應(yīng)用案例 | 影響清潔度高效分析的根本原因解析

對(duì)于汽車和電子行業(yè)的許多產(chǎn)品而言，在生產(chǎn)和裝配的各個(gè)階段中，零部件上都不能有灰塵或雜質(zhì)顆粒。顆粒物污染可能會(huì)引發(fā)部件缺陷，進(jìn)而降低其性能和使用壽命。因此，這兩個(gè)行業(yè)在制造組件和產(chǎn)品時(shí)，常常會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和成本來追蹤顆粒物并去除它們。不過，如果維持技術(shù)清潔度的方法效率不高，則會(huì)增加生產(chǎn)成本。

在汽車行業(yè)中，燃料噴射系統(tǒng)、燃料過濾系統(tǒng)、潤(rùn)滑油和尿素（選擇性催化減少排放）的過濾系統(tǒng)、泵、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱控制單元、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件和其他微機(jī)械部件中的殘留污染會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性和使用壽命^[1,2]。

在電子行業(yè)中，細(xì)小的顆粒物可能會(huì)導(dǎo)致高功率密度的元件發(fā)生故障，因此元件的清潔度非常重要。印刷電路板（PCB）等元件經(jīng)常有亞微米級(jí)的間隙和納米級(jí)的特征。例如，導(dǎo)電顆?？梢酝ㄟ^在兩個(gè)觸點(diǎn)之間形成直接的傳導(dǎo)路徑，或者通過縮短兩點(diǎn)之間的距離增加電介質(zhì)擊穿的概率，從而導(dǎo)致PCB短路^[3,4]。

電動(dòng)汽車（e-mobility）^[5]同時(shí)具有機(jī)械和電子部件，因此產(chǎn)品需要同時(shí)滿足這兩個(gè)行業(yè)的技術(shù)清潔度要求。

本文介紹了影響高效清潔度分析的核心因素，以及優(yōu)化整個(gè)工作流程的方法。

圖1：技術(shù)清潔度對(duì)于汽車和電子行業(yè)中使用的零部件非常重要。A）各種汽車部件，包括輪轂、過濾罐、泵、火花塞電纜；B）混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架、車輪和電池，電子顯示和汽車部件。

為了高效、經(jīng)濟(jì)地開展清潔度分析，所有參與生產(chǎn)的各方（通常是零部件供應(yīng)商和產(chǎn)品制造商）都必須根據(jù)產(chǎn)品的要求，預(yù)先就產(chǎn)品規(guī)格達(dá)成一致。各方必須明確標(biāo)準(zhǔn)要求，比如有可能造成損害的顆粒特性，要遵循哪些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以及記錄結(jié)果的最佳方式等^[2]。

自動(dòng)化進(jìn)行顆粒分析有助于實(shí)現(xiàn)高效的清潔過程。光學(xué)顯微鏡是一種被廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)方法，可以快速自動(dòng)分析提取的顆粒，確定它們的數(shù)量、大小和其他具體屬性^[2,6,7]。通過其他技術(shù)（如粒子計(jì)數(shù)或掃描電子顯微鏡）獲得的結(jié)果不能與光學(xué)顯微鏡的結(jié)果相較，因?yàn)閮烧卟捎玫氖遣煌臋z測(cè)方法^[6,7]。

根據(jù)顆粒的尺寸（長(zhǎng)、寬、高）和材料特性，可以將其分為多種類別。一般來說，由碳化物、金屬或陶瓷組成的顆粒都質(zhì)地堅(jiān)硬，可以研磨，比如剛玉（氧化鋁）就屬于這類材料；而由塑料和其他有機(jī)材料組成的顆粒則質(zhì)地柔軟，研磨性欠佳。金屬和半導(dǎo)體陶瓷顆粒還具有導(dǎo)電性，因此，它們損壞電子元件的可能性很大。

就元件造成損害的風(fēng)險(xiǎn)而言，對(duì)于汽車工業(yè)來說，較高的硬質(zhì)顆粒（如碳化物、金屬、陶瓷等）比長(zhǎng)而軟的塑料纖維更容易造成損害，因?yàn)樗鼈兊难心バ院湍ノg性更高。對(duì)于電子工業(yè)來說，金屬顆粒的導(dǎo)電性最高，尺寸超過200μm的顆粒^[3]最容易導(dǎo)致電路板短路。

圖2：通過聚焦在A）過濾片底部和B）顆粒的頂部，用光學(xué)顯微鏡測(cè)量顆粒的高度。

圖3：利用光學(xué)顯微鏡測(cè)量彎曲纖維的寬度或長(zhǎng)度。使用可以在光纖內(nèi)部施加的最大圓形直徑（13μm），現(xiàn)實(shí)地評(píng)估對(duì)其造成損害的風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，最小費(fèi)雷特直徑（費(fèi)雷特徑min = 180 µm）不適用，因?yàn)樗蟠蟾吖懒藫p壞的可能性。

圖4：根據(jù)清潔度分析中獲得的LIBS光譜判斷，顆粒由以下部分組成：A）主要成分是鋁（Al）和B）鋼（主要是鐵）

制造商和用戶可以利用標(biāo)準(zhǔn)化方法和手段獲得可靠、可重復(fù)、可比較的清潔度結(jié)果。

汽車行業(yè)的主流標(biāo)準(zhǔn)是VDA 19.1^[6]和ISO 16232^[7]，它們給出了的定義和常用參數(shù)的范圍，如：用于清潔度分析的顆粒等級(jí)的大小和成分，顆粒識(shí)別的閾值，圖像設(shè)置等。

VDA 19.1標(biāo)準(zhǔn)提到，除光學(xué)顯微鏡外，其他方法如SEM、能量色散譜（EDS）和激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）也能可靠、有效地識(shí)別顆粒污染的來源^[6,8]。LIBS可用于在空氣中用光學(xué)顯微鏡直接分析樣品，無需額外花時(shí)間制備樣品，也不需要將樣品運(yùn)送到另一臺(tái)儀器上進(jìn)行分析^[6,8]。因此，與SEM/EDS相比，LIBS可以更快地確定顆粒成分，從而更有效地找出污染源^[8]。

在電子行業(yè)，清潔度的通用參考標(biāo)準(zhǔn)是ZVEI發(fā)布的一份指南（ZVEI=德國電氣和電子制造商協(xié)會(huì)），名為“電氣工程的技術(shù)清潔度”^[4]。

徠卡顯微系統(tǒng)和PALL公司簽訂了合作協(xié)議，致力于幫助終端用戶創(chuàng)建一套理想的整體清潔工作流程^[9]。用戶可以同時(shí)與徠卡公司的顆粒分析專家和PALL公司的顆粒提取專家互動(dòng)，以優(yōu)化他們的樣品制備和清潔過程。

部分敏感的電子元件只能在無塵室中生產(chǎn)和清洗，才能避免空氣污染，達(dá)到可接受的技術(shù)潔凈度水平^[3]。而對(duì)污染不太敏感的元件，則可以等生產(chǎn)結(jié)束后再行清潔^[3]。向元件噴灑液體，或用溶液清洗元件，可去除元件表面殘留的顆粒。然后對(duì)液體或溶液進(jìn)行過濾，將過濾器烘干，再對(duì)過濾器上的顆粒進(jìn)行分析。

電子元件的清潔工作流程與汽車零部件非常相似，也是5個(gè)主要步驟^[3,4]：