DE4228551A1 - Verfahren zur reinigenden Behandlung von Oberflächen mit einem Niederdruckplasma - Google Patents
Verfahren zur reinigenden Behandlung von Oberflächen mit einem NiederdruckplasmaInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur reinigenden Behand
lung von Oberflächen mit einem Niederdruckplasma das aus
einer Basisgasmischung bei Drücken unterhalb 100 mbar erzeugt
wird.
Zur effizienten Reinigung von Materialoberflächen aller Art
(metallisch, Kunststoff, Glas . . .) sind z. B. naßchemische und
Halogen-Kohlenwasserstoff-chemische Verfahren bekannt. Aus
Umweltschutzgründen - da einerseits mit Ölen und Fetten ver
schmutzte Abwässer und Abgase auftreten und andererseits die
bekannte, ozonzerstörende und den Treibhauseffekt fördernde
Wirkung von FKW′s und FCKW′s gegeben ist - besteht jedoch
zunehmend das Bedürfnis, diese Oberflächenreinigungsverfahren
durch umweltfreundlichere Verfahren zu ersetzen. Eine prinzi
pielle Möglichkeit hierzu scheint die Behandlung oder Beauf
schlagung von Werkstücken mit Niederdruckplasmen zu sein, da
dabei oberflächenreinigende Effekte auftreten. Unter Plasma
ist ein unter anderem Ionen, Radikale, Elektronen und Photo
nen enthaltender Zustand eines Gases zu verstehen, der bei
spielsweise durch Niederdruckbedingungen - Druck <100 mbar -
und Energiezufuhr - z. B. Mikrowellen - erzeugbar ist. Die
reinigende Wirkung des Plasmas beruht auf der Auslösung und
Unterstützung von chemischen Reaktionen sowie auf der mecha
nischen Initiierung der Ablösung von Teilchen vom Werkstück.
Auf dem Fachgebiet des Lötens von bestückten Leiterplatten
ist diese Problematik in der DE-PS 39 36 955 angesprochen.
Ein Problem bei der Reinigung mit Plasmen besteht jedoch
darin, daß oft unterschiedlichste Verunreinigungen - bei
spielsweise adhesiv gebundene Fett schichten einerseits und
chemisch gebundene Oxide andererseits - von einem zu reini
genden Werkstück zu entfernen sind. Dazu werden bekannter
maßen aus einem Basisgas gebildete Plasmen, z. B. aus O2
oder CF4 gebildete Plasmen, angewendet. Bekannt und gängig
ist auch der Einsatz von Plasmagasmischungen aus O2 und
CF4. Oft, und gerade bei "gemischt" verunreinigten Werk
stücken, treten jedoch mit diesen Plasmen unbefriedigende
Reinigungsergebnisse auf.
Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung besteht
daher darin, ein hochwirksames, gerade auch gemischte
Verunreinigungen entfernendes, Plasmareinigungsverfahren
anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
Plasma für die Reinigungsbehandlung, ausgehend von einer
Basisgasmischung bestehend aus
0.5 bis 25 Vol-% O2,
80 bis 0.5 Vol-% H2,
10 bis 65 Vol-% eines oder mehrerer Halogen Kohlenwasserstoffe (HKW′s) oder auch SF6 und
0 bis 40 Vol-% Ar, N2, oder He
80 bis 0.5 Vol-% H2,
10 bis 65 Vol-% eines oder mehrerer Halogen Kohlenwasserstoffe (HKW′s) oder auch SF6 und
0 bis 40 Vol-% Ar, N2, oder He
erzeugt wird, wobei das Plasma in einem Verfahrensschritt
gleichzeitig eine Oxidations- und Reduktionswirkung entfal
tet. Bevorzugte Basisgasmischungen hierzu sind in Anspruch 2
angegeben.
