Технологии в электронной промышленности №8'2007

Технология и оборудование ультразвуковой очистки изделий электроники

Владимир Ланин

Владимир Томаль


Экологические проблемы в электронике вызвали повышенный интерес к процессам и устройствам ультразвуковой очистки электронных и электронно-оптических изделий. Для удаления стойких загрязнений с поверхностей изделий необходимо создать направленные акустические течения в жидкой среде и обеспечить равномерность кавитационного поля в ультразвуковой ванне.


Экологические проблемы очистки

Анализ причин отказов изделий электроники показывает, что их четвертая часть приходится на долю плохого качества очистки поверхностей [1]. Моющими веществами в электронике всегда были органические растворители. Ручная очистка приводила к значительному количеству брака, травматизму, выбросам паров растворителей в атмосферу и загрязнению окружающей среды. Общеизвестен основной недостаток спиртов: их пожаро- и взрывоопасность. Хлорированные углеводороды токсичны, обладают канцерогенным и мутагенным действием, образуют смог и требуют утилизации отходов методом захоронения. Хладоны разрушают озоновый слой и усиливают парниковый эффект. Поэтому актуальна проблема создания новых безопасных моющих композиций, экологически безопасных технологических процессов и оборудования для очистки изделий.

Альтернатива органическим растворителям и хладонам — это ультразвуковая (УЗ) очистка в водных растворах поверхностно активных веществ (ПАВ). Воздействие УЗ-полей на жидкие среды вызывает в них процессы кавитации, а также макро- и микропотоки в объеме жидкости, прилегающей к излучаемой поверхности ванны. Захлопывание кавитационных газовых полостей сопровождается образованием ударных микроволн, давления в которых могут достигать (1–5)·108 Па. Такие микроудары разрушают не только оксидные пленки и загрязнения на обрабатываемой поверхности изделий, но и в определенной степени изменяют морфологию поверхности [2]. Возникающие микро- и макропотоки способствуют удалению загрязнений и ускорению процесса очистки микрорельефных поверхностей. Обусловленные кавитацией динамические и тепловые эффекты интенсифицируют процесс удаления загрязнений с поверхностей деталей и изделий под действием УЗ-поля. Использование рабочих частот в диапазоне 80–120 кГц обеспечивает неразрушающую очистку и удаление загрязнений размером до 1 мкм с микрорельефных поверхностей [3].

Основным преимуществом УЗ-очистки перед другими известными методами удаления загрязнений является высокая производительность, сочетающаяся с хорошим качеством очистки изделий от любых поверхностных пленок. Развитие технологии УЗ-очистки и обезжиривания поверхностей изделий за последние десятилетия показало, что наиболее производителен групповой способ обработки мелких изделий, уложенных в кассеты или корзины. Для обеспечения высокого качества очистки необходимо создать направленные акустические течения и обеспечить равномерность распределения интенсивности УЗ-поля в объеме жидкости.

Процессы и установки ультразвуковой очистки

Разрушение поверхностных пленок загрязнений в жидкости происходит в результате кавитации и направленных акустических течений, причем основной вклад дает кавитация. В связи с этим обоснована необходимость обеспечения равномерности кавитационной области. Однако распределение кавитационных пузырьков в этой области в большинстве случаев неравномерно. В жидкой среде количество таких пузырьков существенно превышает число их зародышей. Вокруг захлопывающегося пузырька идет процесс размножения зародышей, в результате чего появляются скопления пузырьков той или иной формы. Наличие таких скоплений существенно нарушает равномерность распределения пузырьков: в скоплениях число их велико, а в пространстве между скоплениями мало. В жидкой среде можно наблюдать скопления кавитационных пузырьков, имеющих форму макропотока, исходящего из одной точки. Конфигурация макропотока существенно меняется при незначительном изменении рабочей частоты, что связано с интерференционной структурой ближнего поля излучателя.

