Основы электротехнологий: Практикум

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Ю.М. Анненков, М.М. Михайлов, В.В. Шарафутдинова, В.И. Меркулов

Основы электротехнологий Практикум

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Ю.М. Анненков, М.М. Михайлов, В.В. Шарафутдинова, В.И. Меркулов

Основы

электротехнологий Практикум

Издательство ТПУ Томск 2005 2

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ББК 34.6я73 УДК 621.7/.9(076.5) А 71

А 713

Анненков Ю.М., Михайлов М.М., Шарафутдинова В.В., Меркулов В. И. Основы электротехнологий: практикум. − Томск: Изд-во. ТПУ, 2005 г. − 104 с. ISBN В лабораторном практикуме изложены физико-химические основы обработки материалов, выполняемых ультразвуком, электронным и лазерным пучками, плазменным, электрохимическим, термовакуумным способами, а также основы электрической сварки. Приведено технологическое оборудование, позволяющее проводить обработку материалов вышеуказанными методами. Лабораторный практикум подготовлен на кафедре электроизоляционной и кабельной техники ТПУ и предназначен для студентов направления 551300 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии".

УДК 621.7/.9(076.5) Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Рецензенты Доктор технических наук, профессор кафедры физической электроники Томского университета систем управления и радиоэлектроники С.В. Смирнов Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ПНИЛ ЭДиП ТПУ А.М. Притулов © Томский политехнический университет, 2005 © Оформление. Издательство ТПУ, 2005

3

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ В ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛАХ С ПОМОЩЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Генерация лазерного излучения Понятие «лазер» прочно вошло в современный научный, технический и бытовой обиход, хотя и прошло и немного лет со дня создания первых лабораторных образцов этих приборов. К чести Российской науки у истоков лазерной физики стояли, наряду с иностранными, и наши ученые. К ним относятся Фабрикант, Бутаева, Басов, Прохоров. Именно Басов и Прохоров вместе с американским ученым Таунсом стали лауреатами Нобелевской премии 1964г. за исследование и создание лазеров. В переводе с английского языка «LASER» - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – означает: «Усиление света под действием вынужденного излучения» Главная особенность лазерного излучения состоит в его когерентности, то есть постоянстве амплитуды, фазы, энергии и направления распространения фотонов. Эти свойства обеспечивают два главных преимущества лазерного света: возможность распространения на сверхбольшие расстояния и возможность фокусировки энергии в очень малом объеме пространства или материала. Таким образом, отличие лазеров от других источников света заключается в том, что они обеспечивают концентрирование энергии излучения в пространстве, времени и спектре в очень узкие интервалы. Такими уникальными свойствами не обладает ни один естественный вид излучения. Именно свойство локализоваться в малом объеме обеспечивает использование лазерного излучения в различных современных технологиях, включая электротехнологии. Электромагнитное излучение (ЭМИ), генерируемое лазером, имеет двоякую природу. С одной стороны, излучение представляет собой электромагнитные волны, т.е. колебания электрического и магнитного полей, с другой – обладает корпускулярными свойствами. Волновые свойства излучения характеризуются частотой (ν) и длиной волны (λ). Волна распространяется с постоянной скоростью с=3⋅1010 см/с. Для всех типов ЭМИ справедливо соотношение λν = c , из которого видно, что с увеличением частоты уменьшается длина волны излучения. Наиболее широко используемые лазеры генерируют излуче4

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ние в диапазоне от 0,2 мкм (ультрафиолетовая область света - УФ) до 10 мкм (инфракрасная область света - ИК). Корпускулярная природа света заключается в том, что излучение может быть представлено как поток дискретных квантов энергии (фотонов). Каждый фотон несёт определённое количество энергии m ф = E c2 E = h ⋅ν = hc λ , обладает массой и импульсом p ф = m ⋅ c = h ⋅ k , где h = h / 2π = 6,62⋅10-34 Дж⋅сек - постоянная планка, характеризуется волновым числом k = 2π / λ . В проявлении корпускулярно-волнового дуализма света имеется важная закономерность. Если перемещаться по шкале электромагнитных волн слева направо, от длинных волн (ИК) в сторону более коротких (УФ), то волновые свойства света будут проявляться всё слабее, уступая место корпускулярным свойствам. Волновые и квантовые свойства света связаны между собой:

