgebaut werden, die Symmetrierung der Elektroden ist aber sehr aufwändigWirkungsgrad ca. 50 %
Geeignet für Front- und Back-End-HalbleiterprozesseHoher Verdrahtungsaufwand
Hohe Beschichtungsraten bei Plasma-PolymerisationsprozessenGeneratorreparaturen sind teuer

7.3 Frequenz 2,45 GHz 

VorteileNachteile
PreisgünstigHF-System besteht aus Netzteil und Einkopplung
Relativ robustHoher Verdrahtungsaufwand
Höchste Ätzrate bei gleicher LeistungQuarzscheibe muss gekühlt werden
Wirkungsgrad ca. 60 %Glas- und Keramikbauteile
ECR-Betrieb möglich (hohe Ätzrate)Magnetron benötigt eine Spannung von 4500 V
Gut geeignet für Halbleiter Front-End und Back-End -ProzesseMetalldrehtrommeln können nur bedingt verwendet werden
Sehr hohe Beschichtungsraten bei Plasmapolymerisationsprozessen         Plasma ist bedingt durch die kleine Wellenlänge (12 cm) nicht homogen
Generatoren lassen sich leicht reparieren