I sistemi plasma a bassa pressione (anche: plasma a vuoto) devono essere configurati in maniera specifica secondo l’applicazione prevista. In particolare per i trattamenti etching e coating occorre costruire adeguatamente i componenti principali di un sistema a bassa pressione:
- Camera da vuoto (volume, materiale, forma)
- Porta-oggetti (in base agli oggetti da trattare)
- Elettrodi (in base al processo e frequenza del generatore )
- Generatore (frequenza, potenza, operazione a pulsi)
- Controllo delle fasi del processi (semi-automatico, PC etc.)
- Controllo del flusso dei gas di processo (MFC, valvole a spillo)
- Pompa da vuoto (volume della camera, velocità del ciclo etc..)
- Accessori (per esempio per dosaggio monomeri etc.)
La Diener electronic GmbH offre una vasta gamma di sistemi a plasma modulari e la missione di Plasonic S.r.l. è il supporto del cliente per determinare la corretta configurazione del sistema a plasma per ogni applicazione.
Sistema al plasma a bassa pressione: pulizia con generatore LF/RF
Sistema al plasma a bassa pressione: pulizia con generatore a microonde
LA PULIZIA AL PLASMA – MATERIALI
METALLI
Per alcune lavorazioni è necessario ottenere delle superfici assolutamente pulite e prive di ossidi, ad esempio:
- prima della procedura di sputtering
- prima della verniciatura
- prima dell’incollaggio
- prima della stampa
- prima dei rivestimenti di PVD e CVD
- per applicazioni medicali speciali
- per sensori analitici
- prima della lega
- prima della saldatura di circuiti stampati
- per interruttori ecc.
Il plasma agisce in due modi:
- Rimuove gli strati inquinanti organici
- Questi sono attaccati chimicamente ad esempio da ossigeno e aria
- Con la pressione ridotta le impurità evaporano parzialmente.
- Attraverso le particelle energetiche, le impurità vengono trasformate nel plasma in parti più piccole, molecole stabili e, quindi possono essere aspirate.
- Inoltre, la radiazione UV scompone le catene degli idrocarburi provoca il loro distacco dalla superficie.
Le impurità devono avere uno spessore di pochi micron, poiché il plasma è solo in grado di rimuovere pochi nm/s. I grassi contengono ad esempio composti di litio: da questi possono essere rimossi solo i componenti organici. Lo stesso vale anche per le impronte digitali.
- Riduzione degli ossidi
- L’ossido metallico reagisce chimicamente con il gas di processo. Come gas di processo viene utilizzato l’idrogeno puro o una miscela di argon o azoto.
È anche possibile eseguire il processo in due fasi. Per esempio, i beni di trattamento vengono prima ossidati con ossigeno per 5 minuti, dopo di che vengono ridotti per 5 minuti con argon-idrogeno (ad esempio miscela del 90% di argon e 10% di idrogeno).
MATERIE PLASTICHE
La pulizia al plasma di materie plastiche è sempre accompagnata dall’attivazione della materia plastica. Se una materia plastica deve essere in realtà solo pulita e non attivata, i parametri di processo devono essere semplicemente ridotti fino ad ottenere l’effetto desiderato. Tipicamente, come gas di processo si utilizza ossigeno tecnico, ma spesso è sufficiente anche l’aria ambiente.
VETRI E CRAMICHE
Come gas di processo per la pulizia dei vetri si raccomanda argon o ossigeno.Gli altri parametri (pressione, potenza del generatore, flusso di gas, durata del trattamento) possono variare a seconda dell’oggetto da trattare.
DISINFEZIONE E STERILIZZAZIONE
Tramite il plasma si possono disinfettare e sterilizzare oggetti utilizzando i gas ossigeno (O2) o perossido di idrogeno (H2O2).
Il plasma uccide batteri e virus attraverso diversi effetti come la bassa pressione, radiazione UV, bombardamento con elettroni, radicali ed altre particelle attive. L’insieme e la varietà dei fattori rispetto ad altri metodi rende meno probabile la creazione di resistenza.
In tutti gli organismi analizzati si osservano danneggiamenti letali nella parte di cella, membrane e DNA.
Il trattamento a plasma per la disinfezione e riduzione di germi ha i seguenti vantaggi:
- Oggetti sensibili al calore possono essere disinfettati a temperatura d’ambiente
- Assenza di sostanze chimiche nocive nell’ambiente e come residui sugli oggetti
- Facile pulizia dei sistemi utilizzati dovuto all’effetto auto-pulizia del plasma
- Attivazione della superficie, utile per esempio per l’inserimento di impianti dentali
- Il plasma ha un’elevatissima capacità di penetrazione nelle cavità e consente pertanto anche la pulizia di geometrie complesse
- Basso consumo di energia del sistema
Per la sanificazione da batteri e virus viene usato un sistema combinato per la sterilizzazione tramite H2O2 e successiva applicazione del plasma. Dopo il processo l’oggetto risulta sterilizzato e può essere utilizzato in sicurezza.
