Reinigen mit Plasma

Zum besseren Kleben, Bedrucken, Lackieren, Bonden, ...

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Auf allen Oberflächen befinden sich immer feinste, mit dem Auge nicht sichtbare Verschmutzungen. Die Entfernung dieser Verschmutzungen ist fast immer Voraussetzung für eine einwandfreie weitere Bearbeitung der Oberfläche durch Verfahren wie:

Kleben | Bedrucken | Lackieren | Bonden | Beschichten | Ätzen

Die Plasmatechnik bietet Lösungen für jede Art der Verschmutzung, für jedes Substrat und für jede Nachbehandlung. Dabei werden auch molekulare Verschmutzungsreste abgebaut. Für die verschiedenen Anforderungen im Einzelfall gibt es verschiedene Reinigungsmethoden.

Plasmareinigung hat gegenüber anderen Reinigungsverfahren einzigartige Vorteile

✓ Reinigung auch in feinsten Spalten und Zwischenräumen
✓ Reinigung aller Bauteiloberflächen in einem Arbeitsschritt auch auf der Innenseite von Hohlkörpern
✓ Rückstandsfreie Entfernung von Abbauprodukten durch die Vakuum Absaugung
✓ Keine Schädigung lösungsmittelempfindlicher Oberflächen durch chemische Reinigungsmittel

✓ Entfernung auch molekular feiner Rückstände
✓ Sofortige Weiterbearbeitung möglich. Kein Ablüften und Entfernung von Lösungsmitteln
✓ Keine Lagerhaltung und Entsorgung gefährlicher, umwelt- und gesundheitsschädlicher Reinigungsmittel
✓ Sehr geringe Prozesskosten

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.

Bei der Kupferoxid-Reduzierung werden Kupferoxide einem Wasserstoffgasgemisch-Plasma ausgesetzt und somit werden die Oxide chemisch reduziert und es entsteht Wasserdampf.

1. Entfernung von Kohlenwasserstoffen im Sauerstoffplasma

Microreinigen - Entfetten im Sauerstoffplasma

Auf nahezu allen Oberflächen befinden sich Kohlenwasserstoffe als Rückstände von Fetten, Ölen oder Trennmitteln. Diese Schichten reduzieren drastisch die Haftung anderer Materialien bei einer späteren Weiterbehandlung der Oberfläche. Deshalb ist eine chemische Entfernung von Kohlenwasserstoffen im Sauerstoffplasma eine Standardbehandlung vor jeder Lackierung, Bedruckung oder Verklebung.

Die Plasmareaktionen bei diesem Reinigungsprozess sind als Beispiel im Bereich "Kleine Plasmaphysik" dargestellt.

Es wirken Ionen, Radikale, und UV-Strahlung gemeinsam. Hochenergetische UV-Strahlung spaltet Makromoleküle. Sauerstoffradikale, Ionen und abgespaltene Wasserstoffradikale besetzen freie Kettenenden der Polymerketten zu H2O und CO2

Die Abbauprodukte der Kohlenwasserstoffe sind im Niederdruckplasma gasförmig und werden abgesaugt.

Auf polymeren Oberflächen startet parallel zum Abbau der Oberflächenverschmutzung eine Aktivierung durch Sauerstoffradikale. Diese Aktivierung ist bei unpolaren Kunststoffen Voraussetzung für einwandfreie Haftung. Detail siehe Aktivieren von Werkstoffen.

Öle, Fette oder Trennmittel die Additive enthalten, können im Sauerstoffplasma nicht immer rückstandsfrei entfernt werden. Es können sich am Substrat anhaftende feste Oxide bilden. Diese können, falls erforderlich, in nachgeschalteten zusätzlichen Reinigungsprozessen gereinigt werden.

Die Reinigung im Sauerstoffplasma funktioniert praktisch auf allen Materialien. Oft kann statt Sauerstoff auch gereinigte trockene Luft verwendet werden. Die Entfernung von Kohlenwasserstoffen ist deshalb sowohl im Niederdruckplasma als auch im Atmosphärendruckplasma durchzuführen.

2. Mechanische Reinigung durch Microsandstrahlen

Argon-Plasma

Ein besonders einfaches Plasma ist ein Edelgasplasma. Es besteht nur aus Ionen, Elektronen und Edelgasatomen. Da das Gas immer atomar ist, gibt es keine Radikale und da Edelgase nicht chemisch reagieren auch keine Reaktionsprodukte. Aufgrund der kinetischen Energie der schweren Ionen ist Argon-Plasma trotzdem aktiv.

Reinigung

Durch die kinetische Energie aufschlagender Ionen werden Atome und Moleküle der Beschichtung weggeschlagen, sodass diese zunehmend abgebaut wird.

Die Behandlung wirkt nahezu auf allen Oberflächen, also bei jeder Art von Verschmutzung. Durch Mikrosandstrahlen lassen sich so auch nahezu alle Verschmutzungen entfernen, die dem chemischen Angriff widerstehen.

Da die positiv geladenen Ionen auf eine negativ geladene Elektrode beschleunigt werden, erfolgt die Plasmaanregung in einem Parallelplattenreaktor.

