基于J—T效应的CO2微粒喷射清洗技术

【摘要】简介CO2微粒喷射清洗技术的原理及应用，分析了CO2微粒喷射清洗技术的优势，它是一种真正环保的绿色清洗技术。

【关键词】J-T效应；CO2；清洗

目前，在我国半导体材料清洗行业中主要采用的是传统的化学溶剂清洗方法，而化学清洗会带来令人烦恼的二次污染问题。尽管近年来又相继出现了超声波清洗、离心清洗等技术，但都由于存在一定的局限性而未被推广。CO2微粒喷射清洗技术克服了传统清洗技术的不足，是一种真正的绿色清洗技术。

清洗过程对于高质量的半导体材料是不可或缺的，清洁的表面对于半导体组件的可靠性和性能是十分必要的。当集成度和复杂性进一步增加时，器件的尺度变得越来越小，表面清洁度变得更加关键了。据估计在集成电路组装中超过50%的产品报废是由于微污染所致的。传统的清洗，多指湿式化学清洗技术，此种技术需要耗费大量高纯度的化学品，和去离子纯水，交替去污清洗，此种湿式清洗法，后继水处理及水资源问题耗费及困扰甚大。

基于CO2的清洗方法有四种形式，即传统的干冰清洗、CO2微粒喷射清洗、液态CO2清洗和超临界CO2清洗。其中CO2微粒喷射清洗技术和超临界CO2清洗技术在半导体清洗领域都显示出了良好的应用前景。此外表现在设备的成本方面，CO2微粒喷射清洗所需设备简单成本最低，干冰清洗设备的成本较低，液态CO2清洗和超临界CO2清洗都需要用到高压设备，所以成本较高[1]。

在此主要讨论的CO2微粒喷射法属于第二种情况下的CO2清洗。它利用CO2气体、液体和固体混合而成的高速喷射流体，通过与污垢间的能量和动量的转移作用以及高速气流的清洗作用来清除污垢的。它起源于1986年Hoenig提出了固体CO2与CO2气体的混合物作为清洗剂的清洗方式。他认为高速的喷射流可以提高去除表面颗粒的效率。

1、微粒喷射清洗原理

CO2微粒喷射是一个较复杂的清洗体系。它的基本过程是一绝热节流膨胀过程。在喷射到固体表面的那一剎那，CO2喷射的成分可以同时包含了固体颗粒、液体以及气体流等。不同的成分可以发生不同的机制，以达到移除固态表面微粒的功效。

1.1焦耳-汤姆逊效应（J-T效应）

在连续流动的高压气体，在绝热且不对外做功的条件下，流经一节流膨胀阀迅速膨胀至低压的过程称之为节流膨胀。节流膨胀前后流体的焓值不变，可以认为是一个等焓过程。高压流体经过节流膨胀后的温度变化称之为节流效应，或者焦耳一汤姆逊效应（J-T效应）

气体等焓膨胀时，温度随压力的变化率称为焦汤系数（）。

对于等焓膨胀过程由于总有，当时，气体经节流后温度下降；当时，气体经节流后温度不变；当时，气体经节流后温度升高[2]。

常温常压下，几种气体的值如下表所示：

由上表可知，CO2在常温常压下的值为1.30，大于零且数值较大。所以CO2经节流膨胀后温度通常比其它气体降低的更明显。

由CO2三相图，图1所示，结合CO2的温熵（T—S）图和压焓（P—H）}图得知将CO2气体，维持在临界点温度以下，加压到临界点压力以上可将CO2气体液化进一步使之固化。故选择适当初始状态操作，根据J—T效应将可产生一气、液、固三相喷射流[3]。

微粒喷射清洁作用机制分为下列四种作用机制：

1.2固态冷冻喷射的撞击

在微粒喷射高速冲击到需清洁的工作表面过程中固体颗粒冲击污垢表面微粒的剎那，将自身部分的动量，以冲撞的形式，直接转移给微粒。当动量转移作用能克服固体颗粒与物体表面之间的附着力时，将会促使污垢颗粒脱离物体表面。就某一特定大小的CO2微粒而言，较大的微粒或较快的冲击速度都可产生较大的移除作用力。图2所示。

