DE2747082B2

DE2747082B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Werkstücken mit Ultraschall

Info

Publication number: DE2747082B2
Application number: DE2747082A
Authority: DE
Inventors: Jean G.M. Dipl.-Ing. Naugatuck Dussault; Robert A. Dipl.-Kfm. Newtown Geckle; William L. Dipl.-Ing. Trumbull Puskas
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 1976-10-26
Filing date: 1977-10-20
Publication date: 1980-11-06
Also published as: FR2369022B1; GB1591742A; DE2747082A1; JPS5644788B2; FR2369022A1; US4064885A; JPS5354868A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Werkstücken mit Ultraschall, der zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen in ein Lösungsmittel eingestrahlt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Verwendung von Ultraschall in Verbindung mit Lösungsmitteln zum Reinigen von Werkstücken ist bekannt (US-PS 28 45 077, 32 93 456, 33 18 578, 51 352). Die Ultraschallenergie wird in das Lösungsmittel von Ultraschallgebern eingestrahlt, die entweder in den Wänden oder am Boden eines Reinigungstanks vorgesehen sind. Ferner ist es bekannt (DE-AS 29 030), den Ultraschallgeber unmittelbar in die Reinigungsflüssigkeit einzutauchen. Dabei sind stets die zu reinigenden Werkstücke in dem Lösungsmittel untergetaucht. Auch elektronische Bauelemente und Baugruppen werden von Rückständen und Verschmutzungen mit Ultraschall gereinigt (elektronik praxis, Heft 9/75,S9,10,12undl4).

Sollen jedoch dünne zerbrechliche Werkstücke gereinigt werden, die nicht ohne weiteres in ein Reinigungsbad eingelegt werden können, so ergeben sich Schwierigkeiten. So hat man Halbleiterbauelemente, wie dünne zerbrechliche Mikronlättchen. wie sie zur Herstellung von integrierten Schaltungen benötigt werden, dadurch gereinigt, daß man sie waagrecht auf einem rotierenden Teller anordnete, mit Lösungsmittel benetzte und sie mit einer Reinigungsbürste bearbeitete. Dies ist wenig wünschenswert, weil gerade bei der Reinigung von empfindlichen Werkstücken, wie Mikroplättchen, die Oberfläche durch die Bürsten mechanisch beschädigt werden kann; beispielsweise können Schrammen entstehen und können sich in den Bürsten harte Fremdkörper ansetzen, die zum Zerkratzen der Werkstückoberfläche führen. Schließlich sind die Bürsten verschleißanfällig, so daß mit der Zeit der Reinigungseffekt nachläßt Viele Werkstücke, wie Mikroplättchen, bedürfen aber einer sehr sorgfältigen Reinigung, da sie nicht nur frei von Schmutzpartikeln und Fingerabdrücken sein müssen, sondern auch alle Spuren des Lösungsmittels nach dem Reinigen zu entfernen sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem solche dünne, zerbrechliche Werkstücke ohne Beschädigung zuverlässig gereinigt werden können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei dem Verfahren der eingangs geschilderten Art dadurch gelöst daß der Ultraschallgeber in einem geringen Abstand von der ihm zugekehrten, zu reinigenden Fläche des Werkstükkes angeordnet wird und Lösungsmittel auf die freiliegende Fläche des Werkstückes bis zum vollständigen Ausfüllen des Spaltes fließend aufgespült wird.

Es wird also der Spalt zwischen Ultraschallgeber und Werkstück vollständig mit dem ständig zuströmenden Lösungsmittel ausgefüllt so daß auf diese Weise die Ultraschallenergie über das Kontakmittel gezielt auf die zu reinigende Seite des Werkstückes gelangt. Es ergibt sich eine ausgezeichnete Reinigungswirkung auch in Spalten, wobei jede manuelle Einwirkung und Oberflächenkratzer oder Beschädigungen der Oberfläche durch auf die zu reinigende Fläche geführte Materialien vermieden sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. So wird das Werkstück während des Aufspülens des Lösungsmittels und BeschaUens gedreht. Dadurch können auch größere Werkstücke gereinigt werden. Ferner wird das an dem Werkstück haftende Lösungsmittel nach Beendigung der Ultraschallreinigung durch Drehen des Werkstükkes abgeschleudert. So können auch Reste des Lösungsmittels beseitigt und das Werkstück getrocknet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

F i g. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung; und

F i g. 3 einen schematischen Schaltplan, der die Funktion der einzelnen Bauteile erläutert.

