Chất tẩy rửa Ulasonic được sử dụng rộng rãi trong việc làm sạch chính xác các tấm bán dẫn, linh kiện quang học và thiết bị y tế. Việc kết hợp thiết bị làm sạch siêu âm với thiết bị gia nhiệt ngâm PFA để kiểm soát nhiệt độ sẽ tạo ra cơ chế hư hỏng đã biết: tạo bọt-gây ra xói mòn vỏ bọc PFA. Đầu dò siêu âm tạo ra các bong bóng chân không cực nhỏ phát nổ dữ dội, tạo ra áp suất cục bộ vượt quá 1.000 bar và nhiệt độ đạt tới 5.000 độ tại điểm sụp đổ. Khi những vụ nổ này xảy ra trong phạm vi 1–2 mm tính từ bề mặt PFA, sóng xung kích sẽ ăn mòn polyme thông qua hiện tượng nứt mỏi và loại bỏ vật liệu. Trên tần số 40 kHz, kích thước bong bóng tạo bọt giảm nhưng số vụ nổ mỗi giây lại tăng lên đáng kể. Sự kết hợp giữa tần số cao hơn và tính chất tuân thủ của PFA dẫn đến hiện tượng rỗ bề mặt nhanh chóng, thành mỏng và cuối cùng là thủng{13}}thường trong vòng 100–500 giờ hoạt động, so với hàng nghìn giờ khi sử dụng không sử dụng siêu âm.
Cơ chế thiệt hại do cavitation trong PFA
Thiệt hại do xâm thực đối với polyme khác với xói mòn kim loại. Trong kim loại, hiện tượng xâm thực loại bỏ vật liệu thông qua biến dạng dẻo và đứt gãy do mỏi. Trong PFA, mô đun thấp hơn (600 MPa so với . 200 GPa đối với thép) cho phép polyme hấp thụ một số năng lượng sốc thông qua biến dạng đàn hồi. Tuy nhiên, các vụ nổ xâm thực lặp đi lặp lại ở tần số trên 40 kHz (40.000 chu kỳ mỗi giây) gây ra tải theo chu kỳ của lớp bề mặt với tốc độ vượt quá khả năng phục hồi giữa các xung của polyme. Bề mặt phát triển các vết nứt nhỏ kết hợp lại thành các hố. Mỗi hố sâu dần khi sóng xung kích tập trung ở đáy hố. Không giống như kim loại, có thể thể hiện sự giảm trọng lượng chủ yếu từ bề mặt, các hố PFA lan truyền vào bên trong nhanh chóng vì polyme có khả năng chống lại sự lan truyền vết nứt kém hơn khi bắt đầu. Kính hiển vi điện tử quét của bộ gia nhiệt PFA bị hỏng từ máy làm sạch siêu âm cho thấy độ sâu của hố là 0,5–1,5 mm sau 200–500 giờ-đủ để chọc thủng độ dày thành thông thường là 1,5–2,0 mm.
Ngưỡng tần số gây hư hỏng nhanh là khoảng 40 kHz. Dưới 40 kHz (phạm vi điển hình là 20–40 kHz), bong bóng tạo bọt lớn hơn (đường kính 50–200 µm) và phát nổ với năng lượng riêng lẻ cao hơn nhưng tốc độ lặp lại thấp hơn. PFA có thể tồn tại ở tần số siêu âm 20–40 kHz trong 2.000–5.000 giờ chỉ với bề mặt nhám và rỗ nhỏ (độ sâu 0,1–0,3 mm). Trên 40 kHz (tần số phổ biến: 68 kHz, 80 kHz, 120 kHz, 170 kHz), kích thước bong bóng giảm xuống 10–50 µm, nhưng tần số nổ tăng tỷ lệ thuận. Các bong bóng nhỏ hơn sẽ nổ gần bề mặt PFA hơn vì chúng hình thành dễ dàng hơn ở những điểm không hoàn hảo trên bề mặt. Tốc độ nổ cao hơn (80.000 mỗi giây ở 80 kHz) không cho phép thời gian polyme giãn ra giữa các lần va chạm, dẫn đến hư hỏng mỏi tăng tốc.
