超声波湿式清洗技术和干式清洗技术的探讨

汪森 李紫嫣 沈鑫

摘 要：介绍了新兴的超声波干式清洗技术，并将其与较为成熟的超声波湿式清洗技术在清洗原理，应用领域和优缺点方面进行了综合比较，并对干式清洗技术的发展前景作出展望。

关键词：超声波；干式清洗技术；湿式清洗技术

中图分类号：TB559 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0050-02

Abstract： This paper introduces the new ultrasonic dry cleaning technology， and compares it with the relatively mature ultrasonic wet cleaning technology in cleaning principle， the application field and the advantages and disadvantages， and analyzes the application prospect of the dry cleaning technology.

Keywords： ultrasonic wave； dry-cleaning technology； wet-cleaning technology

1 超声波湿式清洗技术的清洗原理和现应用领域

1.1 清洗原理

超声波指频率高于20kHz的声波，20～50kHz的超声波称为低频超声波，50～200kHz的超聲波称为高频超声波，700～1MkHz的超声波称为兆频超声波。湿式清洗技术通常利用空化效应最为显著的低频超声波[1]。空化效应指声波在液体中传播时，液体会处于负压状态，当负压大于液体强度时，溶解在液体中的空气会以空化核形式析出，空化核会迅速生长成几微米的直径的空化气泡并在缝隙中闭合爆裂，产生声压梯度和声流来反复冲击污物与被清洗表面的结合部位，使污物冲入清洗液中，达到清洗目的。

高频超声波也被广泛应用于超声波湿式清洗技术中，但主要利用其声波流现象[2]在被清洗表面反复摩擦使得污物脱离表面融入清洗液中，达到清洗效果。

1.2 现应用领域

超声波湿式清洗技术从上世纪五十年代开始发展，研究成果不断。在感兴趣的范围内，对现行发展较快的几大领域做简要介绍。

（1）机械工业：郝亮[3]确定了航空发动机低涡轴零件超声波纯水清洗的技术特点，并制定了提高60%以上效率的超声波清洗新工艺。王淼[4]研制了一种超声波全自动清洗机，并解决了零部件篮提出水时有巨大噪声的问题。刘钦等[5]对铍材料复杂结构零件超声波清洗工艺技术进行了研究，在同一个超声波清洗槽中同时实现了2种频率清洗，有效提高了清洗效率。

（2）医疗器械：王萍[6]选取从手术室回收的160套腔镜手术器械，对照试验表明超声波清洗机能够高效清洗腔镜手术器械；郑春丽[7]设计三组实验，研究不同清洗控制条件下空腔车针的清洗效果，发现超声波清洗应用于空腔车针清洗有助于提高车针清洗质量。

（3）电力工业：张志恒[8]认为电子行业中超高频超声波清洗机，主要利用高频超声波推动液体粒子高速冲撞污物进行超精密清洗；白静[9]指出锂电池转接头利用低频超声波就可保证清洗质量并防止工件损坏。

2 超声波干式清洗技术的清洗原理和现应用领域

2.1 清洗原理

超声波干式清洗技术是一种高速气流与超声波共同作用，对超精密待清洗件（如半导体器件，玻璃或硅基板等）亚微米级别的污染物进行清洗的新型干式清洗技术[10]。一般包括三大系统：（1）空气循环系统；（2）清洗件传送系统；（3）超声清洗头。空气循环系统利用负压作用将新空气不断吸入并净化后输入清洗头压力腔，同时利用离心力将内部空气不断送出；清洗件传送系统将待清洗件传送给超声波清洗头。

核心部件超声波清洗头主要有两类：一类空气流经特殊设计的变截面流道时，经激流震荡生成超声波，但这种超声波的强度弱，传递能量少。另一类内置超声波增幅器，超声波空气在大小约0.3mm的出口处体积迅速膨胀，达到一种“微型爆炸”的效果[11，12]。高速气流和超声波的共同作用使污物微粒脱离悬浮，超声波的反射作用将微粒带动起来，由清洗头的真空吸附腔吸走并分离，这种清洗方式杜绝清洗剂对环境造成污染。

