Bei der atmosphärischen Plasmatechnik wird Gas mittels Hochspannung unter Umgebungsdruck derart angeregt, dass ein Plasma zündet. Das Plasma wird mit Druckluft aus der Düse herausgetrieben. Es werden zwei Plasmaeffekte unterschieden:
Aktivierung und Feinstreinigung werden durch die im Plasmastrahl enthaltenen reaktiven Teilchen durchgeführt.
Zusätzlich werden die losen, anhaftenden Partikel durch den druckluftbeschleunigten Aktivgasstrahl von der Oberfläche entfernt.
Durch die Variation der Prozessparameter wie Behandlungsgeschwindigkeit und Abstand zur Substratoberfläche können die Behandlungsergebnisse unterschiedlich beeinflusst werden.
Wie funktioniert die Reinigung mittels atmosphärischem Plasma?
Ein wichtiger Prozess der Plasma-Oberflächentechnik ist die Plasmareinigung. Durch chemische Reaktionen mit den ionisierten Gasen sowie auch den druckluftbeschleunigten Aktivgasstrahl werden Schmutzpartikel entfernt, in die Gasphase umgesetzt und durch kontinuierliche Aktivgasstrahlwirkung weggeblasen. Die hierbei erzielbaren Reinheitsgrade sind relativ hoch.
Bei der Kupferoxid-Reduzierung werden Kupferoxide einem Wasserstoffgasgemisch-Plasma ausgesetzt und somit werden die Oxide chemisch reduziert und es entsteht Wasserdampf. Zu diesen Gasgemischen gehören Ar/H2 oder N2/H2 mit max. Anteil von H2unter 5%. Dies funktioniert bei Atmosphärendruckplasma nur mit sehr hohem Gasverbrauch.
Atmosphärisches Plasma – Plasmabeam
Die Anlage besteht aus drei Einheiten:
- Versorgungseinheit:
- elektrischer Netzanschluss
- Prozessgas- und Kühlgasanschluss
- Hochspannungsgenerator
- Strommessblock
- Gassteuerungsblock
- Frontplatte mit Bedienelementen
- Gas und Stromzuleitung im flexiblen Rohr
- Plasmaerzeuger: die Zentralelektrode, äussere Elektrode und Isolator bilden eine Entladungszone
- Der Hochspannungsgenerator wandelt die Netzspannung in die Hochspannung um (bis zu 10 kV), die notwendig ist für die Ausbildung der elektrischen Entladung.
- Die Versorgungsspannung und das Prozessgas werden in der Entladungszone durch die flexible Leitung zugeführt.
- Der Luftstrom trägt die im Lichtbogen entstehenden aktiven Spezies (i+, e-, r*) aus Entladungszone heraus. (Plasma Jet-Verfahren)
- Der Strom des aktiven Gases wird durch spezielle Düsenform auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert.
PLASMAREINIGEN MIT ATMOSPHÄRENDRUCKPLASMA
Wie wirkt atmosphärisches Plasma bei der Reinigung?
1. Plasmareinigung von Metallen
Manche Behandlungsgüter sind mit Fetten, Ölen, Wachsen und anderen organischen und anorganischen Verunreinigungen (auch Oxidschichten) bedeckt.
Für bestimmte Anwendungen kann es erforderlich sein, absolut saubere und oxidfreie Oberflächen zu erzielen z. B.
- vor dem Sputtern
- vor dem Lackieren
- vor dem Kleben
- vor dem Bedrucken
- vor dem PVD- und CVD-Beschichten
- bei speziellen medizinischen Anwendungen
- bei analytischen Sensoren
- vor dem Löten von Leiterplatten
- bei Schaltern usw.
Das Plasma wirkt hier auf zwei verschiedene Arten:
1. Es entfernt organische Schichten (C-haltige Verunreinigungen)
- Diese werden z. B. von Sauerstoff und Luft chemisch angegriffen
- Durch den Überdruck von der Oberfläche weggeblasen.