Таким образом, существует проблема получения в технологическом объеме ванн очистки равномерной кавитационной области. В часто используемых конструкциях дном ванны служит излучающая диафрагма магнитострикционного преобразователя типа ПМС-6-22. Распределение акустического давления, создаваемого такими системами, крайне неравномерно — до 50%. В центре ванны над диафрагмой давление принимает максимальное значение и уменьшается к краю мембраны. Иногда для обеспечения равномерности УЗ-поля на большой площади используют изгибно-колеблющуюся диафрагму, возбуждаемую системой распределенных магнитострикционных преобразователей, припаянных попарно в пучностях изгибных колебаний пластины. Такую конструкцию имеет преобразователь ПМС-38. Однако распределение акустического давления в жидкой среде над такой системой имеет максимумы и минимумы, а сборка и настройка таких систем чрезвычайно сложна.

При УЗ-очистке электронных и оптико-электронных изделий основным требованием, предъявляемым к УЗ-технологическим системам, является высокая равномерность воздействия УЗ-колебаний на изделия. Поэтому для возбуждения УЗ-колебаний используют различное число пакетных пьезоэлектрических преобразователей (ППП) мощностью 50–100 Вт, закрепленных на боковых стенках и днище ванны в определенном порядке, с параллельным их подключением к генератору [4]. В этом случае эффективность и устойчивость работы преобразователей зависит от ширины полосы преобразования, поскольку в большей степени перекрываются АЧХ отдельных преобразователей, что позволяет скомпенсировать неизбежный разброс их собственных резонансных частот.

По сравнению с линейным расположением ППП более перспективна модульная система распределенных ППП, установленных в шахматном порядке таким образом, что если мысленно провести прямые через их центры, то образуется решетка треугольной структуры с длиной стороны, кратной

где n — 1, 2, 3...; λ — длина УЗ-волны в жидкой среде [5] (рис. 1). Такое расположение преобразователей создает равномерное по площади УЗ-поле при трехфазном возбуждении за счет суперпозиции волн, излучаемых ППП, которые подключены к разным каналам УЗ-генератора.

Расположение ППП (А, В, С — преобразователи, подключенные к каналам А, В и С УЗ-генератора)

Расстояние между центрами в группе кратно длине волны λ распространяющихся в жидкости УЗ-волн. ППП в каждой группе электрически соединены параллельно и подключены к соответствующим каналам А, В или С модульного УЗ-генератора (рис. 2).

Схема модульного УЗ-генератора

Канал представляет собой транзисторный автогенератор, выполненный по полумостовой схеме с индуктивной обратной связью по току, работающий в ключевом режиме. Блок питания каждого канала собран по двухполупериодной схеме выпрямления без фильтрации, за счет чего осуществляется амплитудная и частотная модуляция выходного сигнала частотой 100 Гц. При этом выходной сигнал канала представляет собой сумму трех гармонических колебаний с основной частотой ω и боковыми частотами (ω + 100) и (ω – 100) Гц. Поскольку автогенераторы питаются пульсирующим напряжением, то наблюдается эффект периодического качания частоты, что дополнительно способствует усреднению ближнего поля в результате периодического изменения интерференционной картины. Полные входные сопротивления групп преобразователей образуют вместе с компенсирующими индуктивностями резонансные контуры, определяющие рабочую частоту соответствующих каналов генератора. В связи с этим все изменения технологических условий (температуры и состава раствора), а также внесение кассеты с деталями в ванну приводят к изменению полного входного сопротивления преобразователя, а значит, и к изменению частоты генерируемых колебаний.

Выпрямители блоков питания каналов через понижающие трансформаторы подключены к соответствующим фазам трехфазной сети переменного тока, в результате чего сигналы на выходе каналов сдвинуты по фазе на 120°, а на преобразователи поступают группы импульсов УЗ-колебаний, сдвинутые по фазе на тот же угол (рис. 3). Область наибольшего акустического давления, соответствующая максимальному напряжению на преобразователе, последовательно перемещается от преобразователя А к В и от В к С (или наоборот при перефазировке каналов) в каждой группе. В результате возникают направленные потоки жидкости из зоны большего акустического давления в зону меньшего давления.

