Entschichtung Wenn die Funktionsschicht zur Kontamination wird
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Entschichtung Wenn die Funktionsschicht zur Kontamination wird parts2clean Fachforum Stuttgart, 01. Juni 2016 Frank-Holm Rögner Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik Winterbergstr. 28 01277 Dresden http://www.cleanlaser.de/wDeutsch/anwendungen/entlacken.php page 1 © Fraunhofer FEP [email protected] Inhalt Beschichtung – Entschichtung Entschichten oder Vorbehandeln? Wirkprinzipien der Oberflächenreinigung und davon abgeleitete Entschichtungsverfahren Entschichtung mit flüssigen Medien Entschichtung mit Gasen Entschichtung mit Strahlverfahren Zusammenfassung page 2 © Fraunhofer FEP Inhalt Beschichtung – Entschichtung Entschichten oder Vorbehandeln? Wirkprinzipien der Oberflächenreinigung und davon abgeleitete Entschichtungsverfahren Entschichtung mit flüssigen Medien Entschichtung mit Gasen Entschichtung mit Strahlverfahren Zusammenfassung page 3 © Fraunhofer FEP Beschichtung – eine Definition Unter Bes chichten (englisch coating) wird in der Fertigungstechnik eine Hauptgruppe der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 verstanden, die zum Aufbringen einer festhaftenden Schicht aus formlosem Stoff auf die Oberfläche eines Werkstückes genutzt werden. Der entsprechende Vorgang sowie die aufgetragene Schicht selbst wird auch als Bes chichtung bezeichnet. Bei einer Beschichtung kann es sich um eine dünne Schicht oder eine dicke Schicht sowie um mehrere in sich zusammenhängende Schichten handeln, die Unterscheidung ist nicht genau definiert und orientiert sich am Beschichtungsverfahren und Anwendungszweck. Die Beschichtungsverfahren unterscheiden sich durch die Art der Schichtaufbringung in chemische, mechanische, thermische und thermomechanische Verfahren. page 4 © Fraunhofer FEP Beschichtung – eine Auswahl Gas förm ig Flüs s ig Gelös t Fes t CVD - Therm. CVD - PE-CVD - Flammbeschichtung PVD - Sputtern - Bedampfen Bemalen Lackieren Spin-Coating Spritzlackieren Tauchlackieren Therm. Spritzen Plastifizieren KTL (ATL) Schmelztauchen Emaillieren Schlitzdüsenb. Rakeln Walzenbesch. Kaskadengießen Wirbelschichtcoat Drucken Ink-Jet Galvanisieren Chromatieren Phosphatieren Verzinken Verzinnen Sol-Gel Chem. Vernickeln Lüstersud Therm. Spritzen Pulverbeschichten Auftraglöten Auftragschw. Wirbelsintern page 5 © Fraunhofer FEP Das Beschichtungssubstrat - Die Oberfläche Kontaminationsschicht > 1µm Sorptionsschicht 1-10 nm Reaktionsschicht 1-10 nm Verformte Grenzschicht > 1µm Grundwerkstoff page 6 © Fraunhofer FEP Anforderungen von Beschichtungsverfahren Ausreichende Adhäsion zwischen Grundwerkstoff und Beschichtungsmaterial Mechanismen der Adhäsion sind jedoch vielschichtig und materialabhängig • Hauptvalenzbindungen (Primärbindungen) – reaktive Systeme • Nebenvalenzbindungen (Sekundärbindungen, z.B. van-der-Waals) * • Mechanische Verklammerung • Diffusionsvorgänge • Elektrochemische Doppelschichten * Benetzbarkeit der Oberfläche -> hohe Oberflächenspannung = gute Adhäsion? Berücksichtigt nur 2 (*) Adhäsionsmechanismen! Manchmal ist ein Zusammenhang gegeben (z.B. für Kunststoffe) • 38 - 40 mN/m zum Bedrucken • 44 - 46 mN/m zum Kaschieren • 48 - 52 mN/m zum Kleben