等离子清洗（Plasma Cleaning）作为一种无损伤的清洗方式，有效的去除了零件表面的氧化物质，在医疗器械领域内，特别是在高分子材料粘胶应用的场合得到了广泛应用，今天就来系统性的介绍下等离子清洗的原理和分类；欢迎各位与小编交流行业内话题，相互学习，共同进步！

 

1、Pasma初步认识

 

1：什么是Plasma？

Plasma是除固、液、气外的物质存在的第四种状态，是由原子以及正负电子组成的具有导电特性的离子化气体物质。Plasma清洗，最早始于20世纪初，是利用等离子体的特性与物质相互作用达到去除表面物质的一种工艺。Plasma清洗机主要用于各种电子元件的制造、光学、航天航空等领域。

 

 

 

图1，等离子体介绍示意图

2：等离子体的物理、化学性质

第一，由于内部集聚了大量的带电粒子，具有类似金属的导电功能；

 

第二，温度高，粒子动能大；

 

第三，由于其内部发生复杂的激发、退激发过程，具有独特的发光特性；

 

第四，内部富含大量的活性物种，容易发生化学反应。

 

3：等离子体产生方式

等离子体产生方式有很多种，例如气体放电，射线辐射，光电离、激光和热电离等，其中气体放电是最容易实现、应用最广泛的产生方式。气体放电的等离子体因电场和频率的不同，具有不同特性，所产生的等离子体可用于等离子清洗、刻蚀和表面改性。气体放电按电场频率区分，分为直流放电，低频放电，高频放电，微波放电等多种类型。

 

以上四种等离子产生方式是目前工业应用中最常见的，根据不同的等离子特性应用于不同场合。就清洗应用而言，直流辉光放电等离子密度低，效率低，且容易产生二次溅射污染；微波放电等离子性能最佳，但设备结构复杂、制造和使用成本高；射频放电方式介于两者之间，离子能量和密度比直流辉光放电高，且等离子稳定，而成本与微波放电装置相比更低，设备结构更简单，因此射频放电是等离子清洗设备的最佳产生方式。

 

2、等离子清洗机清洗原理

 

一：等离子清洗机清洗原理

等离子清洗机清洗原理是利用气体在特定的交变电场激荡下变成等离子体，等离子体在偏压作用下被加速产生动能，移动粒子轰击待清洗器件的表面，使污染物脱离表面，同时和污染物反应生成易挥发的化合物，使表面污染物变成附着力低的离子和气态物质。清洁过程可以通过与自由基氧、氢、氟或氯物质的化学反应或通过重离子（例如氩离子）的高能离子溅射来实现。等离子清洗机是通过等离子放电过程产生化学活性自由基和高能离子的设备。等离子体可以通过射频、微波或直流辉光放电产生。

 

 

 

图2，等离子体清洗机清洗原理示意图

空间内部的等离子体与材料表面发生反应是等离子体清洗的主要机理，其中反应大致可分为两种：一种是气体电离产生的自由基活性粒子与材料表面污染物发生化学反应；另一种是电离产生的正离子和电子轰击材料表面发生使污染物从材料表面脱落的物理反应，下面就这两种反应展开的描述。

 

1）化学清洗

在化学清洗里常用的气体有氢气，氧气，甲烷等，这些气体在等离子体内通过电离形成高活性的自由基与污染物进行化学反应。

 

气体放电产生的等离子体中有电子、正离子、亚稳态的分子和原子等，当被清洗件浸没到等离子中时，等离子体中的化学活性粒子就与材料表面的污染物发生化学反应，如果是氢离子，反应为还原反应；如果是氧离子，则发生氧化反应。图二分别是氧等离子体和氢等离子体清洗时反应的原理图，其中（a）表示氧等离子体反应的过程，可以看出，氧等离子体中的活性粒子与有机污染物发生化学反应，有机污染物被分解，生成了二氧化碳；（b）则表示氢等离子反应的过程，氢等离子中的活性粒子与氧化物发生还原反应，氧化物被还原成水。