Форма выходного сигнала каналов А, В, С

Так как движение областей происходит со сравнительно низкой частотой (100 Гц), то в жидкой среде с определенной вязкостью возникают вихревые макропотоки, которые наряду с микропотоками, возникающими в вязком пограничном слое вблизи препятствий, интенсифицируют процессы массопереноса и растворения загрязнений.

УЗ-установки для процессов удаления загрязнений включают различные по конструкции ванны, которые используют для очистки как в непроточных средах на основе водных растворов ПАВ, так и в проточной воде. Ванны для очистки в проточных (рис. 4а) и непроточных и моющих средах (рис. 4б) отличаются тем, что первые оснащены переливным карманом. Для повышения эффективности обмена моющей среды в рабочем объеме ванны подачу свежих порций раствора необходимо осуществлять противотоком сверху и снизу ванны через ряд отверстий небольшого диаметра (3–6 мм). Верхний ряд отверстий должен быть затоплен на глубину h = 8–15 мм. Такая конструкция ванны для очистки в проточной среде обладает большой равномерностью распределения кавитационного давления, поскольку моющие потоки имеют практически ламинарный характер.

Конструкции УЗ-ванн

Емкость ванн выбирается в зависимости от габаритных размеров обрабатываемой детали или при групповой очистке в зависимости от заданной производительности установки и необходимого времени очистки в каждой ванне. Основное требование, которое необходимо выполнять для обеспечения равномерного воздействия УЗ-колебаний на объект очисткикратность линейных размеров ванны в поперечном сечении λ/2 (оптимальная высота уровня моющей среды кратна λ).

Ответственный момент при проектировании УЗ-ванн — выбор способа крепления ППП к ванне, так как это определяет долговечность ванны и эффективность ее работы. ППП могут быть закреплены на стенках ванны с помощью эпоксидного компаунда (рис. 5а), механически (рис. 5б), сваркой (рис. 5в), а также комбинированным способом (рис. 5г). Наиболее технологичен комбинированный способ, который не создает зон скопления загрязнений и обеспечивает наиболее полную передачу УЗ-колебаний в моющую среду. Поскольку в этом случае стягивающая шпилька приварена к стенке ванны, клеевой шов механически разгружен.

Способы крепления ППП

Стенки ванн, на которых установлены преобразователи, могут совершать изгибные колебания, нарушающие равномерность распределения энергетических характеристик акустического поля. Из теории акустического поля, которое создают изгибно-колеблющиеся упругие пластины, известно, что такие пластины практически не излучают энергии, если длина изгибной волны меньше длины ультразвуковой волны в окружающей среде.

Этот феномен называется акустическим коротким замыканием, и такая пластина аналогична идеальному жесткому экрану [5]. Скорость распространения изгибных волн в пластине определяется выражением:

где Е — модуль Юнга, ρ — плотность материала пластины, G — коэффициент Пуассона, d — толщина пластины, ƒ — частота колебаний.

Тогда критерий выбора оптимальной толщины стенок ванны или погружной акустической системы будет иметь вид:

В тех случаях, когда по условиям прочности толщина стенок ванны должна быть больше dопт, преобразователи необходимо устанавливать на отдельных съемных панелях или использовать погружные акустические системы.

Как правило, УЗ-ванны изготавливают из коррозионно-стойких высоколегированных хромоникелевых сталей марок 12Х18Н10Т, Х18Н9Т или титановых сплавов марок ВТ-3, ВТ-41, которые обладают высокой химической и кавитационной стойкостью. Хромоникелевые стали обладают хорошей пластичностью при холодном деформировании и удовлетворительной свариваемостью, что облегчает качественное изготовление ванн, имеющих форму любой степени сложности. Кроме того, они значительно дешевле титановых сплавов и характеризуются большими колебательными скоростями, а это при постоянном сопротивлении излучения позволяет получать более высокие значения звукового давления в моющей среде.

