Плазменная обработка поверхности

Плазменная обработка поверхности – технология изменения состояния поверхности материала с помощью ионизированного газа (плазмы). Метод применяется для очистки верхнего слоя изделий от микрозагрязнений, повышения поверхностной энергии, улучшения смачиваемости и адгезии, а также подготовки деталей к последующему склеиванию, окрашиванию, печати и нанесению покрытий. При этом воздействие осуществляется именно на поверхностный слой и не затрагивает объемные свойства материала.

Обработка плазмой применяется для металлов, полимеров, стекла, керамики, электронных компонентов и комбинированных изделий. В зависимости от материала, технологической задачи и требуемой результативности процесс проводится при атмосферном или пониженном давлении. Правильно подобранная установка плазменной обработки позволяет включить очистку или активацию поверхности непосредственно в технологический процесс производства.

Плазма представляет собой частично или полностью ионизированный газ, содержащий свободные электроны, положительные ионы и другие активные частицы, образовавшиеся в результате получения частью атомов или молекул эклектического заряда. Как следует из вышесказанного, для получения плазмы газу передается энергия, например посредством электрического или высокочастотного разряда.

При взаимодействии плазмы с изделием протекают физические и химические процессы, характер которых определяется составом газа, мощностью источника, давлением, временем воздействия и свойствами материала. Активные частицы взаимодействуют с поверхностным слоем и находящимися на нем загрязнениями. Большинство органических соединений в составе загрязнения, разрушаются с образованием более простых летучих веществ, которые откачиваются, а сама поверхность (материал) приобретает новые функциональные группы или измененную микроструктуру.

В результате одна технология позволяет решать несколько разных задач: очищать поверхность, активировать ее, выполнять тонкое травление или модифицировать поверхностный слой. Требуемый эффект определяется режимом работы оборудования.

В отличие от грубой механической обработки плазменное воздействие может происходить на микро- и молекулярном уровне. При правильно выбранном режиме геометрия изделия практически не изменяется, что особенно важно для электронных компонентов, тонких элементов, полимерных изделий и других объектов, чувствительных к механическому воздействию.

Даже визуально чистая деталь может иметь на поверхности остатки масел, смазок, технологических жидкостей, разделительных составов, отпечатков пальцев и пр. Тонкий слой такого загрязнения способен существенно ухудшить смачивание поверхности клеем, краской или материалом покрытия. Плазменная очистка используется для удаления подобных загрязнений непосредственно перед следующей производственной операцией. 

Под воздействием активных частиц плазмы органические соединения разрушаются и преобразуются в более простые продукты. В вакуумном процессе газообразные продукты реакции удаляются системой откачки. Метод особенно востребован там, где обычного обезжиривания недостаточно либо использование жидких химических реагентов нежелательно, например, перед склеиванием, пайкой, сваркой, окрашиванием, печатью, герметизацией и нанесением покрытия.

При этом важно, что плазма предназначена прежде исключительно для тонкой очистки. Если изделие покрыто толстым слоем масла, механическими частицами или другими значительными загрязнениями, требуется предварительная механическая или химическая очистка.

Плазменная активация применяется, когда материал имеет недостаточную поверхностную энергию и плохо смачивается клеями, красками и другими составами. Особенно актуальна эта проблема для ряда полимеров. Во время обработки холодной плазмой на поверхности могут формироваться химически активные функциональные группы. Это приводит к повышению поверхностной энергии и изменению смачиваемости без необходимости модифицировать изменять весь материал, из которого выполнено изделие. В результате обработки плазмой контакт между поверхностью материала и наносимым составом становится более стабильным.

Эффект активации носит временный характер. Со временем состояние поверхности может изменяться под влиянием материала, температуры, влажности и окружающей среды. Поэтому любые последующие процессы воздействия на поверхность целесообразно выполнять в рамках установленного технологического интервала после плазменной обработки.

Еще одна задача – контролируемое воздействие на поверхностный слой с удалением небольшого количества материала. Энергетические частицы плазмы взаимодействуют с поверхностью и обеспечивают ее микротравление.

Такой процесс может использоваться для формирования микрорельефа и увеличения эффективной площади контакта. В ряде случаев сочетание химической активации и изменения микроструктуры позволяет дополнительно повысить адгезию последующего покрытия или клеевого соединения.