page 7 © Fraunhofer FEP Anforderungen von Beschichtungsverfahren Reaktive Bindung • Aktivierung der Oberfläche durch Bildung von Radikalen (bei Kunststoffen) • Gezielte Oxidation der Oberfläche • Haftvermittler (Primer): reaktive Gruppen für das Grundmaterial + reaktive Gruppen für das Beschichtungsmaterial Mechanische Verankerung • Strahlen, Beizen • Phosphatieren Konversion / Passivierung • Phosphatierung • Chromatierung • Cadmierung • Komplexe Fluoride (Titan, Zirkonium) • Siliciumnitrid page 8 © Fraunhofer FEP Anforderungen von Beschichtungsverfahren Ausgleich der mechanischen Eigenschaften • Zwischenschichten für Reduzierung der Schichtspannung bei unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ..... page 9 © Fraunhofer FEP Das Entschichtungssubstrat - Die Oberfläche Kontaminationsschicht > 1µm Sorptionsschicht 1-10 nm Funktionsschicht >> 1µm (Reaktionsschicht 1-10 nm) Verformte Grenzschicht > 1µm Grundwerkstoff page 10 © Fraunhofer FEP Inhalt Beschichtung – Entschichtung Entschichten oder Vorbehandeln? Wirkprinzipien der Oberflächenreinigung und davon abgeleitete Entschichtungsverfahren Entschichtung mit flüssigen Medien Entschichtung mit Gasen Entschichtung mit Strahlverfahren Zusammenfassung page 11 © Fraunhofer FEP Entschichten oder Vorbehandeln? Entschichten ist das Entfernen vorhandener Beschichtungen (ganz oder teilweise) von der Oberfläche von Werkstücken bis zu einem erforderlichen, vereinbarten oder möglichen Grad. Dabei ist der erreichbare Entschichtungsgrad abhängig vom Entschichtungsverfahren sowie der Art und Beschaffenheit der Beschichtung. Oberflächenvorbehandlung oder metallische Vorbehandlung bezeichnet in der Oberflächentechnik das chemische oder physikalische Bearbeiten von Metallen, bevor diese lackiert, verklebt oder emailliert werden. Zu den gängigen Verfahren zählen mechanische Vorbehandlungsverfahren (beispielsweise Strahlen), Reinigung und Entfettung, Spülen, sowie der Aufbau anorganischer Konversions- oder Passivierungsschichten. page 12 © Fraunhofer FEP Entschichten oder Vorbehandeln? (erweitert) Entschichten ist das Entfernen vorhandener Beschichtungen (ganz oder teilweise) von der Oberfläche von Werkstücken bis zu einem erforderlichen, vereinbarten oder möglichen Grad. Dabei ist der erreichbare Entschichtungsgrad abhängig vom Entschichtungsverfahren sowie der Art und Beschaffenheit der Beschichtung sowie der Art und Beschaffenheit des Werkstücks. Oberflächenvorbehandlung bezeichnet in der Oberflächentechnik das chemische oder physikalische Bearbeiten von Bauteiloberflächen, bevor diese beschichtet werden. Zu den gängigen Verfahren zählen Reinigungsverfahren, mechanische Verfahren (z.B. Strahlen), thermische Verfahren (z.B. Beflammen), chemische Verfahren (z.B. zum Aufbau anorganischer Konversions- oder Passivierungsschichten) und Plasmaverfahren (z.B. zur Kunststoffaktivierung). page 13 © Fraunhofer FEP Entschichten oder Vorbehandeln? Ziel Vorbereitung für Fügen, Recycling, Reparatur- oder Neubeschichtung Materialtrennung vor dem Recycling Langzeitstabile, haftfeste Beschichtung mit erwarteten Schichteigenschaften Keine negative Beeinflussung der Nachfolgeprozesse durch das Substrat Aufgabe Grundinformationen erforderlich: Art, Beschaffenheit und