2.2 现应用领域

超声波干式清洗作为一个新兴清洗方式，国内研究存在不足，检索较难；国际上日韩、欧美掌握着相关技术[13]，且由于技术保密，公开资料很少，增加了检索难度。从有限的资料分析，该技术主要应用在液晶屏玻璃基板，电子半导体等需要高精密清洗的工业中。

（1）液晶玻璃基板：液晶屏玻璃基板上的主要污染物是灰尘和其它金属离子，而且玻璃基板镀膜有风干、高清洁度要求，超声波干式清洗技术可以较好地解决这一问题[14]；刘旋[15]设计出更符合实际应用的液晶屏超声干式清洗机传送系统，改进了常规0.5mm厚玻璃传送清洗技术，使之适合更薄玻璃的传送清洗。

（2）电子半导体：在集成电路制造工艺中，半导体硅片的清洗效果直接影响到产品成品率。国内对其采用的干式清洗技术有等离子体清洗技术，气相清洗技术等[16]，超声波干式清洗技术作为一种新兴技术在国外得到进一步研究应用，国外学者对超声波干式清洗头进一步优化，改进后的喇叭状换能器解决了超声波在空气中传播能量衰减较大的问题，能最大限度地利用超声波的能量对半导体器件进行清洗[17]。

3 超声波湿式和干式清洗技术对比分析

超声波湿式清洗技术的优点显而易见：清洗工序成熟，产生了相关技术手册，适合工业生产；对于清洗死角，传统清洗效率仅有60%～70%，高压水射流清洗也低于90%，而湿式清洗效率高达98%；超声波湿式清洗技术应用广泛，从事研究人员众多，加快了它的发展。

同时超声波湿式清洗的劣势也很明显：使用的化学清洗剂渗透能力有限，清洗不彻底；工业生产通常要数台不同频率的清洗机联合，增加成本；设备功率选择过低不产生空化泡，过高则容易发生空化腐蚀损坏清洗件；高精密清洗只能用高频甚至兆频超声波清洗，能耗大不环保。

超声波干式清洗技术解决了这方面的问题：不需要另加清洗剂，绿色环保；清洗无附加风干设备，降低成本；清洗头性能持久，维护成本低；非接触式清洗，被清洗件免受损害；对于1um以上的尘粒去除率接近100%；电子工业中，无二次污染，满足超精密度清洗要求[18]。唯一缺点就是目前国内只实现了超声波干式清洗机的“半国产化”，超声波干式清洗头制造的核心技术仍然被日韩、欧美等发达国家限制。

4 超声波干式清洗技术前景展望

国内对于超声波湿式清洗技术的研究一直不落与国外，甚至略有领先，可是在更为精密的干式清洗方面还有较大技术空缺，这种空缺主要集中在理论研究和干式清洗机的国产化生产方面，而超声波干式清洗头的制造国产化是一个发展趋势，也需要更多的研究人员投入其中，相信未来这个方向大有可為！

参考文献：

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[2]郭林伟，林书玉.功率超声的主要应用及研究进展[J].陕西师范大学继续教育学报，2007（3）：106-108.

[3]郝亮.航空发动机低涡轴超声波清洗技术研究[D].大连：大连理工大学，2016.

[4]王淼.超声波自动清洗设备的设计[J].自动化应用，2014（4）：6-8.

[5]刘钦，张福礼.惯性仪表铍材复杂结构件清洗技术研究[J].新技术新工艺，2018（2）：39-43.

[6]王萍.超声波清洗机在腔镜手术器械清洗消毒中的应用效果研究[J].中国农村卫生，2016（4）：1-2.

[7]郑春丽，黄小琴，等.不同清洗方法清洗口腔科车针的效果观察[J].中国实用医药，2017（10）：193-194.

[8]张志恒.用于清洗的高频超声波电源的研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[9]白静，何治国，等.超声波在锂电池转接头清洗中的应用[J].河南科技，2017（5）：67-69.

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[11]史斐娜.超声波干式清洗剂机机械系统设计与研究[D].山西：中北大学，2015.

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[13]Takada S.Dust removing system for panellike bodies：U.S. Patent 5，388，304[P].1995-2-14.

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[16]梁治齐.实用清洗技术手册[M].北京：化学工业出版社，2005：165-171.

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