Отмывка в ультразвуковых ваннах.

Применение ультразвуковых колебаний значительно повышает эффективность обезжиривания, травления и промывки деталей в моющих растворах и воде. При распространении ультразвуковых волн в жидкости возникают так называемые звуковые (акустические) потоки, которые имеют вихревой характер и скорость распространения до сотен сантиметров в секунду, интенсивно перемешивают жидкость и способствуют очистке поверхности. Однако наиболее важным фактором воздействием ультразвуковых колебаний на жидкую среду является возникновение кавитации.

Кавитация обусловлена наличием в реальных жидкостях множества микроскопических газовых пузырьков и мельчайших твёрдых частиц, которые служат её центрами и зародышами. Под действием ультразвукового поля газовые пузырьки периодически расширяются и сжимаются, а некоторые захлопываются — кавитируют. Кавитация возникает при колебании пузырьков определённого диаметра. Так, достаточно крупные пузырьки под действием ультразвуковых колебаний попеременно сжимаются и расширяются, не захлопываясь, поднимаются на поверхность жидкости и выделяются из неё. В то время как пузырьки диаметром меньше 60 мкм также не захлопываются, но, совершая колебательные движения, оказывают очищающее действие на поверхность полупроводниковых пластин как своеобразные механические скребки. При захлопывании пузырьков возникают мгновенные местные давления, достигающие десятков тысяч килопаскалей, которые отрывают от поверхности адсорбируемые загрязнения.

Процессы удаления в ультразвуковом поле растворимых и нерастворимых загрязнений протекают по-разному. При очистке от растворимых загрязнений главную роль играет перемещение моющей жидкости. При этом акустические потоки ускоряют процесс растворения загрязнений и обеспечивают быстрый отвод их от очищаемой поверхности. При очистке нерастворимых загрязнений главную роль играет из механическое разрушение в результате кавитации. При этом под действием высоких давлений, возникающих при захлопывании пузырьков, происходит растрескивание плёнок поверхностных загрязнений и частичное отслаивание их от очищаемой поверхности. Колеблющиеся газовые пузырьки проникают под отслоившиеся плёнки, отрывают их от поверхности и частицы загрязнений уносятся акустическим потоками.

Важным преимуществом ультразвуковой обработки является способность кавитационных пузырьков проникать в глубокие поры и канавки деталей сложной конструкции и конфигурации, которые не поддаются очистке никакими другими способами.

Эффективность ультразвуковой очистке зависит от частоты и мощности ультразвуковых колебаний, температуры и состава раствора, степени и характера загрязнений, а также времени обработки.

Наиболее интенсивно ультразвуковая обработка происходит при частотах 20–40 кГц. Это объясняется тем, что при таких частотах газовые пузырьки имеют большие размеры и при кавитации выделяют больше энергии. Кроме того, под действием этих частот вибрируют и сами образцы, что также способствует очистке их поверхности. При частотах ниже 20 кГц звук становиться слышным, поэтому их не применяют.

Для очистки малогабаритных и легкодиформируемых изделий предпочтительны ультразвуковые колебания частотой около 400кГц, так как при низких ультразвуковых частотах образцы могут деформироваться или разрушиться. При высоких ультразвуковых колебаниях очистка происходит под действием вихревых акустических потоков, кавитация отсутствует вибрация обрабатываемых образцов незначительна.

Повышение частоты колебаний уменьшает длину звуковой волны и, следовательно, увеличивает ее проникающую способность. Поэтому высокочастотные ультразвуковые колебания обеспечивают высокое качество очистки изделий, имеющих отверстия, канавки и другие углубления; кроме того, значительно уменьшается масса и размеры ультразвуковых генераторов.

При частотах около 400 Гц эффективность очистки сохраняется на достаточно большом расстоянии от источника колебаний, в то время как при низких она резко падает с увеличением этого расстояния, что вызвано значительными поглощением ультразвука вследствие кавитации.