Интенсивность травления зависит от типа материала, используемого газа, давления, мощности генератора и продолжительности обработки. Поэтому технологический режим подбирается под конкретное изделие и требуемый результат.

Как было отмечено выше, из всех групп материалов, обработка плазмой наиболее эффективна и широко применяется для полимеров и металлов. Обработка металла востребована прежде всего как операция подготовки к нанесению покрытий, склеиванию, сварке, пайке и другим процессам, чувствительным к состоянию поверхности.

Специфика металлической поверхности в том, что кроме присутствия масла и прочих технологических жидкостей, на ней образуются оксидные пленки. Они способны существенно ухудшать адгезию, качество электрического контакта и стабильность последующего соединения. После обработки поверхности металла снижается риск локального нарушения адгезии, образования дефектов и последующего отслаивания покрытия.

При обработке металлов плазмой могут решаться различные задачи, различными способами. Кислородная плазма эффективна при удалении многих органических загрязнений. Аргон может применяться для физического воздействия на поверхность и тонкой очистки. Водородсодержащая среда используется в процессах восстановления определенных оксидов. Конкретный состав газа и параметры режима определяются материалом изделия и требуемым результатом.

Для полимеров плазменная обработка часто используется одновременно для очистки и активации. Многие пластики имеют сравнительно низкую поверхностную энергию, поэтому клеи, краски и печатные составы плохо растекаются по ним и формируют недостаточно прочное соединение.

Плазменная активация изменяет химическое состояние тонкого поверхностного слоя. При этом основные объемные свойства изделия сохраняются. Такая технология применяется для подготовки пластиковых корпусов, деталей электроники, упаковочных материалов, технических полимерных компонентов и других изделий.

Режим необходимо выбирать с учетом чувствительности конкретного полимера. Избыточная мощность или слишком продолжительная обработка может привести и к травлению поверхности, что негативно скажется на итоговом качестве изделия. Поэтому для серийного производства важны воспроизводимые параметры: мощность, расход газа, расстояние до плазменного источника или давление, скорость перемещения детали и продолжительность воздействия.

Плазменная обработка поверхностей может выполняться при атмосферном или пониженном давлении. Выбор определяется геометрией изделия, необходимой равномерностью воздействия, производительностью и способом интеграции оборудования в технологический процесс.

Атмосферная плазма – плазменный источник воздействует на заданную область поверхности, а деталь или сопло перемещается по определенной траектории. Способ удобен для локальной обработки, непрерывных материалов и интеграции оборудования в автоматизированные производственные линии. Атмосферная установка плазменной обработки может использовать сжатый воздух или другой технологический газ. Возможность работы без отдельного цикла вакуумирования сокращает время операции и упрощает поточную обработку изделий.

Установки плазменной обработки в атмосферных условиях от «Тирит»:

• Генератор атмосферной плазмы SPA 
• Встраиваемая установка широкоформатной плазменной очистки SPK-Z
• Установка широкоформатной плазменной очистки с конвейером SPK-S

Вакуумная плазменная обработка выполняется в герметичной камере после снижения давления. В нее подается выбранный технологический газ, после чего формируется плазма. Такой способ позволяет контролировать газовую среду и обеспечивать обработку деталей сложной формы и нескольких поверхностей изделия в рамках одного рабочего цикла. Вакуумный метод особенно удобен для пакетной обработки небольших деталей, электронных компонентов, печатных плат, кремниевых пластин и других объектов, для которых требуется равномерное воздействие. Система обычно включает вакуумную камеру, источник возбуждения плазмы, систему подачи газа, вакуумный насос и средства управления параметрами процесса.

Установки плазменной обработки в вакууме от «Тирит»:

• Установка вакуумной плазмы 

Нельзя считать ни один из методов универсально более эффективным. Атмосферная плазма удобна для локальной и поточной обработки, тогда как вакуумная технология обеспечивает контролируемую газовую среду и возможность комплексного воздействия на поверхность изделия.

