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碳元素廣泛存在于油脂、燃料等各種有機、無機化合物中,油脂、燃料等物質(zhì)的不完全分解往往會在汽車與航空發(fā)動機、石化設(shè)備、光學(xué)設(shè)備鏡片等的使用過程中產(chǎn)生積碳現(xiàn)象,從而影響相應(yīng)設(shè)備的運行性能。同時,因應(yīng)用場景的不同,碳污染的類型亦不相同,比如在發(fā)動機中主要是有機或無機的含碳化合物,而光學(xué)鏡片上則是以單質(zhì)碳為主。因此,為減小碳污染對設(shè)備運行性能的影響,針對不同的應(yīng)用場景需要采用不同的除碳技術(shù)與方法。

在電子封裝領(lǐng)域的玻璃絕緣子制造中碳污染以石墨的形式存在。如圖1所示,玻璃絕緣子是一種在微電子封裝中起絕緣支撐、連接內(nèi)外電路作用的封接件,被廣泛應(yīng)用于集成電路、分立器件的金屬封裝中。玻璃絕緣子在經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后產(chǎn)品表面會被石墨污染,特別是由于金屬與石墨的熱膨脹系數(shù)不同,導(dǎo)致燒結(jié)過程中金屬引線與石墨模具發(fā)生干涉,使石墨顆粒嵌入金屬表面。由于石墨本身具有導(dǎo)電性,電鍍時金屬離子會沉積在石墨顆粒上造成鍍層表面結(jié)瘤。通常零件在電鍍前都需要經(jīng)過多次化學(xué)清洗和刷洗,但石墨基本不與酸、堿反應(yīng),嵌入金屬表面的石墨顆粒更是難以被物理刷洗去除,因此不可避免會有少量的石墨殘留造成電鍍?nèi)毕荨?/span>

圖1  玻璃絕緣子實物圖

等離子體清洗去除碳污染原理

等離子體清洗作為一種溫和且高效的清洗技術(shù)被越來越多地用于去除光學(xué)器件上的碳污染，其原理是利用等離子體中激發(fā)的活性氧原子或氫原子與碳反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì)進而去除污染。相較于紫外臭氧清洗、原子氫清洗,等離子體中激發(fā)的活性物質(zhì)密度更高,同時還有高能粒子的物理作用相配合,使等離子體清洗效率更高。此外,非平衡的冷等離子體溫度接近于常溫,因此不會對基材造成熱影響。這些特點使等離子體清洗適合于不耐高溫且需要精密清洗的零件。

隨著等離子體技術(shù)的發(fā)展,低成本、高靈活性的等離子體清洗技術(shù)成為了現(xiàn)實。射頻等離子體已被廣泛用于光學(xué)器件的清洗,以去除非晶碳膜(a-C)、氫化非晶碳膜(a-C:H)。

石墨在空氣中700℃時才與氧氣反應(yīng)并分解為CO₂，石墨在高溫下與空氣中氧氣反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

C(s)+O(g)=CO₂(g)

由于常溫下的粒子平均動能不足,所以反應(yīng)難以持續(xù)進行。等離子體中含有大量的高能電子可以為化學(xué)反應(yīng)提供驅(qū)動力，這些高能電子可以促使化學(xué)鍵斷裂，從而促使電離產(chǎn)生的氧自由基和臭氧分子與表面碳污染層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成易揮發(fā)物質(zhì)CO、CO2等,以清洗材料表面碳污染。

C⁺+O+e→CO

C⁺+O+O+e→CO₂