- Durch die energiereichen Teilchen im Plasma werden die Verunreinigungen in kleinere, stabile Moleküle umgewandelt und lassen sich dadurch wegtransportieren.
Die Verunreinigungen dürfen nur wenige hundert Nanometer dick sein, da das Plasma nur in der Lage ist, wenige nm pro Durchgang abzutragen.
Fette enthalten z. B. Lithiumverbindungen. Von ihnen können nur die organischen Bestandteile entfernt werden. Das gleiche gilt für Fingerabdrücke. Daher wird das Tragen von Handschuhen empfohlen.
2. Reduktion von Oxiden
- Das Metalloxid reagiert chemisch mit dem Prozessgas. Als Prozessgas wird eine Mischung von Wasserstoff mit Argon oder Stickstoff verwendet. Die thermische Wirkung des Plasmastrahls kann eine weitere Oxidation hervorrufen. Daher wird empfohlen, Prozesse unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen (z. B. N2 oder Ar).
2. Plasmareinigung von Kunststoffen
Bei der Atmosphärendruck-Plasmabehandlung kann die Plasmareinigung nicht von der Plasmaaktivierung getrennt werden.
Als Prozessgas wird üblicherweise trockene und ölfreie Druckluft verwendet.
Das Prinzip entspricht der Plasmareinigung von Metallen.
3. Plasmareinigung von Gläsern und Keramiken
Das Reinigen von Gläsern und Keramiken erfolgt auf die gleiche Weise wie das Reinigen von Metallen. Als Prozessgas für die Reinigung von Gläsern wird Druckluft verwendet.
Allgemein kann gesagt werden, dass eine Reinigung meist mit Druckluft durchgeführt wird.
Als wichtige Parameter müssen hier Abstand, Geschwindigkeit sowie auch Wiederholung des Prozesses (mehrfache Behandlung ist vorteilhaft) berücksichtigt werden.
Ist der Plasmastrahl/Aktivgasstrahl potentialfrei?
Ja, der Aktivgasstrahl von PlasmaBeam besitzt keine oder sehr geringes elektrisches Potential. Deshalb werden PlasmaBeams oft für Reinigung von elektronischen Baugruppen eingesetzt.
Welche Abgase können bei der Plasmareinigung entstehen?
Es entstehen die Stickoxide NO und NO2. Eine geringere Menge von kohlenstoffhaltigen Abgasen ist selbstverständlich auch möglich (CO2, CO).
Wie breit ist die Behandlung mit dem PlasmaBeam?
Die Behandlungsbreite von einer Düse beträgt ca. 8-12 mm. Allerdings muss die Reinigungsbreite bei jeder Anwendung vorab geprüft werden (z. B. Kontaktwinkelmessung).
Bei Verwendung von reinem Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2) wird die Behandlungsbreite etwas erhöht.
Welche Behandlungsgeschwindigkeiten können erreicht werden?
Im Vergleich zu Aktivierungsprozessen beträgt die Reinigungsgeschwindigkeit nur einige wenige cm pro Sekunde. Eine effektive Reinigung erfordert eine Temperaturerhöhung auf der Oberfläche, die nur mittels geringerer Geschwindigkeit erreichbar ist.
Wie hoch ist Strahltemperatur?
Die mittlere Plasmastrahltemperatur beträgt ca. 200 – 250 °C. Bei einer richtigen Abstand- und Geschwindigkeitseinstellung wird die Oberflächentemperatur von ca. 70 – 80 °C erreicht. Daher kann diese Technik für alle gängigen Werkstoffe eingesetzt werden (Metalle, Keramik, Glas, Kunststoffe, Elastomere).
Wie hoch ist die Lebensdauer der Plasmareinigung mittels atmosphärischem Plasma?
Hier können leider keine sicheren Zahlen genannt werden. Die Lebensdauer hängt von Lagerungsbedingungen, Behandlungsparametern sowie dem Verunreinigungsgrad ab.