Die vorgeschlagenen Gasmischungen, die ein Hauptelement der
vorliegenden Erfindung darstellen, weisen eine besonders
günstige Kombination von Wirkungen auf. So sorgt der vorge
sehene Sauerstoffanteil für den Abbau von Stoffen, die durch
Oxidation (kalte Oxidation) entfernbar sind. Beispielsweise
betrifft dies fettige oder ölige Rückstände, wie sie häufig in
Produktionsabläufen auf Werkstücken abgelagert werden. Teil
weise gleiche Wirkungsrichtung, also eine eine chemische
Reaktion auslösende und/oder unterstützende Wirkung, besitzen
auch die HKW- oder SF6-Anteile im beschriebenen Basisgas, da
im Plasma hieraus hochreaktive Radikale entstehen, die mit
verschiedensten Verunreinigungen, insbesondere auch mit lang
kettigen Kohlenwasserstoffen, reagieren können. Andererseits
ist bei diesen Verbindungen aufgrund der relativ großen Masse
der Moleküle auch ein Abreinigungseffekt allein durch mecha
nische Stöße gegeben. Diesen mechanischen Wirkmechanismus
weisen auch die optionsweise zumischbaren Inertgase auf, wobei
zusätzlich zum Teil auch durch Lichtemissionen (UV-Photonen
insbesondere von Ar) bedingte Wirkungen vorhanden sind. Zum
anderen Stabilisieren die Inertgase ein aktiviertes, brennen
des Plasma in seiner Wirkung. Schließlich bewirkt die Wasser
stoffkomponente einen Hauptteil der reduzierenden Fähigkeit
des erfindungsgemäßen Plasmas, trägt also hauptverantwortlich
zur Beseitigung eventuell vorhandener Oxidschichten bei.
Insgesamt werden daher mit dem beschriebenen Basisgas in den
verschiedensten Anwendungsfällen gute Reinigungsergebnisse
erzielt, wobei darüber hinaus - aufgrund der niedrigen Gesamt
flußmengen an Gas bei diesem Verfahren - nur geringste Mengen
an umweltschädigend zu bewertenden Verbindungen umgesetzt bzw.
freigesetzt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird ein auf den jeweiligen Anwendungsfall zuge
schnittenes Basisgas innerhalb der vorgegebenen Grenzen
festgelegt und vor Ort aus den betreffenden Komponenten
gemischt. Die Festlegung der Mischung des Basisgases und in
der Konsequenz dessen Fähigkeit zu reduzieren oder zu oxidie
ren hängt im wesentlichsten von der Art der zu entfernenden
Verunreinigung ab. Ist z. B. ein Werkstück bekanntermaßen er
heblich mit Oxiden belegt,so ist eine starke Reduktionswirkung
des Plasmas basierend auf hohen Wasserstoffanteilen im Basis
gas einzustellen, sind jedoch überwiegend adhäsiv gebundene,
ölartige Verunreinigungen zu entfernen, so ist der Schwerpunkt
der Plasmawirkung auf chemisch-mechanische Wirkung zu legen,
was durch hohe O2 und HKW-Anteile (oder SF6-Anteile) zu
bewerkstelligen ist.
Erfindungsgemäß angewandte Halogenkohlenwasserstoffe (HKW′s)
sind beispielsweise CF4, HCF3 oder H2C2F4.
In einer weiteren Variante der Erfindung wird das Basisgas
auch im Verlaufe einer Behandlung noch in seiner Zusammen
setzung variiert und so z. B. zunächst verstärkt ein Abtrag von
fettig-öligen Schichten bewirkt (Oxidation) während in späte
ren Behandlungsphasen durch Erhöhung der Reduktionsfähigkeit
die Oxidentfernung forciert wird.
Eine vorteilhafte Grundvariante der Erfindung besteht jedoch
darin, daß das Basisgas als fertig gemischtes Liefergas zur
Verfügung gestellt und angewandt wird. Dabei sind vor Ort
keine komplizierten Gasmischsysteme und Prozeßkontrollen
vorzusehen.
Die Anwendung des Verfahrens richtet sich vorwiegend auf zu
reinigende Werkstücke oder Werkstückteile aus verschiedensten
Reinmetallen oder Legierungen, beispielsweise aus Stahl,
Messing, Kupfer, Bronze, Aluminium etc.
Anhand der Figur wird die Erfindung im folgenden beispielhaft
näher erläutert.
Die Figur zeigt einen Anlagenaufbau für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens mit Mischmöglichkeit vor Ort.