ANALISI DI AMIANTO IN TESSUTI ORGANICI
Nelle analisi relative alla presenza di sostanze estranee nei tessuti del corpo umano è necessario separare i tessuti biologici dal materiale ricercato, solitamente fibre di amianto. Tramite il processo di plasma-ashing viene distrutta e rimossa esclusivamente la parte organica mentre rimangono invariate le fibre di amianto per la successiva analisi in laboratorio. Il processo richiede una configurazione specifica del sistema a plasma mentre il volume della camera da vuoto può essere limitato considerando la quantità contenuta di materiale da esaminare.Per questa applicazione specifica è stata sviluppata una versione dedicata del modello FEMTO:
DATI TECNICI:
- Modello FEMTO dimensione esterne: L 560mm D 500mm A 330mm
- Controllo BASIC PC
- 1 canale gas (MFC)
- Sensore Pirani
- Camera da vuoto L 110mm A 120mm P 300mm in AL
- Generatore 13,56MHz
- Pompa da vuoto Leybold D8B
COME PUÒ ESSERE OTTENUTO L’ASSENZA DI PWIS?
Attraverso le sostanze disruptive – Paint Wetting Impairment Substances in breve PWIS (anche LABS come aconimo tedesco) – appaiono chiaramente degli errori visibili nel prodotto finale di verniciatura, in quanto si impedisce la bagnatura uniforme della superficie. Sullo strato superficiale si verifica la presenza di difetti a forma di imbuto e formazioni di crateri. Le sostanze che causano tali difetti possono essere siliconi, materiali con fluoro (PTFE), alcuni oli e grassi. La procedura di trattamento al plasma rimuove definitivamente tutte le sostanze con difetti di bagnatura dalla vernice dalla superficie. Possono essere puliti oggetti di diversi materiali come PVC-U, PVC-C, PP, PE, ABS e PVDF e componenti metallici. La pulizia al plasma può essere utilizzata tramite processi speciali anche per il trattamento di materiali siliconici e gomma siliconica.
Gli oggetti, a seconda del grado di contaminazione presente, vengono trattati fino ad un’ora con il plasma a bassa pressione . Per confermare il successo del trattamento e quindi l’assenza di LABS, dopo il trattamento al plasma viene effettuato un test-LABS, secondo lo standard Volkswagen PV 3.10.7, con il quale viene rilevata la presenza di residui. Il kit LABS Test è disponibile per la vendita da Plasonic S.r.l.
I BENEFICI DELLA PULIZIA AL PLASMA
- la riduzione del tasso di rilavorazione
- la riduzione del tasso di scarto
- la possibilità di evitare i reclami
- maggiore affidabilità della produzione
ATTIVAZIONE DI MATERIE PLASTICHE
Le materie plastiche come polipropilene, PTFE etc. sono non polari. Ciò significa che le materie plastiche devono essere pre-trattate prima dei processi come incollaggio, stampa e verniciatura. Il gas di processo tipicamente utilizzato è l’ossigeno tecnico. Tuttavia, molte attivazioni possono essere eseguite anche con aria ambiente. Le parti rimangono attive da pochi minuti fino ad un paio di mesi. Tuttavia, si raccomanda di non stoccare gli oggetti trattati per tempi prolungati in quanto attirano polvere, contaminazione organica ed umidità.
ATTIVAZIONE DI METALLI
In linea di principio, l’attivazione di metalli è possibile. Tuttavia, l’attivazione di metalli è molto instabile e quindi di breve durata. Se il metallo viene attivato, il metallo deve essere successivamente trattato (saldato, incollato, verniciato,…) entro pochi minuti o poche ore, dato che le superfici soffriranno la contaminazione dall’aria ambiente in modo veloce e permanente.
Si consiglia di eseguire l’attivazione metallica prima dei processi come saldatura o incollaggio.
ATTIVAZIONE DI VETRI E CERAMICHE
I vetri e le ceramiche si comportano come i metalli e non possono essere ben attivati a causa dalla natura della loro superficie, perciò vengono applicati processi di plasma-etching.