Термин «холодная плазма» применяется к неравновесной плазме, в которой энергия электронов значительно выше энергии тяжелых частиц. Благодаря этому необходимые химические и физические процессы на поверхности могут протекать без нагрева всего изделия до высоких температур. Обработка холодной плазмой особенно актуальна для материалов и компонентов, чувствительных к нагреву: полимеров, электронных элементов, тонких пленок, отдельных композитов. Допустимую температуру нагрева необходимо оценивать применительно к конкретному изделию и технологической задаче. 

В установках вакуумной плазмы SDV, представленных компанией «Тирит», температура очистки составляет не более 45 °C. А в установках широкоформатной обработки – не более 35 °C. Это позволяет выполнять плазменную обработку без значительного термического воздействия.

Технология востребована в электронной промышленности, приборостроении, производстве полимерных изделий, автомобилестроении, изготовлении медицинской техники, нанесении функциональных покрытий и других направлениях, где качество последующей операции зависит от состояния поверхности.

Стандартные задачи:

• очистка металла перед нанесением покрытия;
• подготовка пластиковых деталей перед склеиванием;
• повышение адгезии клеевых и герметизирующих составов;
• подготовка изделий к окрашиванию и печати;
• обработка печатных плат и электронных компонентов;
• очистка кремниевых пластин;
• подготовка поверхностей перед PVD- и CVD-процессами;
• обработка стеклянных и керамических элементов;
• удаление органических микрозагрязнений;
• активациа полимеров перед последующей технологической операцией;
• подготовка поверхности перед нанесением функционального или защитного покрытия.

Для каждой задачи требуется собственный режим. Одинаковые параметры оборудования не переносят с одного материала на другой.

Одно из ключевых преимуществ технологии – возможность воздействовать непосредственно на поверхностный слой, не изменяя существенно геометрию и объемные характеристики материала изделия. 

Кроме того, плазменная обработка позволяет:

• удалять тонкие органические и технологические загрязнения;
• одновременно выполнять очистку и активацию некоторых материалов;
• повышать смачиваемость и создавать условия для более надежной адгезии;
• обрабатывать металл, пластик, стекло, керамику и комбинированные материалы;
• воздействовать на изделия сложной формы в вакуумной камере;
• локально обрабатывать требуемую область с помощью атмосферного плазменного источника;
• уменьшать или исключать применение жидких растворителей на соответствующих этапах подготовки;
• автоматизировать процесс и интегрировать оборудование в производственную линию;
• точно задавать и воспроизводить технологические параметры обработки.

Отказ от части химических средств очистки также уменьшает необходимость их закупки, хранения, подготовки и последующей утилизации. Это может снижать количество жидких отходов и воздействие производственного процесса на окружающую среду. 

В первую очередь результат зависит от материала детали и правильно подобранного для него режима обработки. Металл, полимер, стекло и керамика по-разному взаимодействуют с плазмой и требуют разных режимов.

Второй фактор – исходное загрязнение. Важно определить его природу и толщину. Плазма эффективна как инструмент тонкой финишной очистки и не заменяет предварительное удаление значительных загрязнений.

Третий фактор – технологический газ. Для разных процессов могут использоваться воздух, кислород, азот, аргон, водород и другие газы или их смеси. Их выбор определяет характер химического и физического воздействия на поверхностный слой.

Также учитываются мощность источника плазмы, давление для вакуумного процесса, расход газа, продолжительность воздействия, температура, расстояние от источника до поверхности и скорость перемещения изделия относительно плазменного потока.

Перед выбором режима плазменной обработки желательно оценить исходное состояние поверхности, а после обработки – проконтролировать изменение ее свойств. Это позволяет определить, действительно ли выбранные параметры плазмы обеспечили необходимую степень очистки или активации, а при подборе технологии – сравнить несколько режимов и установить оптимальные мощность, продолжительность воздействия, состав газа и другие параметры процесса.

Результат желательно контролировать измеримыми методами. Один из основных способов – определение краевого угла смачивания: по нему можно оценить смачиваемость материала и рассчитать свободную энергию поверхности. Сравнение показателей до и после воздействия дает объективную оценку изменения поверхностных свойств и позволяет установить критерии качества для производственного процесса. Подробнее о методике измерения, используемых приборах и оценке результатов плазменной обработки читайте в нашей статье «Модификация поверхностей с помощью плазмы».