Eine Behandlungskammer 1, welche mit einem mit zu behandeln
den Teilen zu befüllenden Werkstückkorb 2 ausgestattet ist,
steht auf der einen Seite mit einer Gasversorgung über eine
Gasleitung 3 in Verbindung. Die Gasversorgung besteht im
einzelnen aus drei Gasspeicherbehältern 5, 6, 7, die mit
einem Gasmischer 8 verbunden sind, an den sich wiederum die
Gasleitung 3 anschließt. Die Gasspeicherbehälter enthalten die
für die Erfindung wesentlichen Gase, nämlich Sauerstoff,
Wasserstoff und Tetrafluormethan. Optionsweise kann hier ein
weiterer Speicherbehälter mit Inertgas zusätzlich vorgesehen
werden. Auf der anderen Seite ist die Behandlungskammer 1 an
eine Pumpe 11 angeschlossen, die für die Erzeugung des für die
Plasmareinigung erforderlichen Niederdrucks sowie generell für
die Absaugung von Abgasen zuständig ist.
Ausgangsseitig kann die Pumpe 11 zusätzlich an eine Abgas
reinigungseinrichtung 12, z. B. einen Aktivkohlefilter ange
schlossen sein. Dies ist jedoch nach heute geltenden, gesetz
lichen Vorschriften aufgrund der nur geringen, auftretenden
Gas- und Schadstoffmengen in aller Regel nicht erforderlich.
Die schädlichen Bestandteile der Abgase bestehen einerseits
aus von den Werkstücken abgereinigten Stoffen und anderer
seits aus den Halogenkohlenwasserstoffen des Basisgases und
deren im Prozeß entstehende Reaktionsprodukte. In der Behand
lungskammer 1 der Anlage ist schließlich noch eine Energie
quelle für die Plasmabildung, beispielsweise ein Hochfrequenz
wellengenerator 4, angeordnet.
Der Betrieb der gezeigten Anlage ist nun wie folgt:
Für die Durchführung einer entsprechenden Reinigungsbehand
lung ist zunächst eine geeignete Basisgasmischung festzulegen
- in jedem Falle jedoch besitzt diese entsprechend erfin
dungsgemäßer Auslegung sowohl reduzierende wie auch oxidie
rende Wirkung. Für die weitere Bestimmung ist dann zunächst
die Art des zu reinigenden Werkstücks - Metall, Metallsorte,
eventuell auch Kunststoff, Keramik oder Glas - sowie dessen
Verschmutzung - Kohlenwasserstoffverbindungen, Fette, Öle -
Oxidschichten - näher zu definieren. Davon ausgehend erfolgt
die engere Festlegung der geeigneten Basisgasmischung, wobei
die wesentlichen Überlegungen für die letztendliche Fest
legung im folgenden kurz dargestellt sind:
Weist die zu reinigende Oberfläche einen hohen Verschmut
zungsgrad an Kohlenstoffverbindungen auf, so ist eine Basis
gasmischung - im Rahmen der vorgegebenen Grenzen - mit relativ
hohem Sauerstoffgehalt und relativ hohem Gehalt eines Halogen
kohlenwasserstoffs anzuwenden, da insbesondere bei dieser
Gewichtung der Anteile die besagten Verschmutzungen effizient
entfernt werden. Eine Beispielmischung hierfür besteht in
einer
15% O2, 60% CF4, 5% H2 und 20% Ar
enthaltenden Mischung. Ist dagegen im wesentlichen eine Oxid
schicht von einem Werkstück zu entfernen, so ist vor allem der
reduzierend wirkende Wasserstoffanteil der Basisgas
mischung zu betonen. Eine Basisgasmischung für diese Ziel
richtung besteht bespielsweise aus
1% O2, 20% CF4, 70% H2 und 9% Ar.
Beispielhaft soll nun die Reinigung von überwiegend fettig und
ölig verschmutzten, aber auch von Oxiden zu befreienden, aus
Kupfer bestehenden Schaltkontakten beschrieben werden.