Menge der Beschichtungen auf der Oberfläche Welche Schichten sind bis zu welchem Grad unerwünscht? Erfordert der Haftmechanismus und/oder der Beschichtungsstoff eine zusätzliche Oberflächenbearbeitung? Die genaue Kenntnis des nachfolgenden Verarbeitungsverfahrens, des Grundmaterials und des Schichtwerkstoffs bestimmt die Entschichtung! page 14 © Fraunhofer FEP Inhalt Beschichtung – Entschichtung Entschichten oder Vorbehandeln? Wirkprinzipien der Oberflächenreinigung und davon abgeleitete Entschichtungsverfahren Entschichtung mit flüssigen Medien Entschichtung mit Gasen Entschichtung mit Strahlverfahren Zusammenfassung page 15 © Fraunhofer FEP Wie funktioniert Reinigung? Kontamination (in diesem Fall die Schicht) lösen: Notwendige Mindest-Energiedichte wird durch Bindungskräfte bestimmt Erforderliche Arbeit ist durch Menge der Kontamination und erwartetes Ergebnis bestimmt Effizienz des Energieeintrages bestimmt den Aufwand • Geeignetes Lösungsmittel (chemisch) • Geeignete Mechanik (mechanisch) • Angepasste Temperatur (thermisch) Gilt analog auch für die folgenden Schritte: • Kontamination abtransportieren • Reinigungsmittel entfernen • Oberfläche trocknen page 16 © Fraunhofer FEP Wie funktioniert Reinigung? Die beschichtete Oberfläche ist in der Regel eine mehrlagige Grenzschicht aus: einer Kontaminationsschicht (Partikel, Filme) evtl. einer Sorptionsschicht (häufig Wasser) einer oder mehrerer Funktionsschicht(en) evtl. einer Reaktionsschicht (häufig Oxid) einer deformierten Randschicht des Grundmaterials Steigender Aufwand page 17 © Fraunhofer FEP Entschichtungsverfahren mechanisch chemisch thermisch Spanende Bearbeitung Wässrig Abflammen Flüssigkeitsstrahlen Organische Lösemittel Laserstrahl Feststoffstrahlen Gasförmig, Plasma CO2-Strahlen page 18 © Fraunhofer FEP Inhalt Beschichtung – Entschichtung Entschichten oder Vorbehandeln? Wirkprinzipien der Oberflächenreinigung und davon abgeleitete Entschichtungsverfahren Entschichtung mit flüssigen Medien Entschichtung mit Gasen Entschichtung mit Strahlverfahren Zusammenfassung page 19 © Fraunhofer FEP Reinigung mit flüssigen Medien m echanis ch abrasiv therm is ch abrasiv • Ultraschall • Schleifen chem is ch abrasiv • Elektropolieren, ECO • Beizen in Säuren oder Laugen • Beizen in flüssigen Salzen nicht-abrasiv nicht-abrasiv nicht-abrasiv • • • • • Verstärkung der • • • • • • • • • Rühren, Mischen Umfluten Ultraschall CNX (Cyclic Nucleation Transport) Spritzen Bürsten Elektrolyse page 20 © Fraunhofer FEP • • chem. Wirkung Dampfentfettung Reinigungsmedium herstellen wässrige Lösungen, Tenside + Builder CKW (Chlorkohlenwasserstoffe) KW (Kohlenwasserstoffe) modifizierte Alkohole Flüssiges oder überkritisches CO2 MPC Entschichtung mit flüssigen Medien m echanis ch abrasiv therm is ch abrasiv • Ultraschall • Schleifen chem is ch abrasiv • • • • Elektrolytisches Beizen Beizen in Säuren oder Laugen Beizen in flüssigen Salzen Beizen mit H2O2 nicht-abrasiv nicht-abrasiv nicht-abrasiv • • • • • Verstärkung der • • • • • • • • • Rühren, Mischen Umfluten Ultraschall CNX (Cyclic Nucleation Transport) Spritzen Bürsten Elektrolyse page 21 © Fraunhofer FEP • • chem. Wirkung Dampfentfettung Reinigungsmedium herstellen wässrige Lösungen, Tenside + Builder