超声波清洗机的原理与应用.doc

超声波清洗机的原理与应用作者：苏新颜 王广奎1 前言在市场经济的环境下，对产品质量要求越来越高。为保证产品质量，许多企业在产品生产过程中，将采用清洗工艺来提高产品质量，为企业创造良好的经济效益。当前在一些工业产品生产过程中，应用超声波清洗是一种洗净效果好，价格经济，有利于环保的清洗工艺。超声波清洗机可以应用于清洗各式各样体形大小，形状复杂，清洁度要求高的许多工件。例如可用于清洗钟表零件、照相机零件、油咀油泵、汽车发动机零件、精密轴承零件、齿轮、活塞环、铣刀、锯片、宝石、医用注射器及各种光学镜头等；还可以用于清洗印制板、半导体晶片及器件、显象管内的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插头座、焊片、电极引线等电子类产品。一种物件的清洗可以根据其污垢的性质，采用机械物理力清洗的方法或化学力清洗的方法，还可以用各种组合方法来进行清洗。若是用自来水或净水为清洗液的超声波清洗属物理力的清洗，若在清洗液中添加一些洗涤剂，则属于组合清洗，对不同的清洗对象选用不同的洗涤剂，更具有明显的清洗效果。表1为几种清洗方法洗净效果比较。图1为两种清洗方法洗净效果比较。2超声波清洗的原理把液体放入清洗槽内，给槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，介质的压力作交替变化。如果对液体中某一确定点进行观察，这点的压力如图2曲线A所示。以静压(一般一个大气压)为中心，产生压力的增减，若依次增强超声波的强度，则压力振幅也随着增加，像图2曲线B那样，并产生负的压力。所谓负压，但实际上负的压力是不存在的，这是在液体中产生撕裂的力，且形成真空的空泡，并被后面的压缩力压挤而破灭。这种在声场作用下的振动，当声压达到超声波清洗一定值时，气泡将迅猛增长，然后又突然闭合，在气泡闭合时，由于液体间相互碰撞产生强大的冲击波，在其周围产生上千个大气压的压力。这也就是所说的“超声空化”。超声清洗就是利用了空化作用的冲击波，其清洗过程中由下列四个因素作用所引起。(1)因空泡破灭时产生强大的冲击波，污垢层在冲击波的作用下被剥离下来，即分散及脱落。(2)因空化现象产生如图3a所示的气泡。由冲击形成的污垢层与表面之间的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡与声压同步膨胀，收缩，产生像剥皮那样的物理力重复作用于污垢层，污垢一层层被剥开，如图3b所示，小气泡再继续向前推进，直到污垢层被剥下为止。这就是空化二次效应。(3)超声清洗中清洗液的超声振动本身对清洗的作用力。例如：20kHz，2Wcm2的超声波在清洗液中传播时，它将引起质点的振动，位移幅度132lLm，速度016ms，加速度为204X104msz，(约为2删g的重力加速度)，声压为145X105Pa，这表明清洗物表面的污垢层每秒将遭到2万次的激烈冲击。(4)清洗剂也溶解了污垢，产生乳化分散的化学力。超声清洗的主要原理是超声空化作用，要获得良好的清洗效果，合理选择清洗槽中声场的声学参数和清洗液的物理化学性质是十分重要的。既然空化是主要的，那么如何产生空化呢?一般来说，空化不仅由介质特性决定，而且也与声场有关。空化阂的高低受到许多因素制约，主要有如下几个因素：(1)空化阂与工作频率fa有关。频率越高，空化阂值越高，产生空化越难。