А 2 ≈ n ф , т.е квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства пропорционален числу фотонов, попадающих в эту точку. Таким образом, волновые и корпускулярные свойства света взаимно дополняют друг друга. Корпускулярные свойства света обусловлены тем, что энергия, импульс и масса излучения сосредоточены в квазичастицах – фотонах. Вероятность нахождения фотонов в различных точках пространства определяется волновыми свойствами света - амплитудой световой волны (волновые свойства фотона проявляются в том, что для него нельзя точно указать точку пространства в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга). Лазерные лучи зарождаются при электронных переходах в активных элементах рабочего тела (рис. 1).

3

2

4 6 5

Рис. 1. Принципиальная схема ОКГ : 1 – система накачки, 2 – рабочее тело (вещество), 3 - непрозрачное зеркало, 4 полупрозрачное зеркало, 5 - система фокусировки, 6 – лучи.

1 Под действием излучения накачки (рис.2) атомы или молекулы легко возбуждаются, при этом электроны переходят на более высокие энергетические уровни (Е2), а затем возвращаются в основное состояние (Е1), при этом избыточная энергия генерируется в виде электромагнитного 5

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

излучения строго определённой длины волны, которая определяется разностью энергий двух энергетических состояний: Е -Е λ= 2 1 , (1) h где Е1, Е2 - энергия атома соответственно на нижнем и верхнем уровнях соответственно; Наибольшее распространение, благодаря высокой технологичности, получили лазеры, работающие по трёх и четырёхуровневой N4 Е4 (рис. 2) схемам, предложенным в 1955 году Басовым Н.Г Е3 N3 и Прохоровым А.М. 1 2 В результате внешнего возN2 Е2 действия (накачка лазера) в рабочем теле активные части3 цы (атомы, ионы, молекулы) N Е1 поглощают энергию (свето1 вую, тепловую и т.д), что приРис. 2. Четырехуровневая модель ра- водит к переходу валентных электронов на верхние энергеботы лазера: Е1- основное состояние активного атома тические уровни (Е3, Е4). По(иона), Е2 – метастабильный уровень, Е3, сле прекращения светового Е4 – уровни накачки, переходы 1-3 и 1- 4 - импульса накачки электроны накачка лазера, безизлучательные переходы 4-2, 3-2, излучательный (рабочий) пе- стремятся вернуться в основное состояние (Е1) путем двух реход - 3. последовательных переходов. На первом этапе возбужденные электроны, находящиеся на уровнях накачки, передают часть своей энергии кристаллической решетке в виде фононов. Это безизлучательный переход на промежуточный метастабильный уровень. (Е2) На этом уровне электроны сохраняют свою энергию в течение довольно длительного времени порядка 10-3 с. В результате электроны скапливаются на метастабильном уровне и их концентрация превышает концентрацию валентных электронов в основном состоянии (Е1). Такая ситуация называется «инверсия населенности уровней» и представляет собой первое условие (принцип) генерации лазерного излучения. Следующий принцип генерации состоит в формировании вынужденного излучения, наличие которого было постулировано в 1905г. Эйнштейном. Если электрон активной частицы находится в возбужденном состоянии на метастабильном уровне Е2, то существует вероятность вынуж6

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

денного испускания света под действием поля проходящего мимо фотона с энергией hν = Е 2 - Е1 . В результате этого рождается еще один фотон полностью когерентный первому фотону. Иными словами первичный и вторичный фотоны неразличимы. Таким образом, в соответствии с принципом вынужденности излучения формируется лазерный пучок света. Однако, для того чтобы лазерная генерация была устойчивой и интенсивной необходимо усилить этот поток, то есть обеспечить четвертый принцип, который называется принципом самовозбуждения и заключается в следующем. Новые фотоны, индуцированные падающим светом проходят через рабочее тело лазера, в котором имеются как атомы с возбужденными на уровень Е2 электронами, так и атомы, находящиеся в основном состоянии. Последние препятствуют усилению лазерного излучения, поскольку взаимодействие с ними фотонов приводит к поглощению света и уменьшению интенсивности пучка. В случае преобладания актов вынужденного излучения среда становится усиливающей, то есть в формуле Бугера коэффициент поглощения имеет отрицательный знак, что αх