CKW (Chlorkohlenwasserstoffe) KW (Kohlenwasserstoffe) modifizierte Alkohole Flüssiges oder überkritisches CO2 MPC Entschichtung mit flüssigen Medien – Beizen/Ätzen Ätzen/Beizen tauchen sprühen Oxidation (anodischer Partialprozess) Reduktion (kathodischer Partialprozess) Komplexbildung mit ungeladenen Liganden Komplexbildung mit anionischen Liganden Passivierung der Substratoberfläche page 22 © Fraunhofer FEP Entschichtung mit flüssigen Medien - Organika Sauerstoffhaltige KW Alkohole (Ethanol) KW Terpene Chlorierte-KW Trichlorethylen (Tri) Cl Cl Aldehyde Cl Ketone (Aceton) Perchlorethylen (Per) Ester (Essigäureethylester) Aliphate (Hexan) Ether (Diethylether) Aromaten (Benzol) page 23 © Fraunhofer FEP H Cl Cl Cl Cl Methylenchlorid (Cl2CH2) Entschichtung mit flüssigen Medien - Organika KW, s auers t.h. KW löst Kleb- und Dichtstoffe, Harze, Farben Chlorierte KW CO2 Fette, Öle, Harz, Pech, Wachs, Asphalt, Bitumen und Paraffin Fette, Öle + polare und unpolare Verunreinigungen Eigenschaften einstellbar unpolare organische Verunreinigungen Gute Benetzung Leichte Trocknung Keine Korrosion Niedrige Viskosität gutes Lösevermögen Umweltneutral Nicht brennbar Ungiftig Schmutztrennung - Ozon-schädigend Brennbar, explosiv Vakuumtrocknung Toxisch HCL durch Wasser Löst z.T. Kunststoffe Entsorgung Druckbehälter Lange Nebenzeiten page 24 © Fraunhofer FEP Vorbehandlung mit flüssigen Medien Salzbadbeizung Geschmolzene Salzbäder (Salzschmelze bei 200 °C bis 650 °C) Thermochemische Reaktion Flüssiges Salzbad Hohe Reaktivität und hohes Lösevermögen Entfernt Rückstände: Öle, Fette, Farben, Lacke, Beschichtungen, Oxiden, Wachse, Gläser, Kunststoffe Nachspülung mit Wasser erforderlich zur Beseitigung von Salzresten Beizzeit sehr gering (Sekunden bis wenige Minuten) page 25 © Fraunhofer FEP Anlagenbeispiel Salzbadreinigung [© PrecisonCleaningWeb] Entschichtung mit flüssigen Medien Anlagenbeispiele Quelle: www.rational-tl.de Quelle: Eisenmann Quelle: koerner kvk page 26 © Fraunhofer FEP Inhalt Beschichtung – Entschichtung Entschichten oder Vorbehandeln? Wirkprinzipien der Oberflächenreinigung und davon abgeleitete Entschichtungsverfahren Entschichtung mit flüssigen Medien Entschichtung mit Gasen Entschichtung mit Strahlverfahren Zusammenfassung page 27 © Fraunhofer FEP Entschichtung mit Gasen mechanisch • Sputtering thermisch • • • • • page 28 © Fraunhofer FEP Oxidieren Thermisches Entgraten Verdampfen Plasma Abflammen chemisch • • • Oxidieren Reduzieren Ätzen Entschichtung mit Gasen Plasmareinigung gasförmig Plasma Gasmolekül + Energiezufuhr + * * e- + * e- * + e- usw. organische Kontamination Substrat © Fraunhofer FEP * Molekül- fragment (energiereich) CO, CO2 H2O, etc. Quelle: Fraunhofer IFAM O2*, O2+, O-, O3, Plasma-Reinigung page 29 Gasmolekül (angeregt) + Ionen e- freies Elektron Vakuum-UV Photonen Beispiel: O2-Moleküle + * Entschichtung mit Gasen Abflammen / Flammstrahlen Bauteiloberfläche wird mit AcetylenSauerstoffflamme (3200 °C) abgeflammt Organische Schichten verdampfen Metalloxide zu Metall reduziert verringerte Haftung an Oberfläche Verdampfen der eingeschlossen Feuchtigkeit (in Schmutz- oder Rostschicht) schlagartige Volumenvergrößerung beim Phasenübergang Nachbehandlung durch Drahtbürsten page 30 © Fraunhofer FEP Quelle: Fraunhofer IPK [© Linde] Entschichtung mit Gasen Ofenreinigung page 31 © Fraunhofer FEP Durchlaufofen [© David+Baader GmbH] Quelle: Fraunhofer IPK Reinigung in Schwelkammerofen Unter Sauerstoffabschluss 300 °C bis 470 °C Organische Stoffe (Lack, Kabelisolierung) gasen aus oder verdampfen Giftige Schwelgase werden thermischer Nachverbrennung zugeführt Reinigungsdauer mehrere Stunden Entfettung durch Abrennen Frischluftzufuhr bei 600 °C Zersetzung fettiger Rückstände & Verbrennung in Sauerstoff-Atmosphäre Reinigung mit aggressiven Gasen Durchlaufofen bei 550 °C bis 750 °C Bauteile werden Chlorwasserstoff-, Stickstoffund Kohlendioxidatmosphäre ausgesetzt Inhalt Beschichtung – Entschichtung Entschichten oder Vorbehandeln? Wirkprinzipien der Oberflächenreinigung und davon abgeleitete Entschichtungsverfahren Entschichtung mit flüssigen Medien Entschichtung mit Gasen Entschichtung mit Strahlverfahren Zusammenfassung page 32 © Fraunhofer FEP Entschichtung mit Strahlverfahren mechanisch • • • Feststoffhaltige Strahlmittel Wasser CO2-Pellets page 33 © Fraunhofer FEP thermisch • • • Licht/Laser Elektronenstrahl CO2 chemisch Entschichtung mit Strahlverfahren mechanische Strahlverfahren Hämmerwirkung page 34 © Fraunhofer FEP Schleifwirkung Quelle: Fraunhofer IPK Strahlmittel trifft mit hoher kinetischer Energie auf das Strahlgut Auftreffenergie führt zu plastischer Verformung Erzeugung von Druckspannungen Verformung Haupteffekte Hämmerwirkung Schleifwirkung Entschichtung mit Strahlverfahren mechanische Strahlverfahren Mechanisches Strahlen Schleuderrad Druckstrahlen Druckflüssigkeit Druckluft CO2-Strahlen Trockenstrahlen Nassstrahlen © Fraunhofer FEP Dampf Sprühstrahlen Schlämmstrahlen mit festem Strahlmittel page 35 Feuchtstrahlen Vakuumsaugstr. ohne festes Strahlmittel Spritzstrahlen Entschichtung mit Strahlverfahren CO2 Strahlverfahren [6] Contamination Substrate Mechanischer Effekt page 36 © Fraunhofer FEP Thermischer Effekt Sublimationseffekt Quelle: Fraunhofer IPK CO2 kein Standard-Strahlmittel Strahlen sowohl aus fester- als auch flüssiger Phase möglich Entspannung bei Raumtemperatur Substratoberfläche bleibt unbeschädigt Besondere Wirkmechanismen Mechanischer Effekt Thermischer Effekt Sublimationseffekt Entschichtung mit Strahlverfahren CO2 Strahlverfahren Mit/ohne Druckluftbeschleunigung CO2-Schneestrahlen Weniger abrasiv Hohe Partikelzahl Substratoberfläche bleibt unbeschädigt Rückstandsfrei page 37 © Fraunhofer FEP Quelle: Fraunhofer IPK Trockeneisstrahlen Substratoberfläche bleibt unbeschädigt Rückstandsfrei Substratabkühlung Quelle: Fraunhofer IPK Entschichtung mit Strahlverfahren CO2 Strahlverfahren page 38 © Fraunhofer FEP Entschichtung mit Strahlverfahren Laserstrahlreinigung - Laserablation Leistungsdichte Je nach Material und Laserparameter verschiebt sich der Charakter des Prozesses und die Größe der einzelnen Zonen ! Absorptionsschicht Abtragsbereich T > TVerdampfung Ziel: selbstbegrenzender Abtrag ohne Beeinflussung des Untergrundes Schmelze TVerdampfung > T > TSchmelz T r Wärmestrom ~ th page 39 © Fraunhofer FEP Wärmebeeinflusste Zone T< TSchmelz Quelle: Fraunhofer IWS Laserstrahl Wellenlänge Wechselwirkungsdauer (cw / Pulse) Entschichtung mit Strahlverfahren