超声波清洗技术的基础知识.doc

STARCLUSTER昴星团（苏州）超声波技术有限公司日本总公司：STAR CLUSTER 神奈川県相模原市田名3277-14TEL:0081-42-764-4010FAX:0081-42-764-1048 http:/www.star-cluster.cp.jp中国分公司：昴星团（苏州）超声波技术有限公司 苏州新区鹿山路369号环保产业园7#厂房东侧 TELAXttp:/ 超声波清洗技术的基础知识20042004年6月5日株式会社（中文名 株式会社昴星团）柴野佳英 社长 序言在此，我将阐述最新的超声波清洗技术。不过，在进入话题之前，请先允许我明确一下我对清洗技术和环境问题的立场。地球环境问题是21世纪人类面临的最大课题和难题之一。中国拥有全人类最多的人口、并且作为当今的世界制造工厂在不断发展。中国的环境问题也可以说是地球的环境问题。清洗技术也是一种聚集、移动各种环境负荷的技术。这些环境负荷指的即是由于人类的生存以及活动而产生的各种清洗对象物。因此，中国产业发展所必不可少的清洗技术，同时也必须是符合环保要求的技术。如今的中国所需要的清洗技术，必然是从以上观点出发的，有利于环保以及产业发展的综合技术。我们必须牢记CFC的历史教训。中国所需要的并不是发达国家所用的陈旧的清洗技术。我相信，只要理解正确的使用方法，进行有效利用的话，超声波清洗技术定能成为伴随中国经济发展，同时有利于地球环保的发展中国家的未来的技术。2 何为超声波清洗近20年来，超声波清洗停滞发展，其一大理由在于人们对超声波清洗的基本理解上存在误解。伴随着周边技术，例如搬运技术、计装技术、板金技术的进步，根据用户的要求，超声波清洗系统得到了急剧发展。然而，超声波清洗技术的基本内容，除了极少部分以外，并没有发生大的变化。即使外观、搬运技术发生了变化，如果清洗技术本身没有彻底革新的话，超声波清洗技术也将无法顺应时代的潮流。为了充分应用新时代的革新的超声波清洗技术，有必要深刻理解为何超声波清洗能够去除污垢，为何无法去除等原理，消除对于其原理的误解。超声波清洗通过在液体中放射强力超声波，产生空洞（气穴）。然后利用气穴在生成以及消失时的冲击力进行清洗。不产生气穴就不能称为超声波清洗。简而言之，超声波清洗就是利用由超声波产生的气穴进行清洗的技术。因此，理解并有效利用超声波清洗的基本条件就在于正确理解气穴、以及气穴生成、消失现象（气穴现象）。向液体中照射强力的20KHz以上的声波，即超声波。液体中的声压发生超过一定程度的变化时，就产生所谓的气穴。气穴由大量真空核（微小气穴）构成，其大小根据频率及声压变化程度不同而变化，作为应用性的气穴，大小约100微米到10来毫米。其形状也多种多样，可以大致分为气体星云型和球状星云型两种。为了区别于非超声波声压变化产生的气穴，笔者将超声波产生的气穴称为cavity（微小真空核群）。气穴（微小真空核群）不断重复生成和消失过程。以下进行说明（25KHz）。1）发生阶段正冲击波 照片1照片2在初期（20万分之1秒）的声压减压阶段中，气穴发生区会产生无数的雾状微小真空核。微小真空核不断合并、成长，经过20万分之3到4秒达到最大。形似成熟的葡萄，互相紧靠，形成十来个微小真空核群。在此过程中，气穴区域中的液体被高速排出。如果气穴外形为6mm，那么其外侧就有200m/sec的液体移动，从而产生冲击波。这种冲击波被称为正冲击波。气穴的大小（形状）以及液体移动速度决定该冲击波的强弱。被包围在微小真空核之间的液体（空间）带高压。这个阶段部分地决定了超声波清洗的洗净力。但是，如果只有单一方向的压力波，有时候反而会使污垢更陷入清洗物。超声波清洗的特点在于下面的减压阶段。2）消失阶段负冲击波在减压阶段中，在不改变与气穴中心距离的情况下，成长的微小真空核群逐渐缩小。经过约20万分之6秒后，微小真空核群消失。准确地说，与从产生到成长到最大点的时间相比，消失的时间更短。与发生阶段相反，液体向着气穴中心高速移动。根据观测，估计约为220m/sec。在20万分之1到2秒内，微小真空核间的液体减压、膨胀。然后集中经受高速高压的液体冲击波和紊流。在此工程中，向着气穴中心的冲击波被称为负冲击波。