气泡在声场的作用下将进行振动，但不一定发生崩溃(破灭)，只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可能使气泡破灭，而当声波的频率高于气泡的谐振频率时，气泡只进行复杂的振动，一般不发生气泡破灭。(2)空化阂与介质中气泡半径有关，半径越小，空化阂越高。(3)宝化阂与声波作用时间长短有关，声波幅射时间越长，空化阐越低。（4）空化阂与环境静压力有关，静压力越大，空化阂越高。(5)空化阂与介质的粘滞性有关，粘度大，表面张力大，空化阂高。(6)空化阂与液体含气量有关，含气量越少，空化阂越高。(7)空化阂与清洗液温度有关，清洗液温度升高，对空化有利。但清洗液温度过高时，气泡中蒸气压增大，因在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。而温度还与清洗液的溶解度有关。对于水清洗液较适宜的温度约为60Y。根据超声清洗的机理我们可选择最佳状态，并得到最佳的清洗效果。还应注意到选择最佳的声强。声强过高会产生大量气泡，在声波表面形成一道屏障，使声波不易辐射到整个液体空间，因而在远离声源的地方，清洗作用减弱。同时过高的声强，气泡膨胀过大，以至于在声波压缩相内，气泡来不及闭合。声强一般选在1Wcm22Wcm2，对于一些金属表面氧化膜难于清洗的污垢，则应采用较高的声强。3 超声波清洗的应用超声波清洗设备一般可分为通用和专用两种机型。31 通用超声波清洗机超声波清洗机的结构一般有超声电源和清洗器合为一体或分开布局两种形式，一般小功率(200W以下)清洗机用一体式结构，而大功率清洗机采用分体式结构。超声波清洗机分体式结构由三个主要部分组成，如图4所示。(1)清洗缸；(2)超声波发生器；(3)超声波换能器；清洗缸：清洗缸是用来装载清洗液及被清洗工件的不锈钢容器，大多数工件可先装在网状框架内，再一起放人缸内清洗。超声波发生器：超声清洗机用的超声波发生器，从使用的元器件种类可以分电子管式的，可控硅式的和晶体管式的。近几年来已经发展到用大功率“功率模块”的方式。其输出功率从几十瓦直到几千瓦，工作频率从15kHz40kHzo超声清洗机用的超声波发生器，有以下特点：(1)随着清洗液深度不同，换能器共振频率和阻抗变化很大。但是实践表明，槽内放进适量清洗物后，基本上就可以稳定在某一定数值上。(2)一般来说，由于清洗负载变动较小，可以不要求复杂的频率自动跟踪电路。(3)实用超声波发生器，大多数采用大功率自激式反馈振荡器。超声波换能器：超声波清洗机用的换能器主要有以下几种：磁致伸缩换能器 国内用的磁致伸缩换能器大多数是用镍片叠成的窗口型换能器，将它银焊在清洗缸底部，然后用导线在窗口上绕一定卷数而成。此种换能器能承受较大功率，且可靠性好，使用寿命长。缺点为效率较压电换能器低，原材料镍片价格贵。压电式换能器 目前国内外大多数超声波清洗机用的是压电式换能器，勘L形结构如图5。这种换能器一般有两片压电陶瓷晶片组成。一台清洗机用多个换能器，经粘接剂粘接在清洗缸底部且经并联联接组成一台清洗机的换能器。换能器基元之间距(对于频率20kH4一般在510mm为佳，太大了容易产生弯曲振动，且振动板受到腐蚀，同时辐射面相对减少。通用超声清洗机清洗零件适用性强，已广泛应用于电子、钟表、光学、机械、汽车、航空、原子能工业、医疗器械等许多行业。2 专用超声波清洗机一般安装在某些特定物件清洗的生产流水线上。图6为典型的软磁器件超声波清洗设备，被清洗物件从进料口可传动的不锈钢专用网带送人超声波清洗槽清洗，再经喷淋、烘干等工序后出料，实现被清洗物件可直接包装入库。