ATTIVAZIONE DI POLVERI E GRANULATO
Per molte applicazioni, l’innovativa polvere polietilene UHMW idrofila viene utilizzata come additivo in gomma, con il risultato di una maggiore resistenza alla lacerazione. Inoltre, è anche possibile aumentare la forza di legame tra metallo e plastica con l’aiuto della polvere PE idrofila. Questo processo di idrofilizzazione è reso possibile da un metodo di trattamento al plasma a bassa pressione. I parametri di trattamento sono altamente dipendenti dalla dimensione delle particelle della polvere. Il tempo di trattamento al plasma può essere compreso tra 30 minuti e diverse ore. Sono esclusi danni termici alla polvere, poiché in questo metodo di trattamento la temperatura di processo rimane costantemente bassa. Inoltre, le proprietà di base della polvere, ad esempio temperatura di fusione, cristallinità ed il peso molecolare non sono interessate.
Nel processo di plasma-etching (anche: “acidatura”) vengono utilizzati gas di processo che trasformano il materiale in superficie del substrato in fase gassosa; quest’ultima viene espulsa dalla pompa da vuoto. Tramite l’impiego di una maschera di etching resistente al gas di processo utilizzato (ad esempio il cromo), alcune aree possono essere protette. In questo modo, una superficie può essere strutturata selettivamente nell’ordine dei nm e um.
| Applicazione | Gruppo | Materiale | Tipo di Gas | Pressione [mbar] | Potenza [%] | Tempo [min] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Etching | Metallo | Alluminio | CCl4 | 0,2 – 0,5 | 100 | 30 – 120 |
| Alluminio | BCl3 | 0,2 – 0,5 | 100 | |||
| Titanio | NF3 | 0,1 – 0,4 | 100 | |||
| Plastica | POM | O2 / O2+CF4 | 0,1 – 0,4 | 100 | ||
| PPS | (O2) | 0,1 – 0,4 | 100 | |||
| PTFE | H2 | 0,2 – 0,5 | 100 | |||
| Altro | Al2O3 | Cl2+Ar | 0,1 – 0,6 | 100 | ||
| SiO2 | CF4 | 0,1 – 0,3 | 100 (con RIE) | 30 – 120 |
ETCHING DI METALLI
L’etching di metalli è possibile in linea di principio, ma solo con gas altamente corrosivi. Per aumentare l’effetto di etching, gli oggetti possono essere pre-riscaldati o la camera da vuoto viene riscaldata.
| Gruppo | Materiale | Tipo di gas | Pressione [mbar] | Potenza [%] | Tempo [min] |
| Metallo | Alluminio | Ar | 0,2 – 0,5 | 100 | 30 – 120 |
| Argento | Ar | 0,1 – 0,4 | 100 | 30 – 120 | |
| Titanio | NF3 | 0,1 – 0,4 | 100 | 30 – 120 |
I parametri di processo e il tempo di esecuzione devono essere adattati per tener conto delle specifiche dei sistemi (tipo di generatore e potenza, configurazione elettrodi) e le proprietà del materiale.
ETCHING DI MATERIE PLASTICHE
L’etching è molto importante per le materie plastiche che presentano difficoltà di verniciatura quali POM, PPS e PTFE: grazie ad una maggiore superficie si ottiene una migliore proprietà di adesione.
I gas di etching tipici sono ossigeno, vari gas contenenti fluoro ed idrogeno.
| Gruppo | Materiale | Tipo di gas | Pressione [mbar] | Potenza [%] | Tempo [min] |
| Materia plastica | POM | O2 / O2 + CF4 | 0,1 – 0,4 | 100 | 30 – 120 |
| PPS | O2 | 0,1 – 0,4 | 100 | 30 – 120 | |
| PTFE | H2 | 0,2 – 0,5 | 100 | 20 – 120 |
I parametri di processo e il tempo di esecuzione devono essere adattati per tener conto delle specifiche dei sistemi (tipo di generatore e potenza, configurazione di elettrodi) e le proprietà del materiale.
ETCHING DI VETRO E CRAMICA
Il processo di etching al plasma del vetro è lungo e costoso in quanto il vetro viene aggredito solo lentamente dalle particelle di gas ionizzate. Il vetro consiste principalmente di SiO2 e quindi vengono utilizzati idrofluorocarburi in combinazione con ossigeno per il processo di etching.
Le ceramiche (come ad es.: Al2O3) possono essere corrose con gas corrosivi e non corrosivi, il miglior risultato si ottiene con gas contenenti fluoro.
| Gruppo | Materiale | Tipo di gas | Pressione [mbar] | Potenza [%] | Tempo [min] |
| Altro | Al2O3 | CF4 | 0,1 – 0,6 | 100 | 30 – 120 |
| SiO2 | CF4 | 0,1 – 0,3 | 100 (con RIE) | 30 – 120 |
I parametri di processo e il tempo di esecuzione devono essere adattati per tener conto delle specifiche dei sistemi (tipo di generatore e potenza, configurazione di elettrodi) e le proprietà del materiale.
COME FUNZIONA LA PLASMA-POLIMERIZZAZIONE?
