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碳元素廣泛存在于油脂、燃料等各種有機、無機化合物中,油脂、燃料等物質的不完全分解往往會在汽車與航空發動機、石化設備、光學設備鏡片等的使用過程中產生積碳現象,從而影響相應設備的運行性能。同時,因應用場景的不同,碳污染的類型亦不相同,比如在發動機中主要是有機或無機的含碳化合物,而光學鏡片上則是以單質碳為主。因此,為減小碳污染對設備運行性能的影響,針對不同的應用場景需要采用不同的除碳技術與方法。

在電子封裝領域的玻璃絕緣子制造中碳污染以石墨的形式存在。如圖1所示,玻璃絕緣子是一種在微電子封裝中起絕緣支撐、連接內外電路作用的封接件,被廣泛應用于集成電路、分立器件的金屬封裝中。玻璃絕緣子在經過高溫燒結后產品表面會被石墨污染,特別是由于金屬與石墨的熱膨脹系數不同,導致燒結過程中金屬引線與石墨模具發生干涉,使石墨顆粒嵌入金屬表面。由于石墨本身具有導電性,電鍍時金屬離子會沉積在石墨顆粒上造成鍍層表面結瘤。通常零件在電鍍前都需要經過多次化學清洗和刷洗,但石墨基本不與酸、堿反應,嵌入金屬表面的石墨顆粒更是難以被物理刷洗去除,因此不可避免會有少量的石墨殘留造成電鍍缺陷。

圖1  玻璃絕緣子實物圖

等離子體清洗去除碳污染原理

等離子體清洗作為一種溫和且高效的清洗技術被越來越多地用于去除光學器件上的碳污染，其原理是利用等離子體中激發的活性氧原子或氫原子與碳反應生成揮發性物質進而去除污染。相較于紫外臭氧清洗、原子氫清洗,等離子體中激發的活性物質密度更高,同時還有高能粒子的物理作用相配合,使等離子體清洗效率更高。此外,非平衡的冷等離子體溫度接近于常溫,因此不會對基材造成熱影響。這些特點使等離子體清洗適合于不耐高溫且需要精密清洗的零件。

隨著等離子體技術的發展,低成本、高靈活性的等離子體清洗技術成為了現實。射頻等離子體已被廣泛用于光學器件的清洗,以去除非晶碳膜(a-C)、氫化非晶碳膜(a-C:H)。

石墨在空氣中700℃時才與氧氣反應并分解為CO₂，石墨在高溫下與空氣中氧氣反應的化學反應方程式如下:

C(s)+O(g)=CO₂(g)

由于常溫下的粒子平均動能不足,所以反應難以持續進行。等離子體中含有大量的高能電子可以為化學反應提供驅動力，這些高能電子可以促使化學鍵斷裂，從而促使電離產生的氧自由基和臭氧分子與表面碳污染層發生化學反應生成易揮發物質CO、CO2等,以清洗材料表面碳污染。

C⁺+O+e→CO

C⁺+O+O+e→CO₂