高效清潔度分析的關鍵因素

本文概述了影響汽車和電子制造業(yè)的高效清潔度分析過程的關鍵因素。

在汽車和電子行業(yè)，零部件上細小的污染顆粒物也可能影響產(chǎn)品的性能，導致產(chǎn)品出現(xiàn)故障，或使用壽命縮短。對于汽車來說，過濾系統(tǒng)很容易受到影響。對于電子產(chǎn)品來說，印刷電路板（PCB）或連接器上的污染可能會導致短路。因此，清潔度在現(xiàn)代制造業(yè)的質(zhì)量控制中占有核心地位，特別是使用由不同供應商生產(chǎn)的部件時，更要重點關注清潔情況。車輛或設備的關鍵部件如果受到污染，整個系統(tǒng)就可能發(fā)生故障。因此，高效清潔度分析過程必須始于供應商這一環(huán)。

本文將討論以下幾點：

• 高效清潔度分析的核心因素
• 整體分析工作流程的優(yōu)化

介紹

對于汽車和電子行業(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。顆粒物污染可能會引發(fā)部件缺陷，進而降低其性能和使用壽命。因此，這兩個行業(yè)在制造組件和產(chǎn)品時，常常會花費大量的時間和成本來追蹤顆粒物并去除它們。不過，如果維持技術清潔度的方法效率不高，則會增加生產(chǎn)成本。

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

在電子行業(yè)中，細小的顆粒物可能會導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)常有亞微米級的間隙和納米級的特征。例如，導電顆粒可以通過在兩個觸點之間形成直接的傳導路徑，或者通過縮短兩點之間的距離增加電介質(zhì)擊穿的概率，從而導致PCB短路[3,4]。

電動汽車（e-mobility）[5]同時具有機械和電子部件，因此產(chǎn)品需要同時滿足這兩個行業(yè)的技術清潔度要求。

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

圖1：技術清潔度對于汽車和電子行業(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）混合動力汽車的發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、懸架、車輪和電池，電子顯示和汽車部件。

高效清潔度分析的規(guī)范

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

自動化進行顆粒分析有助于實現(xiàn)高效的清潔過程。光學顯微鏡是一種被廣泛應用的標準方法，可以快速自動分析提取的顆粒，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（如粒子計數(shù)或掃描電子顯微鏡）獲得的結(jié)果不能與光學顯微鏡的結(jié)果相較，因為兩者采用的是完全不同的檢測方法[6,7]。

哪些測量參數(shù)是最有用的？

根據(jù)顆粒的尺寸（長、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材料組成的顆粒則質(zhì)地柔軟，研磨性欠佳。金屬和半導體陶瓷顆粒還具有導電性，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險而言，對于汽車工業(yè)來說，較高的硬質(zhì)顆粒（如碳化物、金屬、陶瓷等）比長而軟的塑料纖維更容易造成損害，因為它們的研磨性和磨蝕性更高。對于電子工業(yè)來說，金屬顆粒的導電性最高，尺寸超過200μm的顆粒[3]最容易導致電路板短路。


圖2：通過聚焦在A）較低的過濾器背景和B）顆粒的頂部，用光學顯微鏡測量顆粒的高度。


圖3：利用光學顯微鏡測量彎曲纖維的寬度或長度。使用可以在光纖內(nèi)部施加的最大圓形直徑（13μm），現(xiàn)實地評估對其造成損害的風險。在這種情況下，最小費雷特直徑（費雷特徑_min = 180 µm）不適用，因為它大大高估了損壞的可能性。


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）

國際和區(qū)域清潔度標準

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

汽車行業(yè)的主流標準是VDA 19.1[6]和ISO 16232[7]，它們給出了公認的定義和常用參數(shù)的范圍，如：用于清潔度分析的顆粒等級的大小和成分，顆粒識別的閾值，圖像設置等。

VDA 19.1標準提到，除光學顯微鏡外，其他方法如SEM、能量色散譜（EDS）和激光誘導擊穿光譜（LIBS）也能可靠、有效地識別顆粒污染的來源[6,8]。LIBS可用于在空氣中用光學顯微鏡直接分析樣品，無需額外花時間制備樣品，也不需要將樣品運送到另一臺儀器上進行分析[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準是ZVEI發(fā)布的一份指南（ZVEI=德國電氣和電子制造商協(xié)會），名為“電氣工程的技術清潔度”[4]。

理想的清潔度分析工作流程

汽車零部件的清潔工作流程包括5個主要步驟[6,7]：

• 清洗/水洗部件；
• 通過過濾清潔液來提取顆粒；
• 分析過濾器上的顆粒；
• 記錄顆粒的尺寸和其他特征；
• 評估造成損害的潛在風險并確定污染源。

圖5：汽車零部件的清潔度分析工作流程。

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，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，達到可接受的技術潔凈度水平[3]。而對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。然后對液體或溶液進行過濾，將過濾器烘干，再對過濾器上的顆粒進行分析。

電子元件的清潔工作流程與汽車零部件非常相似，也是5個主要步驟[3,4]：

• 向元件噴灑液體，或用溶液清洗元件；
• 通過過濾噴灑的液體或清洗液來提取顆粒；
• 分析過濾器上的顆粒；
• 記錄顆粒的尺寸和其他特征；
• 評估引發(fā)問題的潛在風險。

總結(jié)

汽車和電子業(yè)零部件上的顆粒污染物會產(chǎn)生負面影響，可能會降低產(chǎn)品性能或引發(fā)早期故障。對于汽車，發(fā)動機部件或過濾系統(tǒng)是重災區(qū)。對于電子產(chǎn)品來說，印刷電路板（PCB）上的污染物會導致短路。在過去的幾年里，市場對電動汽車（e-mobility）的需求一直在增長。制造電動汽車需要滿足兩個行業(yè)的清潔標準。

顯然，技術清潔對于現(xiàn)代制造工藝的質(zhì)量控制非常重要。如果生產(chǎn)中需使用多個供應商提供的零部件，那么經(jīng)濟高效的清潔過程必須始于供應商這一環(huán)。
本文闡明了優(yōu)化清潔度分析和整體工作流程的核心因素。

了解更多：徠卡顯微

參考資料 
·  A. Schué, M. Härtel, Technical Cleanliness in the Production of Automotive Components: Residual Dirt Analysis in Real-world Applications, Science Lab (2011) Leica Microsystems.
·  N. Ecke, Webinar: Basics in Component Cleanliness Analysis, Science Lab (2017) Leica Microsystems.
·  M. Kövi, Technical Cleanliness in Electronics Manufacturing: The risk of particle contamination in the electronics industry and corresponding countermeasures, smttoday (2019) SMT Today.
·  Technical Cleanliness in Electrical Engineering: Dirt is simply matter in the wrong place, 2nd edition, Guideline (2018) ZVEI.
·  Electric Mobility, VDA.
·  VDA 19.1: Inspection of Technical Cleanliness, Volume 19, Part 1, Particulate Contamination of Functionally Relevant Automotive Components, 2nd Revised Edition (2015) VDA.
·  ISO 16232:2018, Road vehicles - Cleanliness of components and systems, International Organization of Standardization.
·  J. DeRose, K. Scheffler, Cleanliness Analysis with a 2-methods-in-1 solution: See the particles and know their composition at the same time, Science Lab (2019) Leica Microsystems.
·  N. Ecke, C. Goasdoué, Webinar: New Cleanliness Workflow from Leica and Pall, Science Lab (2017) Leica Microsystems.