определяет выражение Фабриканта: Ф − Ф 0 ⋅ e , где α – отрицательный коэффициент поглощения, х – расстояние, пройденное фотоном в рабочем теле. Для усиления лазерного света необходимо обеспечить обратную связь, то есть часть мощности подать с выхода на вход системы. В этих целях в лазерах используют оптический резонатор: рабочее тело помещается между двумя параллельными зеркалами с разными коэффициентами отражения (модифицированный интерферометр Фабри-Перо) Любой фотон, возникший в рабочем теле за счет спонтанного излучения, является источником начала генерации света. Действительно, если рожденный фотон движется вдоль оси резонатора, то он образует лавину фотонов, двигающихся в том же направлении. Этот поток фотонов будет поочередно отражаться от зеркал, усиливаясь при каждом прохождении через рабочее тело вследствие вынужденного испускания света. Для вывода лазерного излучения одно из зеркал делается полупрозрачным. Для того, чтобы волна, дважды отразившись от зеркал, возвратилась к испустившему ее центру в той же фазе, в которой она была испущена, необходимо выполнение условия резонанса: 2L = m ⋅ λ , где L – расстояние между зеркалами, λ – длина волны, m=1,2…

7

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таким образом, для устойчивой генерации лазерного излучения необходимо выполнить следующие принципы: 1. Принцип монохроматичности. Фотоны лазерного излучения имеют одинаковую длину волны. 2. Принцип инверсии населённости. В неравновесном состоянии имеется «обращённое» распределение атомов по энергетическим состояниям: на верхнем уровне концентрация атомов больше, чем на нижнем 3. Принцип вынужденности излучения (закон Эйнштейна). Атом, находящийся в возбуждённом состоянии может под действием фотона перейти в основное, низшее энергетическое состояние с выделением фотона, когерентного фотону возбуждения. 4. Принцип самовозбуждения обеспечивается резонаторной системой и состоит в усилении света при многократном прохождении потока фотонов через рабочее тело. 1.2. Разновидности лазеров. Оптические квантовые генераторы подразделяют: • по виду накачки: оптическая, электрическая (инжекционная), химическая, радиационная. • по режиму работы: непрерывные лазеры; импульсные лазеры. • по типу рабочего тела: твёрдотельные с примесями, газовые, полупроводниковые, жидкостные. Рассмотрим основные разновидности лазеров. Жидкостные лазеры. В этом типе лазера в качестве активной среды используется раствор неорганических соединений редкоземельных элементов и органических красителей. Среди лазеров на неорганических соединениях наибольшее развитие получили лазеры на растворе оксихлорида селена с примесью неодима. Такой лазер генерирует излучение длиной волны 3 мкм. Очень интенсивно развиваются лазеры на органических красителях. В качестве красителей применяют родамин 6G (C26H27N2O3Cl). Он хорошо растворяется в метиловом спирте и воде. КПД лазеров на красителях доходит до 50 % , они обладают высокой направленностью излучения и могут работать как в импульсном режиме, так и в непрерывном. Основное достоинство жидкостных лазеров – возможность перестройки частоты от ближнего УФ (0,34 мкм) до ближайшей ИК области (11,74 мкм) – простой заменой красителя. Полупроводниковые лазеры. В качестве активного вещества в полупроводниковых лазерах применяют обычно арсенид галлия, а так же кремний с примесью индия, фосфат галлия, арсенид индия и др. полупроводниковые материалы. По виду накачки лазеры делятся на: 8