Для повышения эрозионно-кавитационной стойкости ванн и эффективности преобразования электрической энергии в акустическую внутренние поверхности стенок ванн полируют, поскольку дефекты на излучающей поверхности являются стабильными центрами адгезии молекул воздуха, которые могут действовать как зародыши кавитации. Шероховатость излучающей поверхности приводит к уменьшению порогового значения колебательной скорости, при которой в моющей среде начинает развиваться кавитация, что снижает эффективность преобразования электрической энергии в акустическую и эффективность установки в целом.

УЗ-ванны фирмы Elmasonic (рис. 6) имеют объем от 82 до 180 л, подогрев жидкости — от 30 до 80 °С, мощность излучателей — от 1,8 до 3,2 кВт.

УЗ-ванны

Кавитационные поля в ультразвуковых ваннах

Для оценки интенсивности кавитации в жидких средах используют методы, основанные на сравнении параметров образцов до и после воздействия на них кавитации; регистрации температурных полей или специальной обработке возникающих акустических сигналов в зоне обработки.

С помощью тестовых образцов, закрепляя их в определенном месте рабочего объема и сохраняя время выдержки постоянным, можно количественно исследовать зависимость эрозии от свойств жидкости и параметров УЗ-поля, однако ошибка при исследовании кавитационной области составляет до 25%. Малая точность метода объясняется неоднородностью кавитационной области, изменением ее расположения в объеме жидкости и другими случайными факторами.

Оценка эрозионной активности кавитационной области значительно облегчается, если в качестве образца используют тонкую алюминиевую фольгу толщиной 0,05 мм. Эрозионную активность оценивают по степени разрушения фольги, помещаемой в УЗ-ванну параллельно поверхности излучателя на расстоянии 5–10 мм до излучателя. После испытаний фольгу высушивают на воздухе и определяют площадь разрушений емкостным методом. Недостатки метода заключаются в длительности измерений и отсутствии непрерывного контроля процесса кавитации.

Кавитационное поле в жидкостях имеет сложный спектральный состав, поскольку в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пузырьков и вызванное ими акустическое излучение проявляется в виде широкополосного шума со спектром в полосе от нескольких сотен Гц до сотен кГц. На фоне сплошного спектра кавитационного шума наблюдаются отдельные дискретные субгармонические компоненты, отражающие частотный спектр поля, что является характерным признаком кавитации и используется для регистрации ее возникновения [6].

Спектральный анализ формы сигналов путем разложения в ряд Фурье позволил выделить спектральные линии, соответствующие основной частоте воздействия, ее гармоникам, субгармоникам и ультрагармоникам колебаний полости. Помимо основной частоты и гармоник высоких частот nf0 (n =1, 2, 3, ...) в спектре содержатся серии субгармоник nf0|2, nf0|3, nf0|4 и имеет место сплошной «белый» шум, генерируемый кавитационными пузырьками различных резонансных размеров.

Для спектрального исследования кавитационного шума в диапазоне 20 кГц – 50 МГц использован анализатор спектра С4-54. В кавитационную область жидкости в УЗ-ванне погружался волноводный датчик, сигнал с которого усиливался и подавался на анализатор. Основная частота колебаний преобразователя контролировалась частотомером Ч3-34. Анализ спектрограмм показал, что максимальный прирост в кавитационном спектре при увеличении излучаемой мощности дает сплошной шум, а также субгармоники. Наибольшая спектральная плотность кавитационного шума находится в полосе частот от 20-й до 40-й гармоники основной частоты УЗ-преобразователя (рис. 7).

Спектр кавитационного шума в воде

При настройке УЗ-ванны вначале оценивают амплитуду колебаний каждого УЗ-преобразователя с помощью контактного измерителя вибраций (рис. 8а). Для оценки кавитационного давления в жидкой среде измеряют квадратичную величину уровня шумов в диапазоне его наибольшей спектральной плотности с помощью кавитометра [7], состоящего из датчика, полосового фильтра, квадратичного детектора и регистрирующего прибора.