各工序简要说明如下：进料：物件进料可采用半自动进料或压电式换能器 目前国内外大多数超声波清洗机用的是压电式换能器，勘L形结构如图5。这种换能器一般有两片压电陶瓷晶片组成。一台清洗机用多个换能器，经粘接剂粘接在清洗缸底部且经并联联接组成一台清洗机的换能器。换能器基元之间距(对于频率20kH4一般在510mm为佳，太大了容易产生弯曲振动，且振动板受到腐蚀，同时辐射面相对减少。通用超声清洗机清洗零件适用性强，已广泛应用于电子、钟表、光学、机械、汽车、航空、原子能工业、医疗器械等许多行业。32 专用超声波清洗机一般安装在某些特定物件清洗的生产流水线上。图6为典型的软磁器件超声波清洗设备，被清洗物件从进料口可传动的不锈钢专用网带送人超声波清洗槽清洗，再经喷淋、烘干等工序后出料，实现被清洗物件可直接包装入库。各工序简要说明如下：进料：物件进料可采用半自动进料或出料：物件出料可采用自动收料或手工收料方式，格被清洗物件装入包装盒内。通过上述工序就完成了物件实现利用超声波清洗的全过程。目前，还有一种超声汽相清洗机，它是选用有机溶剂作清洗液，具有极强的溶解污垢的能力，用于清洗半导体晶片等净治度要求特别高的物件。江苏无锡市超声电子设备有限公司奶多年来已研制、开发、生产了如心、100巾、250w、500巾、1Lw、2Lw、5kv等系列通用超声波清洗机，产品广泛应用于全国各地的大中型企业，同时还按用户特殊要求研制、开发、生产了用于清洗软磁器件、精密轴承零件、锯片、汽车等零件的专用超声波清洗设备，在生产中发挥了良好的作用。(end)下面我就介绍一些超超声波清洗机的相关数据l 清洗介质：采用超声波清洗，一般有两类清洗剂即化学溶剂和水基清洗剂。清洗介质的化学作用可以加速超声波清洗效果，超声波清洗是物理作用，两种作用相结合，以对物件进行充分、彻底的清洗。l 功率密度：超声波的功率密度越高，空化效果越强，速度越快，清洗效果越好，但对于精密的表面光洁度甚高的物件，采用长时间的高功率密度清洗会对物件表面产生空化、腐蚀。l 超声波频率：超声波频率越低，在液体中产生的空化越容易，产生的力度大，作用也越强，适用于工件粗、脏、初洗，频率高则超声波方向性强，适合于精细的物件清洗。l 清洗温度：一般来说，超声波在 3040时的空化效果最好，清洗剂则温度越高，作用越显著，通常实际应用超声波清洗时，采用 4060的工作温度。(end) 硅片超声波清洗机结构特点：采用三套独立的电脑控制机械臂自动化作业采用第三代最新技术，全面完善的防酸防腐措施，保护到机器每一个角落最新全自动补液技术独特的硅片干燥前处理技术，保证硅片干燥不留任何水痕成熟的硅片干燥工艺，多种先进技术集于一身彩色大屏幕人机界面操作，方便参数设置及多工艺方式转换清洗工艺：上料碱腐蚀纯水漂洗酸碱腐蚀纯水漂洗喷淋漂洗酸中和纯水漂洗碱中和纯水漂洗烘干下料?适用范围：各种规格的单晶硅、多晶硅太阳能电池硅片的制绒清洗XT-1300SG太阳能硅片制绒超声波清洗机 采用三套独立的电脑控制机械臂自动化作业 采用第三代最新技术，全面完善的防酸防腐措施，保护到机器每一个角落 最新全自动补液技术 独特的硅片干燥前处理技术，保证硅片干燥不留任何水痕 成熟的硅片干燥工艺，多种先进技术集于一身 彩色大屏幕人机界面操作，方便参数设置及多工艺方式转换清洗工艺：上料碱腐蚀纯水漂洗酸碱腐蚀纯水漂洗喷淋漂洗酸中和纯水漂洗碱中和纯水漂洗烘干下料清洗工件：各种规格的单晶硅、多晶硅太阳能电池硅片的制绒清洗清洗溶剂：水基清洗剂产品特点：单机械手或多机械手组合，实现工位工艺要求。