Per il coating con il plasma a bassa pressione sono introdotti monomeri (sia in forma gassosa che liquida), che polimerizzano sotto l’influenza del plasma. Gli spessori degli strati realizzati attraverso la polimerizzazione di plasma sono dell’ordine o inferiori di un micrometro. L’adesione dei rivestimenti sulla superficie è molto buona.
Le caratteristiche che si possono ottenere sono le seguenti:
I principali gas e monomeri in base al substrato sono:
| Gruppo | Materiale | Tipo di gas | Pressione [mbar] | Potenza [%] |
| Metallo | Alluminio | HMDSO + O2 | 0,1 – 0,5 | 50 – 100 |
| Acciaio inossidabile | HMDSO + O2 | 0,1 – 0,3 | 50 – 100 | |
| Plastica | Plastica | HMDSO + O2 | 0,1 – 0,5 | 50 – 100 |
| Plastica | C4F8 | 0,1 – 0,5 | 50 – 100 | |
| Vetro | Vetro | C4F8 | 0,1 – 0,5 | 50 – 100 |
| Esempio processo: | 1. Attivazione | 5 minuti O2 | ||
| 2. Coating | 5 minuti HMDSO | |||
| 3.Etching | 12 secondi O2 | |||
| 4. Coating | 5 minuti HMDSO | |||
| 5. Etching | 12 secondi O2 | |||
| 6. Coating | 5 minuti HMDSO |
METALLI
Il coating dei metalli attraverso la plasma-polimerizzazione permette l’attivazione permanente oppure l’applicazione di altri strati funzionali.
| Gruppo | Materiale | Tipo di gas | Pressione [mbar] | Potenza [%] | Tempo [min] |
| Metallo | Alluminio | HMDSO + O2 | 0,1 – 0,5 | 50 – 100 | 1 – 60 |
| Acciaio inossidabile | HMDSO + O2 | 0,1 – 0,3 | 50 – 100 | 1 – 60 |
I parametri di processo e il tempo di esecuzione devono essere adattati per tener conto delle specifiche dei sistemi (tipo di generatore e potenza, configurazione di elettrodi) e le proprietà del materiale.
Per un strato con proprietà idrofile permanenti con HMDSO, miscelare i gas come segue: HMDSO : O2 = 1:4
Per un strato con proprietà idrofobiche permanenti con HMDSO, miscelare i gas come segue: HMDSO : O2 = 4:1
MATERIE PLASTICHE
Le materie plastiche possono essere in gran parte rivestite in maniera non complicata attraverso la plasma-polimerizzazione.
Ad esempio i CD e i DVD possono essere rivestiti con uno strato anti-graffio senza comprometterne la qualità.
Dei rivestimenti simili a PTFE possono essere applicati per aumentare la lubricità degli oggetti. Inoltre, è pertanto possibile creare gruppi funzionali sulla superficie delle materie plastiche (ad esempio gruppi amminici per applicazioni bio-analitiche).
| Gruppo | Materiale | Tipo di gas | Pressione [mbar] | Potenza [%] | Tempo [min] |
| Plastica | Plastica | HMDSO + O2 | 0,1 – 0,5 | 50 – 100 | 1 – 60 |
| Plastica | C4F8 | 0,1 – 0,5 | 50 – 100 | 1 – 60 |
I parametri di processo e il tempo di esecuzione devono essere adattati per tener conto delle specifiche dei sistemi (tipo di generatore e potenza, configurazione di elettrodi) e le proprietà del materiale.
La plasma-polimerizzazione anche in questo caso può essere effettuata in più fasi:
Esempio:
| 1. | Attivazione | 5 minuti O2 |
| 2. | Coating | 5 minuti HMDSO |
| 3. | “Etching” | 12 secondi O2 |
| 4. | Coating | 5 minuti HMDSO |
| 5. | “Etching” | 12 secondi O2 |
| 6. | Coating | 5 minuti HMDSO |
VETRI E CRAMICHE
L’unica difficoltà per il rivestimento di vetri e ceramiche è quello di preparare in modo adatto la superficie (vedere la sezione Attivazione ed Etching). Una volta superata questa difficoltà non c’è più limite per la diversità delle applicazioni di rivestimento. Per ogni caso particolare, la forza adesiva specifica del rivestimento deve essere controllata. In caso di “incompatibilità” tra strato e substrato devono essere applicati strati intermedi come leganti.
| Gruppo | Materiale | Tipo di gas | Pressione [mbar] | Potenza [%] | Tempo [min] |
| Vetro | Vetro | C4F8 | 0,1 – 0,5 | 50 – 100 | 30 – 120 |
I parametri di processo e il tempo di esecuzione devono essere adattati per tener conto delle specifiche dei sistemi (tipo di generatore e potenza, configurazione di elettrodi) e le proprietà del materiale.