1.3液态喷射

当液态CO2，依某一角度高速打到污垢颗粒附近时，在碰撞固体表面的瞬间会变形，成为一道流体，继续快速地在固体表面移动，会对污垢颗粒产生一股向前推的黏性拖曳力和向上的浮力。当这两股的合力大过于颗粒对固体表面的附着力时，污垢颗粒就会被喷射带离开固体表面。根据液体喷射的特点，在液体喷射清洗过程中的清洗作用力包括CO2液本身具有的清洗力、通过喷嘴喷出CO2液体的压力、流体的速度动量转换成对清洗污垢颗粒的冲击力以及流体在清洗对象表面发生界面流动等几种作用力的总和。其中液体体对清洗对象表面形成的冲击力满足下列关系式：。式中p为喷射压力；液体密度；Q液体流量；喷射液体的平均速度。一般情况下，对于固体表面污垢颗粒微粒而言，较快的液体流量冲击速度可以产生较大的移除作用力。

1.4高速气流和汽化

当污垢颗粒脱离物体表面，一旦其离开了物体表面就很容易被高速的气流带走，同时CO2固态颗粒与清洗表面问的温度差在千分之几秒内被汽化，体积迅速膨胀近800倍，这样就在冲击点造成“微型爆炸”，将污垢层吹扫剥离。

1.5材料的收缩不一致性

由于污垢和底材为不同材料，一般情况下有不同的热膨胀系数。在遇冷时，会产生不同程度的收缩，造成粘合剥离现象，最终微粒被冷冻喷射移走。这种热力收缩用在金属表面粘结非金属涂层或污物时最为有效[4]。就物理学的观点而言，这也是两种界面应力（以及剪应力和拉应力）交互作用的结果。当CO2高速地喷射在固体表面时，污垢和基底材料因温度下降产生收缩率不同时，分别以垂直方向的浮力与污垢的附着力，和以水平方向的剪应力克服污垢和底材间的摩擦力。当浮力和剪切应力或黏滞力较大时，污垢即可被移除。

基本上，这项反应机制的移除力是与温差成正比。在这四种反应机制中，以固态微粒撞击有最强的移除作用力，液态喷射居次，这主要是针对固体表面式平坦时所下的结论。此外方面，在固体表面有凹凸的情况下，极速汽化被假定是最主要的移除反应机制，这主要是由于卡在固体表面沟槽和通孔内的微粒，绝大多数是超微小的粒子。只有及细小的冷冻喷射微粒才能进去的凹槽内，打在微粒四周，以其汽化后的上升气流，将微粒抬起带走。

在CO2微粒喷射清洗系统中，选择具有不对称结构的Venturi喷嘴设计。因为这种喷嘴能使体系在较长时间内保持等焓条件，从而能产生更多的CO2微粒。获得的气流速度最大并且保持气流更加集中。如果使用普通的直管喷嘴则不能保持等焓的条件并且一般不能产生所需数量的固体CO2。

Venturi型喷嘴内孔为变截面变化，如图3所示，喷嘴的渐扩范围能够使流经的气流压能降低，从而转化成流体的动能，提高颗粒速度。颗粒离幵喷嘴后，可以形成较发散的高速射流。

2、CO2微粒喷射清洗实际应用与发展前景

CO2微粒喷射清洗应用于多个领域，主要有：微电子、微机械、光电、半导体等组件。应用在晶片、半导体组件、光罩、平面显示器、光纤、磁盘驱动器、天文望远镜光学镜片及镜头等。

CO2微粒喷射清洗作为一种新的清洗方法，不使用水和化学试剂，无毒无害，可以满足对洁净度的要求，符合未来清洗技术的要求。CO2是大气的组成成分，取用十分便捷，价格便宜，清洗过程中所有的工作介质都挥发为无害的CO2气体，唯一的废弃物是被清洗掉的污垢，没有任何有害的气体挥发及有害污染物的排放，不会对大气及环境造成危害，所以具有良好的环保效果。CO2喷射清洗技术克服了传统清洗技术的不足，是一种真正的绿色清洗技术.作为清洗介质的CO2容易获得，除石油、合成氨、裂解工业产生的CO2以外，还有大量的天然CO2气井，特别是我国目前火力发电所产生的CO2气体常常被白白排放掉，因此，该技术的推广不仅保护了环境，同时也利用了企业废气、减少了CO2的排放，推进了绿色、低碳的技术形式，能够取得巨大的经济和社会效益。

参考文献

[1]Robert Sherman.Carbon Dioxide Snow Cleaning（J），Particulate Science and Technology，Volume 25， Issue 1，2007 pages 37-57

[2]莫小梅.CO2气体等焓膨胀的焦耳-汤姆逊效应[J].百色学院学报，2010.（6） ：96-100

[3]郭新贺，王磊，景玉鹏.干冰微粒喷射清洗技术[J].微纳电子技术，2012.04（49）：258-262

基金项目

广西高校科学技术研究项目“基于J-T效应CO2气液固相变清洗SMT组件的研究”（2013YB244）；百色学院科研项目“CO2喷射清洗SMT组件的研究”（2011KB07）。

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