PLC全程序控制与触摸屏操作界面，操作便利。自动上下料台，准确上卸工件。净化烘干槽，独特的烘干前处理技术，工作干燥无水渍。全封闭外壳与抽风系统，确保良好工作环境。具备抛动清洗功能，保证清洗均匀。全封闭外壳与抽风系统，确保良好工作环境。1）适合单晶硅片研磨、切割后的批量清洗，多晶硅片线剧切片后的大批量清洗。清洗工艺流程：自动上料去离子水超声波清洗碱液超声波清洗去离子水超声波清洗碱液超声波清洗去离子水超声波清洗去离子水超声波清洗去离子水超声波清洗自动下料标准工艺下产量：硅片1000片/小时。（2）清洗工艺流程自动上料去离子水超声波清洗振动筛抛动碱液超声波清洗抛动去离子水超声波清洗抛动碱液超声波清洗抛动碱液超声波清洗抛动去离子水超声波清洗抛动溢流去离子水超声波清洗抛动溢流自动下料【摘要】 半导体/ LED/ LD硅片清洗加工设备，可广泛用于IC生产及半导体元器件生产中晶片的湿法化学工艺。该设备可有效去除晶片表面的有机物、颗粒、金属杂质、自然氧化层及石英、塑料等附件器皿的污染物，且不破坏晶片表面特性。半导体/ LED/ LD硅片清洗加工设备，可广泛用于IC生产及半导体元器件生产中晶片的湿法化学工艺。该设备可有效去除晶片表面的有机物、颗粒、金属杂质、自然氧化层及石英、塑料等附件器皿的污染物，且不破坏晶片表面特性。用途炉前（RCA）清洗：扩散前清洗。光刻后清洗：除去光刻胶。氧化前自动清洗：氧化前去掉硅片表面所有的沾污物。抛光后自动清洗：除去切、磨、抛的沾污。外延前清洗：除去埋层扩散后的SiO2及表面污物。合金前、表面钝化前清洗：除去铝布线后，表面杂质及光胶残渣。离子注入后的清洗：除去光刻胶，SiO2层。扩散预淀积后清洗：除去预淀积时的BSG和PSG。CVD后清洗：除去CVD过程中的颗粒。附件及工具的清洗：除去表面所有的沾污物。硅片清洗设备可用于完成扩散前、光刻后、CMP后及氧化前等工艺的清洗工作。例如：RCA清洗、SPM清洗、SC清洗、金属离子及杂物去除清洗等。全自动硅片清洗机手动硅片清洗机附件及工具清洗设备石英管清洗机酸碱清洗台有机化学超净工作台部件清洗台氮气储存柜硅片清洗设备特点手动硅片清洗设备特点：可根据不同的清洗工艺配置各种相应的清洗功能槽。功能槽包括：加热酸缸、HF腐蚀、BHF（HF恒温缓冲腐蚀）、超声清洗槽、恒温水浴、QDR（快排冲水）、电炉等。清洗功能槽模块化，各部分有独立的控制单元，可随意组合。关键件采用进口部件，提高设备的可靠性及使用寿命。采用进口耐腐蚀PP板材，防酸、防腐，有效避免酸液的侵蚀。控制系统的元器件具备防腐、防潮功能，确保安全的工作环境。结构紧凑，净化占地面积小，造型美观、实用。操作符合人机工程原理，具有良好的操作界面，使用方便、灵活。闭式清洗，有效改善工作环境，保障操作人员安全。全自动硅片清洗设备特点：进口伺服驱动机构及机械手臂，清洗过程中无需人工操作。通过PLC实现控制，全部操作通过触摸屏界面一次完成。可预先设制多条清洗工艺，可同时运行多条工艺。自动化程度高，适用于批量生产，确保清洗质量的一致性。自动氮气鼓泡装置可有效提高产品质量，缩短清洗时间。可选装层流净化系统及自动配酸装置。石英管清洗机适用工艺由于化学和物理作用，对石英管吸收层进行腐蚀清洗，并且通过石英管的旋转作用，使石英管腐蚀层均匀，通过在水槽中的清洗，使石英管表层污物清洗干净。酸洗 排液 注纯水 溢流 注水 水洗 排液石英管清洗机特点采用浸泡、旋转式清洗；酸清洗为滚动浸泡式；水清洗为溢流式。采用多点支撑式工件旋转驱动装置，稳定、可靠。