 

 

 

图3，等离子体化学清洗原理示意图

 

（a）氧等离子清洗有机污物 （b）氢等离子清洗污染物

 

以氧气（O2）为例其方程式为：

 

 

 

图4，氧气等离子清洗原理示意图

 

化学清洗具有清洗速度高，选择性好的特点，但是其在清洗过程中可能在被清洗表面重新产生氧化物，而氧化物的生成在半导体封装的引线键合工艺中是绝对不允许出现的，因此在引线结键合工艺中若需要采用化学清洗，则需要严格控制化学清洗的工艺参数。

 

2）物理清洗

在物理清洗里常用的气体为氩气。其作用机理是利用等离子体里的离子作纯物理的撞击，把材料表面的原子或附着材料表面的原子打掉，如图3所示。由于离子在压力较低时的平均自由基较长，有着能量的累积，因此在物理撞击时，离子的能量越高，越是有的作撞机，所以若要以物理反应为主时，就必须控制较低的压力下来进行反应，这样清洗效果就好。其作用方程式为：

 

 

图5，氩气等离子清洗原理示意图

 

物理清洗是半导体封装工艺中最常用的等离子清洗方法。经过氩等离子清洗后，能够改变材料表面的微观形态，提高表面活性和附着性能，同时不会产生氧化物，对提高键合工艺的可靠性有很大的帮助。

 

综上所述，等离子清洗机清洗原理是在真空状态下使电极之间形成高频交变电场，区域内气体在交变电场的激荡下，形成等离子体，活性等离子体对被清洗物进行物理轰击与化学反应双重作用，使被清洗物表面沾污物质变成粒子和气态物质，经过抽真空排出，而达到清洗目的。

 

二：等离子清洗机结构及其工作流程

等离子体清洗机包括真空室、真空系统、射频电源及匹配系统、工艺气路系统、压力控制系统等，其结构如图1所示，真空抽到100pa以下，充入一定流量的工作气体，开启射频电源及匹配系统，产生等离子体对工件进行清洗，清洗完成后关闭射频电源及真空泵阀和工艺气路，打开充气阀，使真空室恢复到大气压力就可以打开真空炉门，取出工件，完成整个清洗过程。

 

 

 

图6，离子清洗机结构示意图

 

1-产品 2-载物托盘 3-真空室 4-角阀 5-气瓶 6-压力控制系统 7-电极 8- 电极 9-等离子发生器 10-真空泵

 

三：等离子体清洗技术分类

正常使用或被研究的两种等离子体清洗技术可以分为低气压（真空）等离子体清洗技术以及大气压等离子体清洗技术，下面将从这两方面展开：

 

1）低气压（真空）等离子体清洗技术

低气压等离子体清洗技术，顾名思义，在低气压时，离子间碰撞的概率减少，能量损失少，可以产生高密度且均匀的等离子体，同时气体温度不高，这就使其得到很广泛的应用。辉光放电等离子体是在一定的气压条件下，在电极间形成辉光等离子体，因为材料的导电性，所以被清洗的材料物体可以放置在电极或电极之间增加的偏压电极上；射频等离子体是由于高压交变电场形成，射频单电极放电适合于能力较高和范围较大的情况；约束等离子体是通过几何或磁约束等离子体，使其增强，提高了等离子体密度。

 

 

 

图7，典型的低气压等离子体清洗设备结构

2）大气压等离子体清洗技术

 

大气压等离子体清洗技术是相对于低气压等离子体清洗技术的，低气压等离子体具有低温的特征，大气压等离子体可以产生更多的活性粒子，但是所产生的气体温度过高，且不稳定，很容易就转变到均匀放电及弧光放电的状态。大气压放电中的电晕放电采用非对称电极的形式，采用尖端放电的电极，另一端采用较大面积的电极，尖端放电虽然适合大气压的情况，但由于其产生的等离子体不均匀，容易产生局部的电弧放电，因此一般只用于局部的清洗。对于介质阻挡放电，电极间含有绝缘介质，产生低温非平衡的等离子体，激发的电源需要一定的频率，被清除的材料受到体积的限制，材料表面清洁度要求较高而难以满足。微波等离子体就是将微波的能量转化为介质气体的内能从而达到其放电的要求。