这正是洗净力的源泉所在，也是超声波清洗的特长。3）气穴的移动清洗与扩散如上所述，固体表面的污垢（清洗对象污染物质）在气穴发生阶段中被气穴中心发出的冲击波（正冲击波）“挤压”。然后，被负冲击波“牵拉”。1秒钟内重复2万次以上。污垢被带入气穴，在微小真空核间的空间里经过复杂的压缩、膨胀工程，和气穴一同高速移动。这种气穴的移动距离最多不超过气穴发生时的声压变化临界值的下限。因此，球状星云型气穴（超声波的衰减较低）约为/8（波长）左右。而气体星云型气穴的气穴移动距离可以忽略不计。此外，移动速度达到50米/秒到150米秒。这就是超声波清洗的除污原理与非超声波产生的气穴的清洗原理的不同之处。4）对超声波清洗的最大误解有些人把超声波照射在液体中时产生的肉眼可见的气泡误认为是由超声波产生的气穴（微小真空核群）。这正是对超声波清洗技术的最大误解。除了水以外，大多数清洗溶剂里含有大量空气。醇类、氯化物类溶剂、碳化氢类溶剂以及其他可用于清洗或者已经被用于清洗的溶剂，其溶解含氧量均在/以上。因此，经过强力超声波照射，其内部压力发生变化，导致溶解的空气脱离出来，成为气泡，上升到液面后破裂！而不会在液体内部消失、缩小。这种现象叫做超声波气体充气。从液体中跑出的空气在液面再次溶解，由此超声波产生的气泡现象、超声波鼓泡（或者称为超声波气体充气）现象不断继续。但是，这时产生的微小的空气泡会带来一些不良后果，它们会吸收并隔断超声波振动面上产生的有效的超声波。导致超声波产生的气穴无法生成。不先考虑针对这种气泡的对策，而竞相改变超声波振荡器的频率数、振荡方式等均是无稽之谈。照片3对于没有减少溶解空气的对策的，溶剂为水以外的超声波清洗机来说，99%以上的超声波能量都消失在振动面表面！（笔者测定）对于水以外的清洗，之所以没有出问题，其原因在于清洗剂本身具有一定的洗净力，而被忽略了真正问题所在。但是，当今社会是精益求精的社会。超声波产生的气穴在1秒钟内重复生成、消失2万次以上。在该现象中，人类肉眼绝对不可能看到气泡？等物质。如果在超声波振荡时，您发现肉眼可见的气泡的话，那么可以认为该超声波槽的绝大多数超声波能量都未被利用而消失了。3、气穴控制的重要性将清洗物放在超声波振动子上就可以进行超声波清洗的那种初期的超声波清洗装置，笔者将其称为第一代超声波清洗机。而把针对超声波清洗中气穴的重要性，在超声波清洗槽内具备控制气穴功能的超声波清洗装置称为第二代超声波清洗机。在此，我简单地阐述一下第二代超声波清洗机里的气穴控制。这是设计超声波清洗系统的全部基础，我深信没有对此的理解和实践，就无法设计出新时代的超声波清洗。照片41）气穴发生位置的控制在超声波清洗槽（超声波喷射也一样）中，在哪里、稳定地产生怎样的气穴，这是一种极为重要的基础技术。频率数、液体的种类、温度、液深、振动子的配置、液体的流向、温度分布等，以及清洗物的种类都决定气穴的发生位置以及分布形状。根据不同目的设计气穴分布，其基本分布包括水平分布、垂直分布、格子状分布、均等分布、圆柱状分布等。此外，超声波清洗技术员和用户必须明确每个超声波槽的目的、就每个槽内的气穴分布和确认方法达成共识。我们认为，液深不稳定呀，出现无法用理论证明的情况的话，就说明没有掌握清洗设计的基本原理。2）气穴发生密度的控制超声波清洗中的气穴并不在同一个面，而在各个点上产生。各气穴间拥有一定距离，不会出现多个合并发生的现象。一般的脱脂清洗姑且不论，所谓的精密清洗的不良原因正来源于气穴间的空间。因此，人们通过各种方法，试图提高气穴密度，或者试图延长气穴的移动距离。研究超声波的波形、振荡效率、液体射入效率、单位面积上的输出、振动子粘贴方法，减少多余的液体量等等，各种细小的成果正不断积累。而超小型、高速、高密度超声波清洗的想法，正位于这些努力成果的延长线上。3）气穴冲击力的控制气穴的正负冲击力如果太弱，就清洗不干净。如果过强，会损坏清洗对象物而产生不良品。当然，无法控制气穴冲击力，自然无法进行超声波清洗设计。最近超声波清洗的对象物越来越精密化、纤细化，气穴的可选择范围也日渐狭窄。不过，只要能够深入理解超声波清洗中的气穴，我相信您一定能够很好地理解如何控制冲击力。一般来说，气穴的冲击力和液体的压力成正比，和频率数、液体的蒸汽压、溶解的含氧量成反比。