超聲波清洗技術的原理與應用

摘要：許多企業在產品生產過程中采用清洗工藝提供產品質量。超聲波清洗工藝是一種洗凈效果好，價格經濟，有利于環保的清洗工藝。本論文主要從超聲波清洗原理、構造、超聲波清洗機的選用等方面做出相關論述，在此基礎上對超聲波清洗技術的發展方向進行了展望。

關鍵詞：超聲波；清洗工藝；清洗技術

前言

超聲波清洗工藝是一種洗凈效果好，價格經濟，有利于環保的清洗工藝。超聲波清洗工藝可以應用于清洗各式各樣體形大小，形狀復雜，清潔度要求高的許多工件。例如可用于清洗鐘表零件、照相機零件、油咀油泵、汽車發動機零件、精密軸承零件、齒輪、活塞環、銑刀、鋸片、寶石、醫用注射器及各種光學鏡頭等；還可以用于清洗印制板、半導體晶片及器件、顯象管內的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插頭座、焊片、電極引線等電子類產品。

1.超聲波清洗的原理

超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達到清洗目的。如圖1，圖2所示：清洗液中無數氣泡快速形成并迅速內爆，由此產生的沖擊將浸沒在清洗液中的工件內外表面的污物剝落下來。隨著超聲頻率的提高，氣泡數量增加而爆破沖擊力減弱，因此，高頻超聲特別適用于小顆粒污垢的清洗而不破壞其工件表面。由于超聲波固有的穿透力，所以可以清洗各種表面復雜，形狀特異的物件，對小孔和縫隙都有很好的清洗效果，對不吸音或吸音系數小的物體清洗效果最佳。

圖1 空化泡的擴大以及爆裂（內爆）圖2 氣泡分離污垢圖示

2.超聲波清洗機的構造

清洗液里面的氣泡是在液體中施加高頻（超聲頻率）、高強度的聲波而產生的。因此，任何超聲清洗系統都必須具備三個基本元件：盛放清洗液的槽、將電能轉化為機械能的換能器以及產生高頻電信號的超聲波發生器。

超聲波清洗槽用堅固彈性好、耐腐蝕的優質不銹鋼制成，底部安裝有超聲波換能器振子；超聲波發生器產生高頻高壓，通過電纜聯結線傳導給換能器，換能器與振動板一起產生高頻共振，從而使清洗槽中的溶劑受超聲波作用對污垢進行洗凈。

超聲波清洗設備一般可分為通用和專用兩種機型：

2.1.通用超聲波清洗機

超聲波清洗機的結構一般有超聲電源和清洗器合為一體或分開布局兩種形式，一般小功率（200W以下）清洗機用一體式結構，而大功率清洗機采用分體式結構。

2.2.專用超聲波清洗機

一般安裝在某些特定物件清洗的生產流水線上。

3.超聲波清洗機的選用

隨著科技的進步，精密清洗的工件越來越精細，清潔度要求也越來越高。在精密清洗的應用上（如線路板、二極管、液晶體、半導體等）使用傳統的頻率（20～30KHz），我們會發現不但沒法達到清洗的要求，而且還可能造成工件的損傷。

在購買清洗系統之前，應對被清洗件做如下應用分析：

3.1.清洗方法和清洗液類型的確定

明確被洗件的材料構成、結構和數量，分析并明確要清除的污物，這些都是決定所要使用什么樣的清洗方法，判斷應用水性清洗液還是用溶劑的先決條件。選擇清洗液時，應考慮以下三個因素：

3.1.1.清洗效率：選擇最有效的清洗溶劑時，一定要作實驗。

3.1.2.操作簡單：所使用的液體應安全無毒、操作簡單且使用壽命長。

3.1.3.成本： 使用中必須考慮到溶劑的清洗效率、安全性、一定量的溶劑可清洗多少工件利用率最高等因素。當然，所選擇的清洗溶劑必須達到清洗效果，并應與所清洗的工件材料相容。

3.2.所選的功率和頻率要適合

超聲波清洗若選擇功率太大，空化強度將大大增加，清洗效果雖然提高了，但這時使較精密的零件也產生蝕點，而且清洗缸底部振動板處空化嚴重，水點腐蝕也增大。一般使用 28-40kHz 左右。對小間隙、狹縫、深孔的零件清洗，用高頻（一般 40kHz 以上）較好，甚至幾百 kHz 。

3.3.清洗液清洗溫度的正確選擇

水清洗液最適宜的清洗溫度為40-60℃。因此有部分清洗機在清洗缸外邊繞上加熱電熱絲進行溫度控制，當溫度升高后空化易發生，所以清洗效果較好。當溫度繼續升高以后，空泡內氣體壓力增加，引起沖擊聲壓下降。

3.4.清洗液量和清洗零件位置確定

一般清洗液液面高于振動子表面 100mm 以上為佳。由于單頻清洗機受駐波場的影響，波節處振幅很小，波幅處振幅大造成清洗不均勻。因此最佳選擇清洗物品位置應放在波幅處。

4.超聲波清洗技術的新進展

超聲波清洗技術經過幾十年來的理論探討和應用研究，無論設備還是工藝上均取得了較大的發展，制定出了一批先進典型的清洗工藝如：

4.1. 高頻超聲清洗

這是一種兆赫茲級的高頻超聲清洗技術，由于頻率高，空化效應已不起作用，因此清洗的關鍵不是氣泡，是高頻壓力波的擦洗作用，其對污物的去除率接近百分之百。高頻清洗進來發展較快，主要用于超大規模集成電路芯片上的污物清洗，以及硅晶片、陶瓷、光掩模等特種污物的清洗。

4.2.聚焦式清洗

采用機械掃描聚焦式超聲清洗，噴絲板微孔中的污物脫離十分明顯。聚焦式清洗要求達到高的聲強，目前選用的頻率以低頻為主，常用 20kHz 和 15kHz 兩種頻率，其電功率在連續波情況下一般為 500 ～ 700W。

4.3.多頻清洗

即在一只清洗缸中，安裝有兩種或三種以上不同頻率的換能器，由多只發生器分別推動各自頻率的換能器。低頻超聲波的強度高，對物體表面清洗有利；高頻超聲波空化密度高，沖擊波能穿達凹槽、細縫、深孔等細微結構。同時缸中有多種頻率的超聲波，也克服了單頻清洗駐波場造成的清洗不均勻問題。

4.4.掃頻和跳頻的清洗

掃頻和跳頻清洗都是為了改善缸中的聲場結構，前者解決了缸中的不均勻駐波場，使清洗均勻。而跳頻和多頻一樣兼顧到高低頻清洗，不同的是跳頻用的是一只換能器和一只發生器，其換能器本身有兩個諧振頻率，在第一諧振點帶寬內作連續的頻率變化，然后跳到另一帶寬內進行掃頻清洗。它是高低頻交替進行清洗。

超聲波清洗機技術的發展過程及現在超聲波清洗機的普遍應用證明超聲波清洗技術是有著傳統清洗技術無可比擬優勢的，實踐也證明如此，在一些電子，電鍍，制藥等行業超聲波清洗已成為必不可少的清洗環節。隨著現代科技的發展，超聲波清洗應用行業也在進一步普及，已經滲透到工業生產和科學研究的多個方面。在不遠的將來超聲波清洗技術將成為一門主要的清洗技術之一。

作者簡介：

邵振江（1973-），男，天津市，機械工程師，大學本科，一直從事于半導體機械設備的研發、制造與維修工作。