С увеличением мощности ультразвуковых колебаний возрастает интенсивность кавитации и повышается эффективность очистки. Однако, при слишком большой мощности из-за резкого возрастания интенсивности кавитации в непосредственной близости от источника колебаний увеличиваются потери ультразвуковой энергии, что снижает эффективность очистки. Слишком высокая мощность ультразвуковых колебаний может привести также к механическому повреждению обрабатываемых изделий и эрозии поверхности.

Повышение температуры увеличивает растворяющую способность и химическую активность моющего раствора, но лишь до определённых пределов. С одной стороны, с ростом температуры уменьшается растворимость газов в жидкости и в результате увеличивается число микроскопических пузырьков газов, являющихся зародышами кавитации, а с другой — возрастает упругость пара в газовых пузырьках, что снижает энергию кавитации.

Моющий раствор, применяемый в ультразвуковой очистке, должен интенсивно растворять разнообразные загрязнения, сохранять в течение длительного времени очищающие свойства, обеспечивать возможность регенерации и повторного использовании и малотоксичным, не оказывать растворяющее или коррозийное действие на оборудование, основные материалы и защитные покрытия и, конечно, быть экономичным.

На эффективность ультразвуковой очистки оказывают влияния такие физико-химические свойства моющего раствора, как поверхностное натяжение, упругость паров, вязкость. Так как качество очистки повышается при уменьшении поверхностного натяжения на границе моющего раствора с очищаемой поверхностью, в состав моющего раствора целесообразно вводить поверхностно-активные вещества. Высокая упругость паров моющей жидкости уменьшает энергию кавитации, а ее высокая вязкость снижает эффективность очистки, так как препятствует росту газовых пузырьков и затрудняет их колебательное движение. 

С увеличением времени обработки качество очистки повышается. Время очистки зависит от размеров и формы деталей, состояния их поверхности и степень ей загрязненности, характера загрязнений и других факторов и обычно определяется опытным путём.

Ультразвуковая очистка может быть ступенчатой и непрерывной. При ступенчатой очистке детали обрабатывают последовательно в нескольких ваннах с одинаковым или различными моющими растворами, а при непрерывной перемещают в одной ванне, при этом моющий раствор подают навстречу движению деталей и очистка происходит в различных зонах ванны раствором различной степени загрязненности. Обычно время ультразвуковой очистки составляет около 60 секунд. После извлечения из ванны детали сушат в парах растворителя или потоке чистого газа. Для устранения иногда образующихся при сушке разводов детали прополаскивают в чистом растворителе.

Виды брака при ультразвуковой очистке. Такие изделия электронной техники, как резистор, диоды, транзисторы, интегральные микросхемы, как правило, кавитационно не стойки и не допускают очистки с применением мощных ультразвуковых колебаний. При неправильно выбранном режиме ультразвуковой очистки может произойти деформация или разрушение полупроводниковых приборов. Наиболее распространенными видами брака при ультразвуковой очистке является кавитационная эрозия поверхности изделий, разрушение защитных покрытий, мест паёки и сварки внутренних межсоединений и внешних выводов, а также нарушение герметизации.

Чтобы устранить опасность кавитационного разрушения, очистку полупроводниковых изделий обычно проводят при низких мощностях ультразвуковых колебаний и высоких ультразвуковых частотах. Опасность возникновения резонансных повреждений на определённой частоте определяют опытным путём. Также неправильно подобранная моющая жидкость может оказывать разрушающее или коррозионное воздействие на конструкционные элементы полупроводниковых изделий, защитные покрытия, а также оборудование. Состав моющего раствора и режим работы ультразвуковой ванны нужно подбирать так, чтобы исключить возможность повреждений изделий и обеспечить высокое качество их очистки при минимальных затратах времени.

Применение ультразвуковой обработки в полупроводниковом производстве в несколько раз снижает трудоёмкость операций очистки и значительно повышает качество.