Beispiele
1. Feuchte Atmosphäre und erhöhte Temperaturen (über 20 °C) reduzieren drastisch die Lebensdauer der Plasmabehandlung.
2. Eine mehrfache Behandlung erhöht die Lebensdauer der Behandlung.
3. Generell gilt für Metalle, Glas- und Keramikoberflächen eine Empfehlung: Das Verkleben, Bedrucken oder Lackieren sollte innerhalb einer Stunde nach der Plasmabehandlung durchgeführt werden, um die maximalen Werte zu erreichen.
4. Für Kunststoffe gilt folgende Lebensdauer für die Plasmabehandlung:
• PA (mit und ohne Glasfaserverstärkung(): 1 – 2 Wochen
• PP, PE: Wir empfehlen eine Weiterbehandlung innerhalb von 1 bis max. 2 Tagen
• PC: 2 – 5 Tage
• ABS, PC/ABS: 2 – 5 Tage
Bitte beachten Sie, dass es sich hierbei um Circa-Werte handelt. Je nach Hersteller können gravierende Unterschiede durch den Einsatz von Additiven und Trennmitteln auftreten.
Welche Hauptvorteile bringt uns die Behandlung mit Atmosphärendruckplasma?
Die PlasmaBeam Technik ist für In-Line Prozesse anwendbar z. B. Plasmareinigung von endlosen Metallprofilen, Rohren vor dem Ummanteln, Kleben, Bonden oder Lackieren.
Diese Technik ist roboter-tauglich, d. h. die 2- oder 3-dimensionalen Oberflächen können mit dem Plasmastrahl mit Hilfe von Robotern abgescannt werden.
PlasmaBeam ermöglicht eine lokale Oberflächenreinigung ohne Maskieren von restlicher Fläche z. B. Reinigung von Al, Au und Cu Bondpads vor dem Drahtbonden (Wire-Bonding) ohne den Rest der Oberfläche zu berühren.
Welche Anwendungen sind möglich?
Plasmabeam: Der Plasmaprozessor ist robotertauglich und kann in bestehende automatisierte Fertigungslinien installiert werden.
AKTIVIEREN MIT ATMOSPHÄRENDRUCKPLASMA
Ist eine Aktivierung von Metallen möglich?
Das Aktivieren von Metallen ist zwar prinzipiell möglich, jedoch ist die Aktivierung auf Metall sehr instabil und daher nur von kurzer Dauer. Wird Metall aktiviert, muss es innerhalb weniger Minuten oder Stunden weiterverarbeitet (verklebt, lackiert…) werden, da sich die Oberflächen schnell und dauerhaft mit Kontamination aus der Umgebungsluft verbinden.
Aktivierung von Metallen ist allerdings nur mit der PlasmaBeam Technik möglich. Sinnvoll ist eine Metallaktivierung vor Prozessen wie Löten oder Bonden.
Ist eine Aktivierung von Kunststoffen möglich?
Kunststoffe wie z. B. Polypropylen oder PE sind von sich aus unpolar aufgebaut. Das bedeutet, dass diese Kunststoffe vor dem Bedrucken, Lackieren und Verkleben vorbehandelt werden müssen. Als Prozessgas wird üblicherweise trockene und ölfreie Druckluft verwendet.
Die Aktivierung kann sehr eindrucksvoll demonstriert werden, indem man ein behandeltes und ein unbehandeltes Werkstück in Wasser (polare Lösung) taucht. Auf dem unbehandelten Teil bilden sich wie gewohnt Tropfen. Das behandelte Teil wird an der Behandlungsstelle vollständig mit Wasser benetzt.
Ist eine Aktivierung von Gläsern und Keramiken möglich?
Gläser und Keramiken verhalten sich ähnlich wie Metalle und weisen eine kurze Lebensdauer der Aktivierung auf. Als Prozessgas wird Druckluft eingesetzt.
