超聲波濕式清洗技術和干式清洗技術的探討

汪森 李紫嫣 沈鑫

摘 要：介紹了新興的超聲波干式清洗技術，并將其與較為成熟的超聲波濕式清洗技術在清洗原理，應用領域和優缺點方面進行了綜合比較，并對干式清洗技術的發展前景作出展望。

關鍵詞：超聲波；干式清洗技術；濕式清洗技術

中圖分類號：TB559 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0050-02

Abstract： This paper introduces the new ultrasonic dry cleaning technology， and compares it with the relatively mature ultrasonic wet cleaning technology in cleaning principle， the application field and the advantages and disadvantages， and analyzes the application prospect of the dry cleaning technology.

Keywords： ultrasonic wave； dry-cleaning technology； wet-cleaning technology

1 超聲波濕式清洗技術的清洗原理和現應用領域

1.1 清洗原理

超聲波指頻率高于20kHz的聲波，20～50kHz的超聲波稱為低頻超聲波，50～200kHz的超聲波稱為高頻超聲波，700～1MkHz的超聲波稱為兆頻超聲波。濕式清洗技術通常利用空化效應最為顯著的低頻超聲波[1]。空化效應指聲波在液體中傳播時，液體會處于負壓狀態，當負壓大于液體強度時，溶解在液體中的空氣會以空化核形式析出，空化核會迅速生長成幾微米的直徑的空化氣泡并在縫隙中閉合爆裂，產生聲壓梯度和聲流來反復沖擊污物與被清洗表面的結合部位，使污物沖入清洗液中，達到清洗目的。

高頻超聲波也被廣泛應用于超聲波濕式清洗技術中，但主要利用其聲波流現象[2]在被清洗表面反復摩擦使得污物脫離表面融入清洗液中，達到清洗效果。

1.2 現應用領域

超聲波濕式清洗技術從上世紀五十年代開始發展，研究成果不斷。在感興趣的范圍內，對現行發展較快的幾大領域做簡要介紹。

（1）機械工業：郝亮[3]確定了航空發動機低渦軸零件超聲波純水清洗的技術特點，并制定了提高60%以上效率的超聲波清洗新工藝。王淼[4]研制了一種超聲波全自動清洗機，并解決了零部件籃提出水時有巨大噪聲的問題。劉欽等[5]對鈹材料復雜結構零件超聲波清洗工藝技術進行了研究，在同一個超聲波清洗槽中同時實現了2種頻率清洗，有效提高了清洗效率。

（2）醫療器械：王萍[6]選取從手術室回收的160套腔鏡手術器械，對照試驗表明超聲波清洗機能夠高效清洗腔鏡手術器械；鄭春麗[7]設計三組實驗，研究不同清洗控制條件下空腔車針的清洗效果，發現超聲波清洗應用于空腔車針清洗有助于提高車針清洗質量。

（3）電力工業：張志恒[8]認為電子行業中超高頻超聲波清洗機，主要利用高頻超聲波推動液體粒子高速沖撞污物進行超精密清洗；白靜[9]指出鋰電池轉接頭利用低頻超聲波就可保證清洗質量并防止工件損壞。

2 超聲波干式清洗技術的清洗原理和現應用領域

2.1 清洗原理

超聲波干式清洗技術是一種高速氣流與超聲波共同作用，對超精密待清洗件（如半導體器件，玻璃或硅基板等）亞微米級別的污染物進行清洗的新型干式清洗技術[10]。一般包括三大系統：（1）空氣循環系統；（2）清洗件傳送系統；（3）超聲清洗頭。空氣循環系統利用負壓作用將新空氣不斷吸入并凈化后輸入清洗頭壓力腔，同時利用離心力將內部空氣不斷送出；清洗件傳送系統將待清洗件傳送給超聲波清洗頭。

核心部件超聲波清洗頭主要有兩類：一類空氣流經特殊設計的變截面流道時，經激流震蕩生成超聲波，但這種超聲波的強度弱，傳遞能量少。另一類內置超聲波增幅器，超聲波空氣在大小約0.3mm的出口處體積迅速膨脹，達到一種“微型爆炸”的效果[11，12]。高速氣流和超聲波的共同作用使污物微粒脫離懸浮，超聲波的反射作用將微粒帶動起來，由清洗頭的真空吸附腔吸走并分離，這種清洗方式杜絕清洗劑對環境造成污染。

2.2 現應用領域

超聲波干式清洗作為一個新興清洗方式，國內研究存在不足，檢索較難；國際上日韓、歐美掌握著相關技術[13]，且由于技術保密，公開資料很少，增加了檢索難度。從有限的資料分析，該技術主要應用在液晶屏玻璃基板，電子半導體等需要高精密清洗的工業中。

（1）液晶玻璃基板：液晶屏玻璃基板上的主要污染物是灰塵和其它金屬離子，而且玻璃基板鍍膜有風干、高清潔度要求，超聲波干式清洗技術可以較好地解決這一問題[14]；劉旋[15]設計出更符合實際應用的液晶屏超聲干式清洗機傳送系統，改進了常規0.5mm厚玻璃傳送清洗技術，使之適合更薄玻璃的傳送清洗。

（2）電子半導體：在集成電路制造工藝中，半導體硅片的清洗效果直接影響到產品成品率。國內對其采用的干式清洗技術有等離子體清洗技術，氣相清洗技術等[16]，超聲波干式清洗技術作為一種新興技術在國外得到進一步研究應用，國外學者對超聲波干式清洗頭進一步優化，改進后的喇叭狀換能器解決了超聲波在空氣中傳播能量衰減較大的問題，能最大限度地利用超聲波的能量對半導體器件進行清洗[17]。

3 超聲波濕式和干式清洗技術對比分析

超聲波濕式清洗技術的優點顯而易見：清洗工序成熟，產生了相關技術手冊，適合工業生產；對于清洗死角，傳統清洗效率僅有60%～70%，高壓水射流清洗也低于90%，而濕式清洗效率高達98%；超聲波濕式清洗技術應用廣泛，從事研究人員眾多，加快了它的發展。

同時超聲波濕式清洗的劣勢也很明顯：使用的化學清洗劑滲透能力有限，清洗不徹底；工業生產通常要數臺不同頻率的清洗機聯合，增加成本；設備功率選擇過低不產生空化泡，過高則容易發生空化腐蝕損壞清洗件；高精密清洗只能用高頻甚至兆頻超聲波清洗，能耗大不環保。

超聲波干式清洗技術解決了這方面的問題：不需要另加清洗劑，綠色環保；清洗無附加風干設備，降低成本；清洗頭性能持久，維護成本低；非接觸式清洗，被清洗件免受損害；對于1um以上的塵粒去除率接近100%；電子工業中，無二次污染，滿足超精密度清洗要求[18]。唯一缺點就是目前國內只實現了超聲波干式清洗機的“半國產化”，超聲波干式清洗頭制造的核心技術仍然被日韓、歐美等發達國家限制。

4 超聲波干式清洗技術前景展望

國內對于超聲波濕式清洗技術的研究一直不落與國外，甚至略有領先，可是在更為精密的干式清洗方面還有較大技術空缺，這種空缺主要集中在理論研究和干式清洗機的國產化生產方面，而超聲波干式清洗頭的制造國產化是一個發展趨勢，也需要更多的研究人員投入其中，相信未來這個方向大有可為！

參考文獻：

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