Tần suất-Tỷ lệ thiệt hại phụ thuộc
| Tần số siêu âm | Kích thước bong bóng điển hình khi sụp đổ | Thời gian để nhìn thấy vết rỗ đầu tiên (tường 1,5 mm) | Thời gian thủng (tường 1,5 mm) | Đề xuất cho máy sưởi PFA? |
|---|---|---|---|---|
| 20 kHz (làm sạch tiêu chuẩn) | 100–200 µm | 500–1.000 giờ | 2.000–5.000 giờ | Có thể chấp nhận được với việc giảm tải và kiểm tra |
| 25 kHz | 80–150 µm | 400–800 giờ | 1.500–3.500 giờ | Có thể chấp nhận cho dịch vụ không liên tục |
| 28 kHz | 70–130 µm | 350–700 giờ | 1.200–3.000 giờ | cận biên; kiểm tra hàng tháng |
| 35 kHz | 50–100 µm | 250–500 giờ | 800–2.000 giờ | Không khuyến khích hoạt động liên tục |
| 40 kHz (ngưỡng) | 40–80 µm | 150–300 giờ | 500–1.200 giờ | Tránh trừ khi lò sưởi được che chắn |
| 68 kHz | 20–50 µm | 50–150 giờ | 150–500 giờ | Không bao giờ sử dụng |
| 80 kHz | 15–40 µm | 30–100 giờ | 100–300 giờ | Không bao giờ sử dụng |
| 120 kHz (làm sạch tần số-chính xác cao) | 10–30 µm | 20–60 giờ | 50–150 giờ | Không bao giờ sử dụng |
| 170 kHz (làm sạch wafer) | 8–20 µm | 10–40 giờ | 30–100 giờ | Không bao giờ sử dụng |
| 200–400 kHz (siêu âm-, không tạo bọt khí) | Không có cavitation (chỉ truyền âm thanh) | Không rỗ | Không rỗ | An toàn (không tạo bọt ở các tần số này) |
Cơ chế vật lý ở tần số cao
Trên 40 kHz, hai hiệu ứng tăng tốc độ hư hỏng PFA. Đầu tiên là quá trình chuyển đổi từ tạo bọt quán tính (sụp đổ bong bóng dữ dội) sang cái mà đôi khi được gọi là "xâm thực ổn định" hoặc "xâm thực tần số- cao", trong đó các bong bóng dao động nhưng vẫn sụp đổ gần các bề mặt. Áp suất sụp đổ vẫn ở mức cao (100–1.000 bar), nhưng sự sụp đổ xảy ra gần bề mặt hơn nhiều vì các bong bóng nhỏ hơn và dễ tạo mầm hơn ở các khuyết tật bề mặt. Tác dụng thứ hai là làm giảm “lớp đệm”. Ở tần số thấp hơn, bề mặt PFA có thể biến dạng đàn hồi để hấp thụ một số năng lượng sốc. Ở tần số trên 40 kHz, thời gian giữa các lần nổ (12,5 micro giây ở 80 kHz) ngắn hơn thời gian hồi phục của polyme (khoảng 50–100 micro giây đối với PFA ở nhiệt độ phòng). Bề mặt vẫn ở trạng thái căng thẳng liên tục và năng lượng đàn hồi được tích lũy thay vì tiêu tan. Sự tích tụ này dẫn đến trạng thái hư hỏng do mỏi khi bề mặt dần dần trở nên đàn hồi hơn cho đến khi nó bị rách.
Ở các tần số âm thanh cực lớn (200 kHz đến vài MHz), hiện tượng xâm thực không xảy ra do chu kỳ áp suất âm thanh quá nhanh để tạo mầm và phát triển bong bóng. Thay vào đó, dòng âm thanh (chuyển động khối chất lỏng) chiếm ưu thế. Chất tẩy rửa siêu âm-an toàn cho máy sưởi PFA, mặc dù chúng thường được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau (loại bỏ hạt khỏi tấm bán dẫn) so với chất tẩy rửa tần số-thấp hơn (loại bỏ dầu và chất gây ô nhiễm).