Laserstrahlreinigung - Anwendung Abtragen Entschichten / Reinigen Entfetten Entlacken Entrosten strukturierter Abtrag Entschichten zu Dekorationszwecken Quelle: Fraunhofer IWS Erzeugen funktioneller Oberflächenstrukturen page 40 © Fraunhofer FEP Entschichtung mit Strahlverfahren Elektronenstrahl-Strukturierung Elektronenstrahl Beschleunigungsspannung Strahlstrom Strahldurchmesser Einwirkdauer Leistungsdichte Ätzgas Elektronenstrahl-induziertes Ätzen: Lokaler chemischer Abtrag im Nano- / Mikrometerbereich, Nutzung eines Ätzgases niedrige Strahlleistungen zur Vermeidung der thermischer Substratschädigung Anwendung: Mikroelektronik, Reparatur von Lithographiemasken Erzeugung von Sekundärelektronen zur Induzierung des Ätzprozesses 5 Absorptionsvolumen, einstellbare Eindringtiefe: S ∝ U 3 ρ Bild: AMTC, Dresden page 41 © Fraunhofer FEP Entschichtung mit Strahlverfahren Elektronenstrahl-Strukturierung Elektronenstrahl Beschleunigungsspannung Strahlstrom Strahldurchmesser Einwirkdauer Leistungsdichte Thermische Schichtablösung Lokales Absprengen dünner Schichten auf Substraten mit niedriger Schmelztemperatur (z.B. Polymerfolie) Thermische Wirkung am Interface SchichtSubstrat: Ablösung durch Dampfbildung Anwendung: Ablösung von Metallschichten auf Polymerfolien, z.B. für die Sensorfertigung Thermische Einwirkung am Interface Dampfbildung an der Substratoberfläche 5 Absorptionsvolumen, einstellbare Eindringtiefe: S ∝ U 3 ρ page 42 © Fraunhofer FEP CrNi auf Polyimid Entschichtung mit Strahlverfahren Elektronenstrahl-Strukturierung Elektronenstrahl Beschleunigungsspannung Strahlstrom Strahldurchmesser Einwirkdauer Leistungsdichte Schichtabtrag über Schmelzphase Lokales Schmelzen der Schicht auf temperaturstabilem Substrat (z.B. Keramik) oder temperaturempfindlichem Substrat mit Metallbeschichtung (z.B. Mo/Ti auf Polyimid) Verdrängung der Schmelze Anwendung: Herstellung von Chipwiderständen, Strukturierung von Dünnschichtsolarzellen Energieabsorption in der Schicht 5 Absorptionsvolumen, einstellbare Eindringtiefe: S ∝ U 3 ρ page 43 © Fraunhofer FEP Begrenzte thermische Einwirkung auf das Substrat CrNi auf Al2O3 CIGS auf Mo/Ti/Polyimid Inhalt Beschichtung – Entschichtung Entschichten oder Vorbehandeln? Wirkprinzipien der Oberflächenreinigung und davon abgeleitete Entschichtungsverfahren Entschichtung mit flüssigen Medien Entschichtung mit Gasen Entschichtung mit Strahlverfahren Zusammenfassung page 44 © Fraunhofer FEP Zusammenfassung Entschichtung ist ein Reinigungsverfahren mit einer Funktionsschicht als Kontamination Für eine erfolgreiche Entschichtung muss das Entschichtungsverfahren selektiv auf die Schicht wirken In der Regel ist dafür folgendes zu beachten Funktionsschichten sind oft widerstandsfähiger als der Grundwerkstoff Die Bauteilgeometrie darf nicht verändert werden Die Grenzfläche muss geschützt werden Die abgetragene Schicht kann ein Wertstoff sein Die Bindungskräfte der Funktionsschicht sind oft sehr hoch Die Art des Entschichtungsverfahrens wird bestimmt durch: Den Grundwerkstoff Das Schichtmaterial Den Nachfolgeprozess page 45 © Fraunhofer FEP Quelle: http://autmundis.com/blog/ Manchmal ist der Sinn einer Entschichtung nicht auf den ersten Blick zu erkennen! page 46 © Fraunhofer FEP