气穴的冲击力与气穴在单位时间里排除（吸引）的液体质量成正比，因此只要理解原理，就不难明白如何控制了。在超声波清洗装置中，设计超声波清洗时的气穴控制是一种重要的基本技术。忽略这些，即草率地对待气穴管理的话，是绝不可能发展超声波清洗的新技术的。、第三代超声波清洗技术在追求不同用途的具体的新技术前，我先说明一下作为新技术的框架的超声波清洗。最重要的是原理，而根据不同的对象目的，应用是无限的。这种技术是笔者在CFC时代里，针对脱CFC，在全球最早发现、应用并磨练的基本技术。对于该清洗技术，如果无法准确地控制气穴的话，将无法充分发挥所追求的性能。有时甚至可能破坏超声波振动子，导致洗净力明显低下。但是，我认为没有这种技术，新时代的中国的清洗技术革新将无法实现。这就是第三代的清洗技术 被称为气穴强化系统。）气穴强化系统在拥有能够准确控制气穴的超声波槽的前提下，我们把根据不同目的，控制液体中的空气溶解量的超声波清洗装置称为带有气穴强化系统的超声波清洗装置（第三代超声波清洗装置）。不控制空气含有量（以下出于测定技术考虑，用溶解含氧量代替），今后的超声波清洗技术将寸步难行。溶解含氧量在数ppm以上，也就是一般的水、水系超声波清洗的情况下，产生的是气体星云型气穴。气体星云型气穴在气穴生成、消失时，液体的移动速度较慢，结果导致冲击力及其微弱。此外，由于移动距离短（数mm内），会产生严重的清洗不均。比起产生肉眼可见的气泡的超声波清洗装置来说稍好一些，但是绝对不适合今后追求精密化的超声波清洗装置。因此，在今后的超声波清洗中，我们将利用球状星云型气穴。这种超声波清洗将控制液体中的溶解含氧量，稳定并有效地利用球状星云型气穴。该超声波清洗系统被称为第三代超声波清洗气穴强化系统。）球状星云型气穴我们认为，在范围为的超声波清洗中，控制溶解含氧量在较低水平，利用球状气穴是有效地进行精密清洗的绝对必要条件。球状气穴在单位时间内吸收排出的液体量较大，并且气穴本身的移动速度也很快。因此在相同条件下可以表现出最大洗净力，同时扩散效果（气穴对污垢的搬运效果）也最高。我们希望能够将从液面进入的空气、液体本身含有的气体、附着在清洗物本身表面等的空气从超声波清洗区域去除。同时，将清洗物周围、清洗物以及振动板之间的液体的空气含有量（以含氧量为标准）长期稳定地控制在2以下。不论超声波通过何种媒体、经过怎样的线路照射，这一点，对于气穴利用而言无一例外。至于含氧量（空气）多少较为合适，这是由超声波的频率数、液体的种类、温度，以及更为重要的是清洗目的的精度来决定的。为了稳定地利用该技术、有效地利用超声波的能量，光有排气是不够的，而必须严密地遵守前面提到的气穴控制方法。在笔者发表该项技术后，在日本受到了众多挑战。然而结果是至今没有出现类似品，其原因在于气穴控制技术的欠缺。下面我将按照不同的主要应用领域介绍球状气穴的应用技术。照片5Cavitation Strengthening system Washing power comparison table (sound pressure).232323232323255025505050505025252525五、第三代超声波清洗技术 应用实例、液晶领域里的应用实例以及特长）超声波振动板的大型化 针对玻璃基板而实施的超声波振动子的大型化是该领域的最大特征。超声波振动子由众多压电素子并列连接而成，因此实现大型化必然需要对振动子粘贴以及检查等整体范围内进行技术革新，而不仅仅是单纯在大型板子上大量安装。目前，针对玻璃基板的大型化，我公司正积极研究7.5代的3600W-7200W及其组合的应用化。作为利用球状气穴，带有气穴强化系统的超声波清洗装置的一种极端方向，设计超声波的反射面为仅仅75mm的清洗装置也已广泛实现了应用化。）重新检视超声波频率数在该领域中，超声波的效果长期以来受到怀疑。极端的例子就是在喷头上加上超声波进行清洗的超声波喷头，或者说喷淋头。其实，15年前在日本首先实现应用化，并取得专利的正是笔者。但是，当时存在无法解决的问题，因此我采取了撤退。那个问题，直到今天也没有解决的迹象。具有径直前进性，但是由于频率数高而导致排气泡能力较高。振动板表面产生大量不足1mm的微泡，有效地吸收、隔断超声波。