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

• лазеры с инжекционной накачкой (пропускание электрического тока через p-n- переход). Конструкция полупроводниковых лазеров напоминает конструкцию плоского диода, поэтому эти лазеры называют ещё диодными лазерами. Полупроводниковые лазеры генерируют излучение в ИК области за счёт процессов рекомбинации, происходящих в р-n переходе. Излучение полупроводникового лазера с инжекционной накачкой характеризуется большой расходимостью за счет того, что генерируются лучи эллиптического сечения с малой осью эллипса, параллельной р-n переходу. • Лазеры с радиационной накачкой (перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости ионизирующим излучением) Достоинство полупроводниковых лазеров – малый вес, небольшие размеры (1×1×1 мм), малая потребляемая мощность, высокий КПД. Для увеличения мощности данные лазеры могут быть собраны в блоки, состоящие из большого количества отдельных лазеров. Газовые лазеры. Для проведения более энергоёмких процессов, таких как, сварка швом, резка толстых диэлектрических материалов и металлов, требуются более мощные лазеры. Для этой цели применяют газовые лазеры. В газовых ОКГ для возбуждения частиц применяется электрический тлеющий разряд. В импульсном режиме активная среда возбуждается газовым разрядом высокочастотного (24 - 30 МГц) поля, которое подводится от специального генератора. Для работы в непрерывном режиме активная среда в излучателе возбуждается стационарным тлеющим разрядом между расположенными в излучателе электродами, к которым подведено напряжение от высоковольтного выпрямителя. В качестве активного материала применяют азот (N2) (длина волны излучения 0,34 мкм) или углекислоту (CO2) (длина волны 10,6 мкм). Также примером газового ОКГ может быть лазер на смеси гелия и неона, генерирующий излучение с длиной волны 1,118; 1,153; 1,16; 1,199 и 1,207 мкм. Наиболее интенсивно излучение при λ= 1,1530 мкм. Такие лазеры могут работать в непрерывном режиме при мощности в сотни и тысячи ватт. Для того, чтобы газ при этом не нагревался, его непрерывно прокачивают через стеклянную трубку или в газовую смесь добавляют гелий, способствующий её охлаждению благодаря своей высокой теплопроводности. Лазеры на углекислом газе излучают в результате колебательных переходов молекул, что и определяет большую длину волны (10,6 мкм), они обладают наиболее высоким КПД.

9

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Твёрдотельные лазеры на примесях. Активной средой в данном типе лазеров могут быть рубин (плавленая окись алюминия с добавкой 0,05 % трёхвалентного хрома), стекло с примесями неодима (до 5 %), алюмоитриевый гранат с неодимом. В качестве источника возбуждения активных атомов рабочего тела используется импульсная газоразрядная лампа. Например, при накачке кристалла рубина излучением длиной волны λ = 0,569 мкм ионы хрома поглощают это излучение, что приводит к переходу валентного электрона на верхний энергетический уровень. В основное состояние электроны возвращаются в результате двух последовательных переходов. На первом этапе электроны предают часть своей энергии кристаллической решетке. Это - безизлучательный переход на промежуточный (метастабильный) уровень. На этом уровне электроны сохраняют свою энергию в течение длительного времени. В результате создается так называемая избыточная населенность метастабильного уровня, после чего электроны переходят в основное состояние, излучая при этом красный свет λ = 0,6943 мкм и λ = 0,6929 мкм. Соотношение между энергиями излучательных и безизлучательных переходов в основном определяет коэффициент полезного действия лазера. Чтобы усилить излучение, нужно заставить участвовать в генерировании возможно большее число возбужденных частиц. Для этого увеличивают размеры активного вещества и используют резонаторную систему - две отражательные пластины, расположенные по торцам активного вещества. Одна из пластин полностью отражающая, другая частично. При многократном отражении волны в резонаторе в излучение вовлекается все больше возбужденных частиц, в результате чего электромагнитная волна резонансно усиливается. Усиленное излучение выводится наружу через частично отраженную пластину резонатора. 1.3. Характеристики лазерного излучения Излучение лазера является узконаправленным (так как испускаются лишь волны, многократно отраженные и не испытавшие существенного отклонения от оси объемного резонатора). Это значит, что энергия может легко передаваться по лучу на значительные расстояния и в соответствии с законами геометрической оптики – легко сфокусирована на площадке небольших размеров. Угловая расходимость луча ОКГ определяется из дифракционной теории по формуле: 1,22λ , (2) G= d где d - диаметр источника излучения.