In den Fig. 1 und 2 ist eine stationäre Unterlage 11 dargestellt, auf der ein offenes Gefäß 12 gelagert ist. Ein zu reinigendes Werkstück 14 ist in einer horizontalen Ebene angeordnet und ruht mit seiner Unterseite auf einem O-Dichtring 16, der in einer ringförmigen Nut eines Tellers 18 angeordnet ist. Der Teller 18 ist auf einer diehbaren Welle 20 befestigt, die über eine Dichtung 21 flüssigkeitsdicht innerhalb des Gefäßes 12 angeordnet ist. Die Welle ist an ihrem unteren Ende mit einer Riemenscheibe 22 versehen und in einem

U-förmigen Gehäuse 24 gelagert Hin Motor 26 treibt über einen Riemen 28die Welle 20 und damit das auf der Dichtung 16 des Tellers 18 ruhende Werkstück 14 an. Wie nachfolgend noch deutlich werden wird, handelt es sich bei dem Motor 26 in dem bevorzugten Beispiel um s einen in zwei Geschwindigkeiten laufenden Motor.

Die Welle 20 ist des weiteren mit einer Innenbohrung 30 versehen, die zu einer ähnlichen Elohrung 32 im Gehäuse 24, einem Schlauch 34 und einer Vakuumpumpe 36 führi. Durch den Betrieb der Vakuumpumpe 36 wird das Werkstück 14 gegen den Teller 18 gezogen. Dadurch werden mechanische Klemmeinrichtungen vermieden, die zur Erfassung des Randes oder der Deckfläche des Werkstücks 14 erforderlich wären, um das Werkstück 14 auf der Welle 20 während deren is Rotation zu halten.

Ein geeignetes ausgewähltes Lösungsmittel wird von einer Pumpe 40 über eine Leitung 42 auf die freiliegende Deckfläche des Werkstücks 14 abgegeben. Nachdem das Lösungsmittel über die Werkstückoberfläche geflossen ist, wird es in einem Abfluß 44 des Gefäßes 12 gesammelt, einem Abflußschlauch 46 und der Pumpe 40 zur Rezirkulation zugeführt Aus Gründen der Einfachheit sind ein separater Lösungsmittelspeicher sowie ein entsprechender Filter nicht gezeigt

Die vorstehend beschriebene Anordnung ist bei Vorrichtungen zum Reinigen von Werkstücken mittels Bürsten handelsüblich.

In den F i g. 1 und 2 ist weiterhin ein flacher Ultraschallgeber 50 gezeigt, der in dem bevorzugten Beispiel einen kreisförmigen piezoelektrischen Chip 51 aufweist, der in einem Metallgehäuse 52 gelagert ist Der Freiraum zwischen dem piezoelektrischen Chip 51 und dem Gehäuse 52 ist mit Epoxidharz 54 verfüllt, wie es bei derartigen Schallgebern üblich ist. Das Gehäuse 52 ist an einer Röhre 56 montiert, die in ihrem Inneren ein Paar elektrische Leiter 58 zur Lieferung von elektrischer Hochfrequenzenergie von einem Generator 60 an den piezoelektrischen Chip 51 enthäl·. Bei einer typischen Ausführungsform ist der piezoelektrische *o Chip 51 so dimensioniert, daß er mit einer Frequenz von 70 kHz erregt werden kann, die in dein piezoelektrischen Chip Resonanz erzeugt. Es ist klar, daß je nach den Abmessungen des piezoelektrischen Chips andere Frequenzen erforderlich sind, um in dem Schallgeber 50 Resonanz zu erzeugen. Normalerweise wird eine Frequenz in einem Bereich von 2OkHz bis 100 kHz bevorzugt. Die Röhre 56 ist durch eine Platte 70 an einem Block 71 montiert der über einen Stift 73 an einem stationären Bauteil schwenkbar gelagert ist. In Ansprache auf die Erregung eines Solenoides 74 läßt ein Gestänge 76 den Schallgeber 50 nach oben schwingen und die in F i g. 1 strichpunktiert dargestelltJ Position einnehmen. Eine mit der Platte 70 n. Kontakt tretende Schraube 77 stoppt die Abwärtsbewegung des Ultraschallgebers 50, wenn das Solenoid entregt wird und reguliert auf diese Weise den Abstand zwischen der Frontfläche des Schallgebers und der Oberfläche des Werkstückes 14. Um eine optimale Reinigung zu erzielen, sollte die Oberfläche des Schallgebers zu der <>o ebenen Werkstückfläche parallel angeordnet sein.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Vorrichtungbeschrieben.

