大氣電漿技術(shù)與傳統(tǒng)真空電漿同樣具有高能粒子,卻無真空電漿所需的密閉式反應(yīng)腔體及真空抽氣系統(tǒng),在近幾年受到許多人的矚目。所為大氣電漿,亦即在常溫常壓的環(huán)境中即能實(shí)施操作,可大幅降低生產(chǎn)成本和加速生產(chǎn)效率。工業(yè)技術(shù)上的表面處理技術(shù),主要是提升工件表面之親水性,或異質(zhì)物接合的黏著強(qiáng)度。目前常用的方式包含:化學(xué)藥劑蝕刻、火焰處理法、臭氧法及真空電漿處理等。但,上述技術(shù)通常具有環(huán)保考量、高成本,與生產(chǎn)效率緩慢等缺點(diǎn)。而大氣壓電漿技術(shù)的崛起,在許多的領(lǐng)域造成革命性的震撼,傳統(tǒng)需真空或濕式制程才能達(dá)到的目的,在常溫常壓的條件下,即有新的解決方法。
電漿技術(shù)簡介
電漿(Plasma)乃一群部分離子化之氣體(Partially Ionized Gas),其內(nèi)部組成包括帶電荷之電子、離子,不帶電的中性氣體原子(或分子)與自由基(Radicals)等物種。若以操作壓力范圍來進(jìn)行區(qū)分,又可分為高溫電漿及低溫電漿。亦即,當(dāng)操作壓力大于500 Torr 時,其產(chǎn)生的電漿因內(nèi)部電子、離子和中性原子(或分子)的碰撞效應(yīng)極為頻繁,故電子溫度(Te)與氣體溫度(Tg)趨近于一致;此時中性原子(或分子)溫度可高達(dá)幾萬或幾十萬K,稱之為高溫電漿(Thermal Plasma)。而當(dāng)操作壓力小于 50 Torr,因平均自由路徑相較為大,此時電子因被外加電場加速而獲得能量。
在較低之操作壓力下時,離子溫度(Ti)遠(yuǎn)比電子溫度低,且中性原子或分子因無法被電場加速,加上受電子或離子的碰撞頻率頗低,因此其整體溫度接近室溫,稱之為低溫電漿 (Non-Thermal Plasma)。
電漿的生成主要靠由電漿內(nèi)部物種的連續(xù)碰撞反應(yīng),亦即靠著電子在電場中加速獲得極高的動能,以碰撞進(jìn)行能量傳遞,解離氣體分子。就原子而言,當(dāng)傳遞的能量累積至足夠造成原子內(nèi)電子的遷移,即產(chǎn)生一離子與二次電子(此電子又將受電場加速而重覆上述反應(yīng))。
而電子動能與電場間可由電場對電子作功之累積表示,即電子動能相當(dāng)于電場作用力與距離之乘積,亦即電子所獲得的能量相當(dāng)于粒子帶電量、電場大小及其粒子平均自由路徑之相乘積。故在電子帶電量固定下,欲提升電子動能則需由增加電場,或提升平均自由路徑,也就是降低碰撞頻率等技術(shù)上著手。這也就是一般電漿制程多半以高電壓,以及低壓真空環(huán)境下操作之主因。然而,低壓真空制程包含高設(shè)備成本,同時限制產(chǎn)品推動連續(xù)制程的應(yīng)用,無法降低制作成本;故電漿制程若能于大氣條件下進(jìn)行,這對于產(chǎn)品成本無非是絕對的優(yōu)勢;而常壓下電子與其它中性物種碰撞頻率極高,其電子在尚未獲得足夠能量進(jìn)行離子化碰撞前便把累積的能量釋出。是故,于大氣環(huán)境下產(chǎn)生電漿,其方法有二︰提供大量電流來加熱氣體分子,此型式又稱為常壓熱電漿;或者提供高壓電場,使電子在有限的距離中累積足夠能量來產(chǎn)生離子化碰撞,此型式為常壓低溫電漿。然而對于制程應(yīng)用而言,一大氣壓且低溫之電漿制程為業(yè)界所樂見的。
大氣電漿之分類