Wie kann die Qualität der Aktivierung getestet werden?
Die Qualität der Aktivierung kann schnell und einfach mit zwei verschiedenen Verfahren getestet werden:
– Kontaktwinkel-Messung
Bei diesem Verfahren wir der Randwinkel eines Wassertropfens zur aktivierten Oberfläche gemessen. Je besser die Aktivierung ist, desto flacher liegt der Wassertropfen auf der Oberfläche. Dieses Verfahren wird allerdings selten angewandt, da das Messgerät relativ teuer ist und im Allgemeinen nicht sofort vor Ort gemessen werden kann. Insbesondere lassen sich große oder komplexe Formteile mit den meisten Randwinkelmessgeräten kaum oder gar nicht ohne zerschneiden messen.
– Testtinten
Je nachdem, wie diese Testtinten verlaufen, kann den Behandlungsgütern eine bestimmte Oberflächenenergie zugeordnet werden. Die Einheit ist mN/m [früher: dyn/cm]. Wasser besitzt eine Oberflächenenergie von 72,6 mN/m. Die Testtinten sind erhältlich von 28 – 105 mN/m in 10 Schritten.
Wo wird die Atmosphärendruckplasma-Aktvierung hauptsächlich eingesetzt?
Diese Technik ist hervorragend für folgende Prozesse geeignet:
• Lokale Plasmaaktivierung von Kunststoffen vor dem Verkleben
• Plasmaaktivierung von Elastomeren vor dem Verkleben, Beflocken, Bedrucken (z. B. Gummiprofile im Automotiv)
• Lokale Plasmaaktivierung von Metall- und Keramikoberflächen vor dem Verkleben oder Bonden
Welche Hauptvorteile bringt uns die Aktivierung mit Atmosphärendruckplasma?
PlasmaBeam Technik ist für In-Line Prozesse anwendbar z. B. Plasmaaktivierung von endlosen Gummiprofilen, Schläuche vor dem Bedrucken, Kleben, Beflocken oder Lackieren.
Diese Technik ist roboter-tauglich, d. h. die 2- oder 3-dimensionalen Oberflächen können mit dem Plasmastrahl mit Hilfe von Robotern abgescannt werden.
Gibt es irgendwelche Verschleißteile bei Atmosphärendruckplasma?
Ja, die Plasmadüse muss regelmäßig ersetzt werden.
PLASMABESCHICHTEN DURCH PLASMAPOLYMERISATION MIT ATMOSPHÄRENDRUCKPLASMA
Die Schichtstärke beträgt einige hundert Nanometer.
Wie funktioniert das Beschichten mittels Atmosphärendruck Plasmajet Verfahren?
Zum Beschichten mit dem Plasmajet-Verfahren (atmosphärisches Plasma) werden die Monomere gasförmig mittels Trägergas direkt in den Plasmastrahl zugeführt. Damit wird das Monomer mittels Plasma auf der Oberfläche fokusiert und polymerisiert.
Welche Schichten können mit atmosphärischem Plasma erzeugt werden und welche Monomere werden dafür eingesetzt?
Atmosphärisches Plasma ist hauptsächlich zur Erzeugung von hydrophilen, haftvermittelnden sowie korrosionsvorbeugenden Schichten geeignet.
Als Monomere werden silizium- und kohlenstoffhaltige Substanzen verwendet. Dazu gehören z. B. verschiedene Acrylate und gängige siliziumhaltige Monomere vom Typ HMDSO.
Auf Grund von stark toxischer Wirkung dürfen keine halogenhaltigen Gase und Monomere mit atmosphärischem Plasma verwendet werden (F2, CL2, Br2, I).
Welche Trägergase werden bei atmosphärischer Plasmabeschichtung eingesetzt?
Typischerweise werden folgende Gase eingesetzt:
• Helium (He)
• Argon (Ar)
• Stickstoff (N2)