 

图8，典型的大气压等离子体清洗设备结构

等离子体清洗技术在很多领域已得到了实际应用，尤其是在半导体业与光电产业、电子资讯工业等高科技领域具有重要的地位。等离子体清洗技术可以用于各种材料的表面清洁与改性，通过使用不同种类的工作气体，不同的等离子激发频率，不同的等离子体产生环境，可以到达不同的清洗效果。

 

3）真空等离子清洗机与大气等离子清洗机区别对比

 

大气等离子清洗机和真空等离子清洗机主要区别在于产生等离子体及维持条件的关键在于是否在真空系统。从当前的实际情况看，大气等离子体的实现条件简单，设备制造及维护成本都比真空等离子体低，且离子源具有可移动性；无需真空系统意味着等离子体材料加工便捷，被加工材料的尺寸不受真空腔室的限制，整个工艺流程实现了自动化连续性生产，大大节约了时间成本，进一步降低了等离子体材料的加工成本。

大气等离子清洗机与真空等离子清洗机区别见下表

设备类型

真空等离子清洗机

大气等离子清洗机

外观

等离子体在真空腔内产生，需要使用真空泵维持特定真空度

等离子体产生后喷出，直径与笔相当；

可排成阵列或以马达带动旋转

生产方式

批次式，亦可做成连续式，但成本大幅提高

连续式，通常与滑台或机械手臂搭配使用

使用气体

任何气体都可以

N2，O2，air为主，可混入其他气体，但需要注意废气处理问题

气体用量

<1L/min

约10~30L/min

等离子体有效范围

等离子体由电极产生，充满整个腔体

等离子体在电极件产生后被气流带出，有效范围2~80mm

静电问题

没有静电损伤问题

喷嘴经特殊设计后没有静电击伤问题

适合材料

无限制

无限制

工件尺寸

中小尺寸，尺寸越大，真空腔体就越大，设备造价将大幅提高

无限制

时效性

与常压相比时效性较长

较真空时效短

 

除了上表所列差异外，真空等离子清洗机由于密闭腔体容易控制气氛，可以得到较纯的等离子体。且因为压力低，等离子体可以扩散的距离较远，等离子体因碰撞所损失的能量也较小，因此真空等离子清洗机有较好的处理效率；

 

由于压力够低，sputter效应也有助于提高清洁速度，甚至可以去除无机污染物；

 

密闭等离子清洗技术清除金属、陶瓷、塑料表面的有机污染物，可以显著加强这些表面的粘性及焊接强度，离子化过程能够容易地控制和安全地重复。

 

如果有效的表面处理对于产品的可靠性或过程效率的提高是至关重要的，那么等离子技术对你也许就是最理想的技术。通过表面活化、蚀刻、表面沉积，等离子技术可以改善绝大多数物质的性能：洁净度、亲水性、斥水性、粘结性、标刻性、润滑性、耐磨性。

 

3、Pasma在血管介入器械应用简介

 

上面介绍了Plasma清洗的原理，分类及区别，但在医疗器械领域中具体有哪些应用呢，接下来就列举最常用的一种情况：

 

1）粘胶表面清洗

血管介入产品需要使用到多种高分子材料，特别是低表面能的材料往往很难直接进行粘胶工艺，达不到预期的效果，这是就需要对其进行表面处理之后再进行胶水粘结，血管介入领域产品使用到的表面能的产品诸如：PTFE、PE、HDPE、LDPE、LLDPE、PI、PFA、PEEK、PVC等；为了实现高分子材料能够更好的实现连接或密封作用，往往需要对材料进行特定的表面处理，其中等离子处理工艺就是效果较好的一种。

 

 

 

本文由广州佳誉医疗器械有限公司/佛山浩扬医疗器械有限公司联合编辑