Wenn das Solenoid 74 erregt ist (s. auch F i g. 3) und sich der Ultraschallgeber 50 in der angehobenen Stellung befindet, wird ein zu reinigendes Werkstück 14 auf den Teller 18 gelagert. Als nächstes wird die Vakuumpumpe 36 in Tätigkeit gesetzt, um innerhalb der Bohrung 30 ein Vakuum zu erzeugen, über das das Werkstück auf der Welle 20 gehalten wird. Als nächstes wird der Motor 26 eingeschaltet, und man läßt diesen mit seiner niedrigen Geschwindigkeit, normalerweise 100 Umdrehungen pro Minute, laufen, wodurch das Werkstück 14 in Umdrehungen versetzt wird. Eine zu hohe Rotationsgeschwindigkeit erzeugt eine zu hohe Tangentialgeschwindigkeit des Lösungsmittels, was eine schlechte Reinigung bewirkt Dann wird die Pumpe 40 für das Lösungsmittel betätigt und ein Ventil 80 in der Lösungsmittelleitung, das in den F i g. 1 und 2 nicht gezeigt ist, geöffnet, so daß Lösungsmittel von der Leitung 42 in einem Film Ober die freiliegende Fläche des rotierenden Werkstücks 14 fließen kann. Als nächstes wird durch Entregung des Solenoides 74 der Ultraschallgeber 50 abgesenkt so daß er eine Stellung über dem Werkstück 14 einnimmt Wenn der flüssige Film die Werkstückoberfläche überströmt wird der Hochfrequenzgenerator 60 eingeschaltet der Resonanz des Ultraschallgebers 51 erzeugt Dadurch wird in dem relativ dünnen Lösungsmittelfilm, der kontinuierlich über die Werkstückoberfläche strömt Kavitation erzeugt Der Lösungsmittelfilm ist vorzugsweise relativ dünn, normalerweise 1 mm oder weniger. Es ist auch ein dickerer Film bis zu 6 mm geeignet wobei mehr Ultraschallenergie erforderlich ist Je dünner der Film ist desto größer ist derjenige Ultraschallenergieanteil, der die Werkstückoberfläche erreicht und desto niedriger ist die erforderliche Leistung. Durch die Ultraschallenergie werden die Schmutzpartikel von der Werkstückoberfläche gelöst Der strömende Film entfernt dann die Schmutzpartikel und Materialreste von der Werkstückoberfläche. Da das Werkstück rotiert, werden alle seine Oberflächenteile der Ultraschallenergie ausgesetzt, so daß der Schallgeber nicht den gleichen Durchmesser wie das Werkstück aufweisen muß. Sein Durchmesser ist vielmehr geringfügig größer als der Radius des kreisförmigen Werkstückes.