Кавитометр (рис. 8б) измеряет кавитационные давления от 5 до 5·104 Пa в диапазоне частот 18–60 кГц с точностью ±10%. Давление в кавитационной области воспринимается металлическим щупом, соединенным с пьезоэлектрическим преобразователем. Электрический сигнал с преобразователя поступает на усилитель, расположенный в корпусе датчика и служащий для согласования высокоомной цепи преобразователя с входом прибора. Аттенюатор на входе измерительного прибора ослабляет входной сигнал с датчика при большой мощности УЗ. Полосовой фильтр, выполненный по схеме Чебышева третьего порядка, выделяет часть спектра сигнала, характерную для кавитационных импульсов. Далее сигнал через квадратичный детектор и усилитель постоянного тока подается на стрелочный прибор. Показания прибора регистрируют через 1–2 с, когда процесс кавитации принимает устойчивый характер.

Исследованы зависимости кавитационного давления от температуры среды и концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ) в растворе. С повышением температуры кавитационное давление уменьшается, поскольку повышается упругость пара в полостях и снижается их кинетическая энергия, что приводит к уменьшению интенсивности ударных волн (рис. 9). Параллельно происходит образование новых, в основном заполненных паром пузырьков, что приводит к расширению области кавитации и уменьшению неравномерности ее распределения.

Зависимости кавитационного давления от температуры моющей среды и концентрации ПАВ

Скорость уменьшения кавитационного давления по мере роста температуры моющей среды зависит от ее физико-химических свойств. Так, для чистой воды (зависимости 1 и 2) скорость изменения меньше, чем для водных растворов ПАВ (зависимости 3 и 4). ПАВ уменьшают силу поверхностного натяжения, что приводит к снижению порога кавитации, росту числа кавитационных пузырьков и, следовательно, к повышению равномерности кавитационного поля. Однако уменьшение силы поверхностного натяжения приводит к уменьшению скорости захлопывания кавитационных пузырьков и снижению микроударного действия кавитации. С ростом температуры влияние ПАВ возрастает (кривые 3 и 4).

С увеличением концентрации ПАВ их влияние усиливается, однако увеличивать ее свыше 10% нецелесообразно ввиду трудности последующего удаления. Таким образом, измеряя кавитационное давление, можно устанавливать такие режимы, при которых эффективность воздействия УЗ-колебаний и ПАВ будут оптимальными. Для УЗ-очистки оптимальная температура моющих сред на основе водных растворов ПАВ находится в пределах 50–60 °С, а концентрация ПАВ — 3–4%.

Оценена неравномерность кавитационного поля в рабочем объеме УЗ-ванны с модульным расположением излучающих систем. В качестве показателя неравномерности поля использовано среднеквадратичное отклонение кавитационного давления по площади и глубине ванны, выраженное в процентах.

Площадь ванны разбивалась на участки, в пределах которых измерялось кавитационное давление в пяти точках — в центре и по углам. Измерения проводились в зоне очистки, а также на различных расстояниях от излучателя. Детали располагались перпендикулярно площади излучения. С удалением от излучателя величина кавитационного давления уменьшается (рис. 10).

Распределение давления УЗ-поля в центре ванны в зависимости от расстояния до излучателя

Кассета с изделиями, находящаяся в ванне, уменьшает величину кавитационного давления и снижает неравномерность кавитационного поля. Неравномерность распределения кавитационного поля по площади ванны составляет в среднем 3–5%, а по глубине — 6–10%. Поскольку неравномерность поля по глубине ванны больше, чем по площади, то в установках очистки предусмотрено устройство вертикального циклического перемещения кассеты с изделиями для усреднения воздействия УЗ-поля по глубине.

Для поддержания необходимой по технологическому процессу температуры моющего раствора ванны оснащены трубчатыми электронагревательными элементами.