Diese relativ kleinen Werkstücke werden in großer Stückzahl
in die in der Figur gezeigte Behandlungskammer 1 und den
gezeigten Teilekorb 2 eingebracht. Nach Verschließen der
Kammer 1 erfolgt die Evakuierung der Kammer mit der Absaug
pumpe 11. Das Abpumpen der Luftatmosphäre erfolgt dabei zu
nächst so lange, bis ein unterer Grenzdruckwert von etwa 0.5
mbar erreicht ist. Darauffolgend wird die Zufuhr einer aus
10% O2, 55% CF4 und 35% H2
enthaltenden Basisgasmischung über die Leitung 3 kommend, vom
Gasmischer 8 und den zugehörigen Gasspeichern 5, 6, 7, einge
schaltet. In der jetzt folgenden Behandlungsphase ist ein Gas
zufuhr-Gasabfuhr-Gleichgewicht derart einzuhalten, daß ein
Druckniveau von etwa 0.5 bis 2 mbar in der Behandlungskammer
aufrecht erhalten wird. Dabei ist Hochfrequenzwellensender 4
in Betrieb zu nehmen und mit geeigneter Energie zu betreiben.
Geeignete Werte bei einem Behandlungskammervolumen von ca. 40
bis 60 1 sind etwa 500 bis 1000 W bei einer Frequenz von etwa
500 bis 1000 MHz. Die Gasmischung wird dabei über in der
Zeichnung nicht gezeigte Einstellglieder beim Gasmischer 8
eingestellt und über eine Mengenregler in der Gasleitung 3 der
Behandlungskammer 1 zugeführt. Zufuhrmenge und Pump
leistung sind dabei entsprechend einer günstigen Durchfluß
menge und entsprechende den erforderlichen Druckverhältnissen
einzustellen, wobei im vorliegenden Fall etwa 20 bis 60
Normalliter Gas pro Stunde (Litermenge bezogen auf Normalbe
dingungen hinsichtlich Druck und Temperatur) zugeführt wer
den. Mit diesen Maßgaben wird eine hochwertige Reinigung des
besagten Behandlungsgutes erzielt.
Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, daß eine Viel
zahl von Materialien und Gegenständen mit dem beschriebenen
Verfahren gegebenenfalls unter Hinzunahme von vorausgehenden
oder nachgeordneten Schritten und unter Einhaltung hoher
Ansprüche an den Umweltschutz vorteilhaft gereinigt werden
kann. Dies wird insbesondere durch die an verschiedenste
Anspruchsprofile anpaßbare Basisgasmischung gewährleistet.
Claims (6)
1. Verfahren zur reinigenden Behandlung von Oberflächen mit
einem Niederdruckplasma, das aus einer Basisgasmischung
bei Drücken unterhalb 100 mbar erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Plasma für die Reinigungsbehandlung ausgehend von
einer Basisgasmischung bestehend aus
0.5 bis 25 Vol-% O2,
80 bis 0.5 Vol-% H2,
10 bis 65 Vol-% eines Halogenkohlenwasserstoffs oder SF6 und
0 bis 40 Vol-% Ar, N2 oder Heerzeugt wird, wobei dieses Plasma gleichzeitig eine Oxidations- und eine Reduktionswirkung entfaltet.
80 bis 0.5 Vol-% H2,
10 bis 65 Vol-% eines Halogenkohlenwasserstoffs oder SF6 und
0 bis 40 Vol-% Ar, N2 oder Heerzeugt wird, wobei dieses Plasma gleichzeitig eine Oxidations- und eine Reduktionswirkung entfaltet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Plasma für die Reinigungsbehandlung ausgehend von einer
Basisgasmischung bestehend aus
0.5 bis 15 Vol-% O2,
70 bis 5 Vol-% H2,
20 bis 60 Vol-% eines Halogenkohlenwasserstoffs oder SF6 und
0 bis 25 Vol-% Ar, N2 oder Heerzeugt wird.
70 bis 5 Vol-% H2,
20 bis 60 Vol-% eines Halogenkohlenwasserstoffs oder SF6 und
0 bis 25 Vol-% Ar, N2 oder Heerzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein auf einen jeweiligen Anwendungsfall zugeschnit
tenes Basisgas ermittelt und vor Ort aus den besagten
Komponenten gemischt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Basisgas im Laufe einer Behandlung
variiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Basisgas als Fertiggemisch bereitgestellt wird.
6. Anwendung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 auf
Werkstücke aus verschiedensten Reinmetallen oder
Legierungen, beispielsweise aus Stahl, Messing, Kupfer,
Bronze, Aluminium etc.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19924228551 DE4228551C2 (de) | 1992-08-27 | 1992-08-27 | Verfahren und Anwendung des Verfahrens zur reinigenden Behandlung von Oberflächen mit einem Niederdruckplasma |
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