Nachdem der Reinigungsvorgang durchgeführt worden ist, normalerweise in einem Zeitraum von 5—30 Sekunden, wird die Pumpe 40 abgestellt und das Ventil 80 geschlossen. Dadurch wird der Lösungsmittelstrom gestoppt. Zu diesem Zeitpunkt wird auch der Generator 60 abgestellt und vorzugsweise das Solenoid 74 erregt, um den Schallgeber vom Werkstück 14 abzuheben. Als nächstes wird der Motor 26 auf seine hohe Geschwindigkeit eingestellt, beispielsweise 5000 Umdrehungen pro Minute, um eine schnelle Umdrehung des Werkstückes zu bewirken und damit das die Werkstückoberflächen überlagernde Lösungsmittel durch die Zentrifugalkraft abzutreiben. Nachdem dieser Trocknungsvorgang beendet ist, normalerweise nach einer Zeitdauer von nur zehn Sekunden, wird der Motor 26 angehalten und die Vakuumpumpe 36 gestoppt. Wenn das Werkstück stillsteht und sich das Vakuum abgebaut hat oder ein zusätzliches Belüftungsventil, nicht gezeigt, betätigt worden ist, wird es von der Vorrichtung entfernt, die nunmehr mit einem neuen Werkstück beschickt werden kann.

Die vorstehend beschriebene Abfolge von Verfahrensschritten kann manuell erzielt werden, es kann jedoch auch, falls dies gewünscht wird, eine Steuereinrichtung 100 in Form einer simplen nockenbetätigten, motorbetriebenen Takteinrichtung eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die vorstehend beschriebene Abfolge in gewissem Umfang variiert werden, ohne daß dadurch der Reinigungsvorgang nachteilig berührt wird. Beispielsweise kann vor dem Trocknen ein Spülzyklus

eingeführt werden, wobei Wasser über das Werkstück strömt, um Lösungsmittelreste zu entfernen.

Der besonders wirksame Reinigungsvorgang wird in erster Linie durch Kombination eines dünnen strömenden Lösungsmittelfilmes mit Ultraschallenergie, der der Film ausgesetzt wird, während sich das Werkstück in Bewegung befindet, erreicht. Durch Kombination des Reinigungsvorganges mit einem Rotationstrocknungsvorgang wird ein manueller Kontakt mit dem Werkstück vermieden, wodurch hervorragende Ergebnisse erzielt und Oberflächenkratzer verhindert werden. Des weiteren wird vermieden, daß andere Materialien auf die Oberfläche des zerbrechlichen Werkstückes geführt werden, was schädlich ist, wenn das Werkstück zu einem Teil einer elektronischen Schaltung weiterverarbeitet werden soll.

Nach einer alternativen Ausführungsform besitzt der Ultraschallgeber 50 im wesentlichen den gleichen Durchmesser oder einen größeren Durchmesser als das Werkstück 14, so daß er dessen Gesamtoberfläche abdeckt. Das Werkstück wird danach im stationären Zustand mit einem Reinigungsmittel gesäubert, das in den Freiraum zwischen dem Schallgeber und der ίο Oberfläche eingeführt wird. Wie vorstehend beschrieben, läßt man das Werkstück danach zum Trocknen rotieren. Bei dieser alternativen Ausführungsform ist daher ein Motor 26 erforderlich, der nur mit einer einzigen Geschwindigkeit läuft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Reinigen von Werkstücken mit Ultraschall, der zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen in ein Lösungsmittel eingestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallgeber in einem geringen Abstand von der ihm zugekehrten, zu reinigenden Fläche des Werkstückes angeordnet wird und Lösungsmittel auf die freiliegende Fläche des Werkstückes bis zum vollständigen Ausfüllen des Spaltes fließend aufgespült wird.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück während des Aufspülens des Lösungsmittels und BeschaUens gedreht ^IS wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das an dem Werkstück haftende Lösungsmittel nach Beendigung der Ultraschallreinigung durch Drehen des Werkstückes abgeschleudert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Spaltes zwischen Werkstück und Ultraschallgeber nicht größer als 6 mm gewählt wird.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Haltevorrichtung für das Werkstück und einem Ultraschallgeber, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (14) auf einem drehbar angeordneten Teller (18) gehalten, der Ultraschallgeber (50) über das Werkstück absenkbar ist und eine Vorrichtung zum Ausgeben des das Werkstück bespülender. Lösungsmittels vorgesehen ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück auf dem Teller (18) durch Unterdruck gehalten ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallgeber (50) vom Werkstück weg schwenkbar angeordnet ist.

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