操作符合人机工程原理，具有良好的操作界面，使用方便、灵活。可配置自动氮气鼓泡系统，有效提高产品质量，缩短清洗时间。结构紧凑，净化占地面积小，造型美观、实用。关键件采用进口件，提高了设备的可靠性。采用进口耐腐蚀PP板材，防酸、防腐，有效避免酸雾的侵蚀。封闭式清洗，有效改善工作环境，保障操作人员安全。控制系统同时具备完善防腐、防潮功能，确保安全的工作环境化学湿台化学湿台适用于半导体行业中基片的制造、集成电路芯片的制造等清洗工艺过程。适用于26基片的半导体清洗过程中，去除工件表面的油污及其它有机物、除胶、去金属离子等。可根据不同清洗工艺配置相应的清洗单元。各部分有独立的控制单元，可随意组合；配有在线方式的去离子水加热系统。结构紧凑，净化占地面积小，造型美观、实用，操作符合人机工程原理。可根据客户工艺定制。外形尺寸(mm) 160011001900气源压力 4.27kg/cm2排风量 20m3/min功能单元 SC1SC3 FH(FH腐蚀)BHF（HF恒温缓冲腐蚀）QDR（快排冲水）化学操作实验台适用于2 6 硅片的清洗及湿法腐蚀。能够有效的去除硅片表面的油污及其它有机物、除胶、去金属离子等。清洗槽部分包括化学槽、加热槽和快排槽设备的电气、管路、循环系统，均采用进口部件；进口PLC控制，清洗时间可调。设备组成：在线加热、清洗槽、伺服系统、电气控制系统、机架等。可根据用户要求配置氮气枪、DI水枪、恒温水浴、热台、超声清洗、DI水在线加热装置、 DI水电导率测试仪等石英管清洗机清洗机特点： 本设备为浸泡式清洗机，用于半导体行业扩散炉石英管清洗 槽体材料为进口聚丙烯（PP）塑料或PVDF材料，支架采用不锈钢，耐腐蚀性能好 管件、泵、电磁阀均选用的是进口产品，性能稳定可靠 触摸屏PLC控制，流量及温度，超纯净泵的压力、流量可设置 选配气体喷枪可根据用户要求订制技术参数： 外形尺寸(LWH): 1300mm700mm1700mm 槽内尺寸(LWH): 700mm500mm300mm 喷嘴出水压力:1.52.5(bar)（可调） DI水加热温度：7585 排风量：15m3/minJTA-3916硅片清洗机清洗对象是28英寸的硅研磨片。设备整体采用进口PLC控制，通过设定工作节拍传送篮具依次经过各个工序，由上料开始到下料均自动完成。设备工作节拍，各项参数设定采用触摸屏完成。设备整体为密闭结构，具有排风装置。独有的机械手设计使抓取定位更准确。注重人性化设计，可根据用户要求定制。设备总体尺寸 6000mm1600mm2500mm 电源 380V、50Hz清洗有效尺寸(LWH) 350mm350mm280mm 额定电流 50A以下槽体材料 不锈钢和优质特种塑料 去离子水流量 30L/min温控仪 温度3090可调 温度精确到3 并有状态显示 压缩空气进口压力 0.7MPaJTA-3915液晶生产光刻前清洗机JTA-3915适用于ITO玻璃的光刻前清洗，去除ITO玻璃表面残留物。设备总共9个工位，分别是：上料、NaOH超声摇动清洗、NaOH超声摇动清洗、纯水摇动清洗、超声波纯水摇动清洗、超声波纯水摇动清洗、纯水摇动清洗、下料、离心脱水。其中NaOH摇动清洗水温为室温至50可调，纯水为常温清洗。部分技术指标：外寸(mm) 7000*1500*2000 超声功率 1.5kW电压 380VAC?50Hz60Hz 三相四线 超声频率 40kHz功率 10kW 供水 纯净水100L/Min气源 压力：4-6kgf/cm2JTA-3835液晶封盒后清洗机适用于液晶生产后工序的清洗，以去除液晶灌注后多余及前道工序残留物，实现精密清洗。