10

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Чем короче волна, тем меньше угловая расходимость излучения ОКГ. Расходимость влияет на минимальный диаметр сфокусированного луча ОКГ и, следовательно, на максимальную плотность энергии, которую можно получить при фокусировании. Минимальный диаметр сфокусированного луча: dn = G. f, (3) где G - действительная угловая расходимость; f - фокусное расстояние фокусирующей системы. Плотность сконцентрированной световой энергии может достигать до 1012 Вт/м2: Ф ⋅S 4Е 2 W= = ⋅ dn , (4) 2 2 π λ ⋅f где Ф - лучистый поток ОКГ; S - площадь, на которой фокусируется луч; Е - энергия импульса; Процесс взаимодействия лазерного излучения с веществом можно представить в следующем виде: поглощение излучения поверхностью материала, нагрев и плавление материала, испарение и выброс расплава (лазерная эрозия). При падении лазерного излучения на поверхность обрабатываемого материала часть излучения отражается и, как правило, безвозвратно теряется. Отражённая энергия зависит от коэффициента отражения (таблица 1), который определяется типом материала и длиной волны излучения. Таблица 1 Значения коэффициентов отражения для неокисленных полированных поверхностей различных металлов. Активная среда ОКГ Аргон (λ=0,488 мкм) Рубин (λ=0,6943 мкм) Неодимовое стекло (λ = 1,06 мкм) Углекислый газ (λ = 10,6 мкм)

Au

Ag

Cu

Mo

Ni

Al

Cr

Fe

0,415

0,952

0,437

0,455

0,597

0,85

-

0,535

0,930

0,961

0,831

0,498

0,676

0,82

0,555 0,575

0,981

0,964

0,901

0,582

0,741

0,733

0,570 0,650

0,975

0,989

0,984

0,945

0,941

0,970

0,930 0,924

Из таблицы видно, что металлы обладают высокой отражательной способностью и в некоторых случаях коэффициент отражения близок к 11

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

единице. Для того, чтобы эффективно использовать лазерный луч для обработки металлов необходимо уменьшить коэффициент отражения луча от поверхности. Для этого можно увеличить шероховатость поверхности, нанести на поверхность металлов диэлектрическую плёнку или слой порошка (металлического, либо диэлектрического). Другая часть лазерного луча проникает в материал и переходит в тепло. Проникновение излучения в материал описывается в соответствии с законом Бугера:

E(x ) = E 0 ⋅ (1 − R ) ⋅ e −k⋅x , (5) где Е0 – энергия падающего лазерного излучения к поверхности мате риала, R – отражательная способность материала (R = 1- A (А – поглощательная способность материала)), k- коэффициент поглощения света в данной среде. Поглощение энергии лазерного пучка осуществляется с помощью двух основных механизмов: • взаимодействие квантов света с валентными электронами (поляризационный механизм); • взаимодействие квантов света с электронами проводимости. Первый механизм универсален, он характерен для любых сред. Второй же механизм наблюдается преимущественно в металлах. По этим причинам металлы сильнее поглощают лазерное излучение, чем диэлектрики и полупроводники. Поглощение энергии лазерного излучения большой мощности приводит к резкому возрастанию температуры материала, превышающей температуру плавления. Высокие температуры и плотности фотонов вызывают термоэмиссию частиц с поверхности материала. Наблюдается интенсивное плавление и испарение материала, образуется мощная струя паров, и продукты разрушения выбрасываются из зоны обработки в виде факела. Характер разрушения диэлектрических материалов и металлов различен. Разрушение диэлектриков под воздействия светового излучения во многом определяется низкой теплопроводностью, которая приводит к возникновению больших градиентов температуры и, как следствие, к растрескиванию материала. Лазерный луч можно использовать для изготовления отверстий малых диаметров, в следующих деталях: диафрагмах, форсунках, ситах, часовых и приборных камнях, фильерах для изготовления синтетических волокон, алмазных волоках для протягивания микропровода и т.д. 12

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

При этом параметрами лазерной обработки являются энергетические характеристики импульса ОКГ (энергия, плотность энергии), частота и длительность импульсов излучения, КПД лазера (табл.2). Таблица 2 Характеристики ОКГ Параметры излучения Активная Тип Области Расхо Е, f, Р, КПД, λ , τ , изл среда лаприменения димо % Дж Гц кВт мкм мс зера сть, Q

Твёрдотельные на примесях Химиический

Жидкостные

ПП

0,337 0,01 100 0,6328 0,2-1 0,4880 0,5-1 0,5145 10,6 0,1-0,5 0,05 300 1-10 10-15 10,6 0,1 >200