然而，气泡附着在振动板表面，同时形成一个由气泡构成的反射面，引起空振荡而导致震动板损坏。为了防止这种现象，我试图在振动板表面制造高速水流（紊流），去除导致空振荡的气泡。然而，虽然这样保护了振动板，但是紊流以及大量提供的液体产生了更多气泡，令消失。今天，在液晶玻璃基板清洗中，振动板产生的超声波完全无法到达玻璃基板，看上去仿佛仅仅是用强烈的纯水喷头在进行清洗。更何况，喷头清洗的有效范围仅为10m不到，在玻璃基板的单位面积上的清洗时间仅仅数秒而已。基板在清洗槽内的时间反而更长。（这些问题，笔者倒是已经解决。）在这个领域，原本的出现就是气穴强化系统（第三代超声波清洗）实现多方面应用化之前的事。也是错误利用低频率的气体星云型气穴带来了不良影响后的产物。今天，面对日益大型化的玻璃基板等的超声波清洗，我推荐在有效利用球状星云型气穴的前提下，使用以50、最终80为基本频率数，低于的同步广域多重波。气穴的冲击力是可以控制的，为了避免损坏而抑制输出力，或者试图通过极端地提高频率数（比如说提高到）来解决问题，这些都是错误的手段。降低输出将减少气穴数从而导致丧失清洗效果。而极端的高频率也会导致每个气穴冲击力的丧失。在基板大型化，更纤细、精密化的同时，清洗对象物所期待的洗净力也必须更上一层楼。然而，异物越小，其单位面积上的附着力反而越大。因此在此需要一种无破坏性，拥有必要的正负冲击力=洗净力，更均匀、大量、稳定地产生气穴的气穴控制技术。这里由于纸页关系无法详细叙述，然而有些超声波清洗设计者在设计玻璃清洗时无视玻璃的特性。超声波可以通过99%以上的液晶玻璃，因此自身不会形成反射波。这样的话，在超声波清洗中，玻璃应该放在距离振动板的什么位置？（正确地说，这个问题本身是错误的。）或者，从反射面的什么位置通过才能进行清洗？将玻璃基板从振动板上通过即可进行超声波清洗，这种观念只是第一代超声波清洗的观念。、关于半导体领域中的超声波清洗基本而言，处理方法和液晶领域没有区别。仅仅从超声波气穴的应用角度考虑。我认为大家已经充分认识了硬件的重要性，然而如今缺少的，或者说近20年来停滞不前的原因在于缺少超声波清洗技术这种软件方面的考虑。）硅片制造领域乍一看似乎是的天下，其实对现状的洗净力极为令人不满。如前面所述，在通常的纯水中产生微小的气体星云型气穴以及无数空气泡，很难清洗大型化晶片。到达液面的超声波能量还不到10%。因此我们力求针对晶片的大小控制溶解含氧量，单纯促进球状型气穴产生，从而强化洗净力。此时需要注意的是，气穴在振动板上的移动为垂直方向移动。不过，在控制损坏的前提下，笔者推荐的同步多重波。这种新型的强力、致密的高声压超声波解决了的问题。）元器件制造领域超声波蚀刻被认为是新的气穴应用技术。利用超声波，成功地实现了清洗高密度正反晶片50100间隙（紧密附着部）中的焊剂。对于大量插件类的超声波去毛刺、同时进行精密清洗，也是该领域中的新的气穴应用技术。、计算机相关领域、手机通信器械领域在超声波气穴中，反而会产生微小的破坏，以及很多污染，很难应用。因此，笔者开发、利用以、为基本频率的，低于的高声压广域同步多重波。在下，超声波的输出密度为./cm2，/cm2层域。在该领域中，不仅是清洗，微小毛刺也可能导致不良，因此当然也被用于去毛刺。、汽车产业相关领域该领域要求相对较强力的洗净力。然而，该领域有2个开发方向，即大型化、强力化方向以及小型、高速、精密化方向。和其它领域相比，超声波去毛刺业务更多。对于金属、塑料、陶瓷、复合材等各种材料进行超声波去毛刺，是本公司的主力业务之一。在此，我将以此为例，阐述快速成长的连续真空减压超声波清洗去毛刺清洗。这是今后超声波清洗的一种新形式（已获专利）。） 连续真空减压超声波去毛刺清洗笔者开发了各种超声波清洗系统。比如，将大量的衣服塞入洗衣篮，或者挂在衣架上，保持不动，在2分钟短时间内进行清洗的超声波清洗系统。以及被认为无法用超声波的清洗的，几千枚数的金属网重叠后的高温高压过滤网等的短时间内的超声波清洗系统。其原理基本相同。 众所周知，在超声波清洗中，液体中的空气含有量会左右其性能（话虽如此，是否已经采取了正确的措施则另当别论！）。清洗对象物的表面或者内部带有的气泡，