大氣電漿(或稱為常壓電漿)乃指于一大氣壓或接近一大氣壓之狀態(tài)下所產(chǎn)生的電漿,相較于低壓真空電漿技術(shù),常壓電漿系統(tǒng)比真空電漿系統(tǒng)省去龐大的真空腔體與真空泵,于設(shè)備成本上有絕對的優(yōu)勢;更遑論加速生產(chǎn)效率,與減少真空制程步驟和大量維護(hù)成本之效益。
表一整理幾種常見的大氣電漿系統(tǒng)之特性;其中,常壓噴射電漿設(shè)備及介電質(zhì)放電系統(tǒng)因常壓低溫(Non-thermal Plasma)之電漿制程特性,易整合于產(chǎn)品制作流程上,同時有效解決電暈放電系統(tǒng)之均勻度,因此也最備受矚目。
表一大氣電漿系統(tǒng)之特性列表
1. 噴射式電漿(Plasma Jet)
其特色為電漿面積小、能量集中、處理效率高、產(chǎn)生的臭氧濃度較低、靜電累積較小。其應(yīng)用效果是大氣電漿中最佳選擇,但受限于處理面積狹小,通??啥?/span>支并聯(lián)成一寬幅式處理系統(tǒng)。目前的應(yīng)用包括了:表面改質(zhì)、光阻去除、電漿蝕刻、液晶面板芯片貼合、卷帶式載板制程清潔、手機(jī)組裝貼合、生醫(yī)材料殺菌及涂布/印刷前處理。
2006 年,本公司所研發(fā)之常溫常壓噴射式電漿,在常壓常溫的環(huán)境下運(yùn)行時,只消耗空氣和電,即可輕易直接和既有的生產(chǎn)工藝配合,無論是塑料、橡膠、金屬、紡織品、紙類還是玻璃都能大提升工件表面能(>65 達(dá)因)。通過這樣的處理工藝,制品的表面狀態(tài)才能充分滿足后續(xù)的涂裝、粘接、印刷等工藝的要求,始可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代制造工藝所追求的高質(zhì)量,高可靠性,高效率,低成本和環(huán)保等目標(biāo)。
此外,本公司的零電勢常壓噴射式電漿,比起第一代噴射式電漿處理工藝,電極壽命長達(dá)一萬小時;在某些潔凈的環(huán)境與制程下,電極壽命更長達(dá)三萬小時,也更適合處理敏感易損的表面。例如 DVD、電容器、電路基板等。這些表面覆蓋金屬電路制品,透過零電位差電漿的處理,不但不會受到任何的損傷,更是簡潔而易于掌握,且完全環(huán)保的工藝。
2. 介電質(zhì)放電(DBD)
其特色為線型電漿,適合大面積且平整面之工件表面處理。其操作頻率介于 1~40kHz,操作電壓大于 10KV。此工藝的缺點(diǎn)為:絲狀的微放電之電流集中于一些小點(diǎn),容易損壞電極板上做表面處理的材料,且電漿反應(yīng)的效率遠(yuǎn)低于噴射電漿 10 倍以上;各項(xiàng)研究上更指出,DBD 約有 92%能源損耗在熱能的產(chǎn)生。且 DBD 必須使用氮氣,或者氦氣、氖氣等昂貴的惰性氣體,始得以順利點(diǎn)燃電漿。此外,其電漿模塊均勻度制作的困難度,電極壽命與可靠度都備受質(zhì)疑,因此一直未被工業(yè)界正式大量采用。
大氣電漿預(yù)處理特性
在干凈而剛打過蠟的汽車涂裝表面特別容易彈開雨滴是什么原因呢?此乃因?yàn)椋?/span>涂裝表面的能量非常的低,相對于水的表面張力(72 mN/m)非常大之故。傳統(tǒng)噴涂預(yù)處理工藝,為了確保噴涂質(zhì)素良好,工件表面必須徹底清潔 (亦即增加表面能),否則容易影向涂層的附著力。
涂裝前處理程序:
ㄧ、退火 (只適用于塑料)
作用: 由于塑料在涂裝時容易變形,故必須在涂裝前,將塑料加熱到稍低于熱變形時的溫度以減低內(nèi)應(yīng)力。大氣電漿溫度低于 80℃,藉由移動速度可調(diào)整加工溫度,同時達(dá)到薄膜表面退火之目的。
二、