清洗工序为：上料超声清洗超声清洗喷淋清洗溢流超声漂洗溢流超声漂洗喷淋漂洗慢提拉脱水热风烘干（2槽）下料部分技术指标：外寸(mm) 9000*1500*2000 超声功率 600W腔寸(mm) 500*600*500（清洗喷淋槽）900*600*300（烘干槽） 超声频率 40kHz气源 压力：4-6kgf/cm2 洁净度1000级 加热功率 18KW电压 380VAC?50Hz60Hz 三相四线 温度 室温至100温控精度 2 空载升温时间室 温至4530min 喷淋压力 0.12-2.0MPaJTA-180液晶玻璃清洗烘干机JTA-180液晶玻璃清洗烘干机是对液晶玻璃进行清洗、烘干的设备。其工作流程是由胶辊传送液晶玻璃片，经过喷淋、毛刷刷洗、海绵吸水及热风烘干，最终达到清洗液晶玻璃表面污垢及杂质的目的。特点： 上下胶辊传送速度同步调整，无级可调。 烘干组件对玻璃片的烘干温度可调。 吹风风量无级可调，保证玻璃片烘干所需合理温度。 玻璃片厚度调整采用丝杆传动和精密导轨导向精确调节，具体调节量由百分表指示。 导轨、电机控制元件等均选用进口产品，品质可靠。 机械关键零件均采用不锈钢材料。主要性能规格指标： 外形尺寸（约）：720mm1726mm1290mm 电源：AC 220V 50HZ 工作高度：750mm800mm 胶辊最快转动速度：约m/min(速度可调) 毛刷辊转动速度：360r/min(速度可调) 清洗玻璃尺寸范围：300mm长度25mm150mm宽度10mm5.08mm厚度0.4mmJTA-180液晶玻璃清洗烘干机JTA-180液晶玻璃清洗烘干机是对液晶玻璃进行清洗、烘干的设备。其工作流程是由胶辊传送液晶玻璃片，经过喷淋、毛刷刷洗、海绵吸水及热风烘干，最终达到清洗液晶玻璃表面污垢及杂质的目的。特点： 上下胶辊传送速度同步调整，无级可调。 烘干组件对玻璃片的烘干温度可调。 吹风风量无级可调，保证玻璃片烘干所需合理温度。 玻璃片厚度调整采用丝杆传动和精密导轨导向精确调节，具体调节量由百分表指示。 导轨、电机控制元件等均选用进口产品，品质可靠。 机械关键零件均采用不锈钢材料。主要性能规格指标： 外形尺寸（约）：720mm1726mm1290mm 电源：AC 220V 50HZ 工作高度：750mm800mm 胶辊最快转动速度：约m/min(速度可调) 毛刷辊转动速度：360r/min(速度可调) 清洗玻璃尺寸范围：300mm长度25mm150mm宽度10mm5.08mm厚度0.4mmSMT网板/PCB清洗机SMT网板/PCB板清洗机：产品型号：JTA-100SMT原产地：深圳一、主要特点:1可快速清洗29”*29”及以下尺寸的SMT钢网板及PCB板。清洗加热烘干仅需1015分钟。2采用高效超声波清洗方式，清洗效果佳，效率高。3系统采用清洗池粗/精两次过滤，及溢流池的一次过滤可高效清洗焊锡膏，SMT胶，助焊剂残留，油污及其它颗粒污染物等。4系统采用循环喷淋控制，可始终保持工作液面不变及去除液面比重较轻的污染物如助焊剂，SMT胶等，并保证工件取出时不受清洗液的二次污染等。5推荐使用水基MPC清洗剂，可循环使用，循环次数可达10003000次，最大限度降低清洗的运行成本。6可高效清洗最小尺寸直径0.2mm,及0.2mm间隙的微小孔隙。7.磁力驱动泵避免系统泄漏.8.清洗完毕后的自动提开机构JTA系列SMT网板清洗机设备，PCB清洗设备