Strukturieren - physikalisches Ätzen

Nicht nur aus einer Oberflächenschicht, sondern aus dem Substratmaterial selbst schlagen energiereiche Ionen Bruchstücke heraus. Dadurch kommt es in molekularem Maßstab zu einem zunehmenden Strukturieren und aufrauen der Oberfläche. Wie beim Sandstrahlen oder Anschleifen führt dies zu einer Oberflächenvergrößerung - eventuell auch zu Hinterschneidungen - welche die Haftung für anschließend aufgebrachte Schichten erhöht.

Im Gegensatz zu chemischen Ätzeffekten im Niederdruckplasma wirkt Mikrosandstrahlen nicht isotrop, also gleichmäßig auf alle Oberflächen eines Bauteils, sondern hauptsächlich in Richtung des elektrischen Feldes, weil die Ionen in dieser Richtung beschleunigt werden.

3. Reduktion von Oxidschichten

Oxidschichten befinden sich auf vielen Oberflächen. Nur wenige Metalle neigen nach langer Lagerung nicht zur Oxidbildung. Auf vielen Metallen bilden sich Oxidschichten gerade bei der Plasmareinigung im Sauerstoffplasma. Dabei stören Oxidschichten bei allen Schritten der Nachbearbeitung: 

  • Haftung elektrischer Kontakte beim Bonden, Löten
  • Schlechter elektrischer Kontakt
  • Schlechte Haftung beim Kleben, Lackieren

Auch auf Nichtmetallen befinden sich oft feste oxidierte Ablagerungen, die sich bisweilen erst durch die Reinigung im Sauerstoffplasma gebildete haben. Oxidschichten widersetzen sich oft jedem Angriff durch herkömmliche Lösungsmittel. Selbst mechanisch ist ihnen aufgrund ihrer großen Härte oft schwer beizukommen. Sie werden im Wasserstoffplasma durch Reduktion entfernt.

Oxidation

Im Sauerstoff- oder Luftplasma werden auch gezielt extrem dünne nur wenige Atomlagen dicke Metallschichten oxidiert. Diese unsichtbaren Schichten härten und schützen das Metall vor chemischem und mechanischem Angriff und vor weiterer Oxidation. Sie sichern eine dauerhaft metallisch glänzende Oberfläche.

Die Oberflächenoxidation wird oft im Atmosphärendruckplasma durchgeführt. 

Da von einer Oberfläche oft auch verschiedenartige Verschmutzungen abgetragen werden müssen, werden unterschiedliche Reinigungsprozesse nacheinander angewandt, wie:

1. Entfernung von Trennmitteln (Kohlenwasserstoffen) im Sauerstoffplasma
2. Mikromechanische Feinstreinigung durch Mikrosandstrahlen im Argon-Plasma

oder:

1. Entfettung im Sauerstoffplasma
2. Reduktion von Oxidschichten im Wasserstoffplasma

Andererseits wird an die Sauerstoffreinigung unmittelbar eine Aktivierung unpolarer Oberflächen durch Sauerstoffradikale angeschlossen, indem der Prozess nach der Reinigung längere Zeit fortgesetzt wird. Details siehe Aktivieren von Werkstoffen und bei noch längerer Einwirkung nachgeschaltetes Ätzen von Werkstoffen.

    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.

    Häufige Fragen

    Wie funktioniert die Plasmareinigung von Metallen?

    Manche Behandlungsgüter sind mit FettenÖlenWachsenSilikonen (nicht LABS-frei - LABS=LAck Beschichtung Störendeund 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.
    • Durch den Unterdruck und die oberflächliche Aufheizung beim Niederdruckplasma verdampfen die Verunreinigungen zum Teil. Beim Atmosphärendruckplasma werden diese 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 absaugen/wegtransportieren.
    • 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, daher wird das Tragen von Handschuhen empfohlen.

    2. Reduktion von Oxiden

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

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

     

    Wie funktioniert die 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, beim Atmosphärendruckplasma wird üblicherweise trockene und ölfreie Druckluft verwendet. Die Plasmabehandlung kann wiederholt werden und es entstehen keine giftigen Abgase.

    Das Prinzip entspricht der Plasmareinigung von Metallen.

    Wie funktioniert die 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 bzw. Druckluft beim Atmosphärendruckplasma.

    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.

    Ist ein Gewichtsverlust messbar? (Niederdruckplasma)

    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.

    Ist der Plasmastrahl/Aktivgasstrahl potentialfrei? (Atmosphärendruckplasma)

    Ja, der Aktivgasstrahl des PlasmaBeam besitzt kein oder nur ein sehr geringes elektrisches Potential. Deshalb werden PlasmaBeamsoft 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.

    Welche Abgase können bei der Plasmareinigung entstehen? (Atmosphärendruckplasma)

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

    Wie breit ist die Behandlung mit dem PlasmaBeam? (Atmosphärendruckplasma)

    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.

    Welche Behandlungsgeschwindigkeiten können erreicht werden? (Atmosphärendruckplasma)

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

    Wie hoch ist Strahltemperatur? (Atmosphärendruckplasma)

    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).

    Wie hoch ist die Lebensdauer der Plasmareinigung mittels atmosphärischem Plasma? (Atmosphärendruckplasma)

    Hier können leider keine allgemein gültigen sicheren Zahlen genannt werden. Die Lebensdauer hängt von LagerungsbedingungenBehandlungsparametern 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.

    Welche Hauptvorteile bringt uns die Behandlung mit Atmosphärendruckplasma? (Atmosphärendruckplasma)

    Die PlasmaBeam Technik ist für Inline 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 mithilfe 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.

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