Chiến lược giảm thiểu cho dịch vụ siêu âm cần thiết
Khi cần làm sạch bằng siêu âm trên 40 kHz nhưng bộ gia nhiệt PFA được ưa thích hơn vì khả năng tương thích hóa học thì có thể sử dụng bốn chiến lược giảm thiểu. Đầu tiên, lắp đặt lò sưởi trong một buồng hoặc bể chứa riêng biệt không tiếp xúc trực tiếp với trường siêu âm. Tuần hoàn dung dịch tẩy rửa qua buồng gia nhiệt bằng máy bơm; dòng chảy cung cấp nhiệt mà không tiếp xúc với cavitation. Thứ hai, sử dụng tấm chắn kim loại đục lỗ (thép không gỉ có lỗ 2–3 mm, diện tích mở 50%) xung quanh lò sưởi PFA. Tấm chắn hấp thụ năng lượng xâm thực trước khi nó chạm tới polyme. Tấm chắn phải được nối đất và đặt cách bề mặt PFA ít nhất 5 mm để tránh mài mòn do tiếp xúc. Thứ ba, chỉ vận hành máy làm sạch bằng sóng siêu âm khi máy sưởi đã tắt{11}}năng lượng. Trình tự quy trình: làm nóng bể đến nhiệt độ bằng cách sử dụng bộ gia nhiệt PFA đã tắt chế độ siêu âm, sau đó tắt bộ gia nhiệt và bật chế độ siêu âm để làm sạch. Cách tiếp cận này giúp loại bỏ thiệt hại do xâm thực do bộ gia nhiệt không hoạt động khi tiếp xúc với siêu âm (mặc dù PFA thụ động vẫn bị xói mòn). Thứ tư, chọn máy làm sạch siêu âm tần số thấp hơn (20–35 kHz) thay vì 40–80 kHz, nếu ứng dụng làm sạch cho phép. Hiệu quả làm sạch khác nhau giữa các tần số, nhưng đối với nhiều ứng dụng, 28 kHz cung cấp khả năng làm sạch đầy đủ với độ bền PFA chấp nhận được.
Kết luận: Không bao giờ sử dụng máy sưởi PFA với chất tẩy rửa siêu âm trên 40 kHz
Không bao giờ nên sử dụng máy sưởi PFA cùng với máy làm sạch siêu âm hoạt động trên 40 kHz vì hiện tượng tạo bọt-tần số cao gây ra hiện tượng rỗ bề mặt và thủng tường nhanh chóng, thường trong vòng 100–500 giờ. Kích thước bong bóng nhỏ và tần số nổ cao ở các tần số như 68 kHz, 80 kHz và 120 kHz tạo ra hư hỏng mỏi tích lũy vượt quá khả năng phục hồi giữa các cú sốc của PFA. Để làm sạch bằng siêu âm ở tần số 20–40 kHz, bạn có thể sử dụng bộ gia nhiệt PFA một cách thận trọng-có tuổi thọ từ 2.000–5.000 giờ-nhưng cần phải kiểm tra trực quan thường xuyên (hàng tháng) để phát hiện rỗ. Cách tiếp cận an toàn nhất cho bất kỳ ứng dụng siêu âm nào là cách ly bộ gia nhiệt PFA khỏi trường siêu âm thông qua buồng tuần hoàn riêng biệt. Tần số siêu âm-trên 200 kHz là an toàn vì chúng không tạo ra bọt khí. Các kỹ sư chỉ định thiết bị làm sạch bằng siêu âm có kiểm soát nhiệt độ nên chọn tần số bộ gia nhiệt dưới 40 kHz, cách ly bộ gia nhiệt hoặc chọn bộ gia nhiệt bằng kim loại (titan hoặc thép không gỉ) có khả năng chống xói mòn do xâm thực tốt hơn PFA. Sự tiện lợi của một-kết hợp máy sưởi siêu âm một bể không đáng có nguy cơ xảy ra hỏng hóc PFA đột ngột, nhiễm bẩn chất lỏng và nguy hiểm về điện.