Автоматизированные линии ультразвуковой очистки

Разработанные УЗ-ванны применены в механизированных и роботизированных линиях очистки: УП-1, РТКП-1, РТКП-3, «Орфей», что позволило повысить производительность и улучшить условия труда, снизить потери и исключить применение пожароопасных веществ. Роботизированный технологический комплекс РТКП-1 (рис. 11) имеет следующие функциональные возможности:

Роботизированные линии УЗ-очистки
  • технологическую гибкость за счет унификации технологий очистки на основе водных растворов ПАВ с использованием органических композиций;
  • программную перенастройку основных и вспомогательных систем и возможность встраивания в гибкие производственные системы за счет автоматизации всех систем комплекса и управления ими от ПЭВМ;
  • автоматическое приготовление моющих растворов, заправку и пополнение уровней в ваннах; фильтрацию, автоматическое смешивание горячей и холодной воды до заданных технологических параметров и подачи в ванны;
  • тонкую фильтрацию, подогрев и рециркуляцию воздуха для сушки.

Применение ЭВМ позволило объединить функции аналитического контроля, обработки получаемой информации и управления процессом очистки. Особое внимание уделено удобству обслуживания оборудования и технике безопасности. Значительно сокращена численность обслуживающего персонала, устранен контакт рабочих с моющими растворами. Полностью ликвидирована возможность производственных аварий, связанных с взрыво- и пожароопасностью используемых ранее растворителей, созданы системы регенерации и повторного использования отработанных водных моющих композиций.

Отличием РТКП-3 является независимое перемещение при работающем механизме качания, что позволяет производить очистку в ваннах с разными составами и с различным временем. Комбинации модулей и легко переналаживаемая система управления роботом на микропроцессорной основе позволяют одновременно производить очистку поверхности изделий как из химически стойких, так и нестойких материалов.

Для очистки изделий малых серий разработана модульная автоматизированная линия «Орфей», особенность которой — оснащение каждого модуля независимыми системами интенсификации технологического процесса и управления, возможность эксплуатации модулей как порознь, так и в составе технологических линий, высокая производительность, низкое энергопотребление при относительно малой емкости ванн и небольших габаритах. Сравнительные характеристики линий УЗ-очистки приведены в таблице.

Таблица. Характеристики автоматизированных линий УЗ-очистки
Характеристики автоматизированных линий УЗ-очистки

Серийно выпускаемые автоматизированные линии очистки электронных и электронно-оптических изделий позволили существенно повысить производительность труда, улучшить условия труда, снизить потери и исключить применение пожароопасных веществ.

Литература

  1. Savage T. Ultrasonic cleaning in industry // Wire Industry. 2005. № 6.
  2. Fuchs F. J. The Key to Ultrasonics-Cavitation and Implosion // Precision Cleaning. 1995. № 3 (10).
  3. Кундас С. П., Ланин В. Л., Тявловский М. Д., Достанко А. П., Томаль В. С. Ультразвуковые процессы в производстве изделий электронной техники. Т. 2. Минск: Бестпринт, 2003.
  4. Томаль В. С. Ультразвуковое оборудование для процессов удаления загрязнений с микрорельефных поверхностей электроннооптических изделий // Доклады БГУИР. 2006. № 3.
  5. Ультразвуковая технология / Под ред. Б. А. Аграната. М.: Металлургия, 1984.
  6. Ilyihev V. I., Koretz V. L., Melnicov N. P. Spectral characteristics of acoustic cavitation // Ultrasonics. 1989. № 27.
  7. Ланин В. Л., Томаль В. С. Оптимизация кавитационных полей в ультразвуковых ваннах очистки // Доклады НАН Беларуси. 2007. Т. 51. № 3.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Видео маппинг
Заказать видеоинсталляцию
malbred.com
Дозиметр радиации
Спектрометры, дозиметры. Дозиметры, радиометры, системы контроля и др
fela-control.ru