CO2 СО2 + N2 + Н2О Рубин

3+

(Al2O3 + Cr )

Стекло + Nd2+ АИГ (Y3Al5O15 + Nd2+)

GaAs неорганические соединения R органический Фтористый водород

15-30

N2 Не – Nе Ar

0,1- 10

Газовые

мрад

Динамическая балансировка деталей, резка, упрочнение, легирование,наплавка

0,03 1,4 1-40 1-1,5 Динамическая балансировка 1,064 0,1÷ 5 0,05÷ 0,010,5- 0,8-2 деталей, прошивка отвер40 20 15 стий, сварка, 1,064 0,2-5 0,2- 10- 0,15- 2-30 2-4 резка, упрочне130 100 150 ние, легирование, наплавка 0,885 0,03- 20- 20-50 Связь, даль2 200 (100) нометрия

0,6943

0,5

3 до < 0,1 50 0,001

0,3411,75 2,63,6

2,3⋅ 103

4,5

Наука (ввиду малой мощности)

15

ПП – полупроводниковые лазеры R – редкоземельные элементы λ - длина волны излучения; τ - длительность импульса; Е – энергия импульса; f – частота повторения импульсов; Р – мощность импульса; Q – расходимость; 13

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Исследования показали, что отверстия с малой конусностью получаются при воздействии на обрабатываемый материал короткими импульсами (0,5 - 1,5 мс). С увеличением длительности импульса растет конусность отверстия, уменьшается его глубина. При обработке импульсами большой длительности (до 8 мс) наблюдается лишь проплавление материала без образования отверстия. Поэтому режим с большими длительностями импульса применяется при сварке и локальной термообработке. Диаметр обрабатываемого отверстия и его глубина при условии сохранения в фокальном пятне постоянной плотности энергии излучения увеличиваются с увеличением фокусного расстояния фокусирующей системы. На форму и размеры отверстия влияет величина смещения фокальной плоскости фокусирующей системы. Оптимальные размеры отверстия (наибольшая глубина, наименьший диаметр входа, постоянная конусность) получают, располагая деталь в некоторой зоне между фокальной плоскостью и фокусирующей системой. Величина этой зоны определяется параметрами фокусирующей системы и расходимостью излучения ОКГ. Изменение фокусного расстояния или величины смещения поверхности детали от фокальной плоскости фокусирующей системы, а также изменение энергии импульса изменяют плотность энергии излучения. На размерные характеристики обработки влияет также количество импульсов. С увеличением количества импульсов, последовательно подаваемых в зону обработки, увеличивается глубина отверстия. Многоимпульсная обработка практически не увеличивает входной диаметр отверстия. Многоимпульсная обработка импульсами малой энергии улучшает форму поперечного сечения по глубине, дает большую цилиндричность отверстия. Энергия излучения и длительность импульса, плотность энергии излучения, фокусное расстояние фокусирующей системы, смещение поверхности детали относительно фокальной плоскости, количество импульсов излучения - все это режимы лазерной обработки. Для определения оптимальных режимов получения микроотверстий строят монограммы, пользуясь которыми можно определить фокусное расстояние f, энергию Е и длительность t импульса излучения для заданных значений глубины Н и диаметра D отверстия на входе. Точность изготовления микроотверстий лучом ОКГ довольно высока. При правильном выборе режимов обработки и стабилизации энергетических и временных характеристик излучения ОКГ погрешность размерных параметров может составить 8 - 10% номинала. Повысить точность можно различными технологическими приемами - такими, как 14

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ограничение длительности светового импульса, пневматическое калибрование отверстий, обработка лучом ОКГ с использованием экрана, калибрование отверстий обратным действием светового луча и т.д. Чтобы повысить точность геометрических параметров отверстия, улучшить топографию поверхностного слоя, целесообразно ограничивать длительность светового импульса, оставляя лишь ту часть, которая непосредственно используется для размерного формирования отверстия. Для этого можно применять различные затворы, работающие на механическом, электрическом, магнитооптическом и других принципах действия. Машинное время изготовления одного отверстия при многоимпульсной обработке определяется длительностью импульса и составляет 0,001 - 0,0015 с. Следует, однако, учитывать, что при лазерной обработке еще велика доля вспомогательного времени, что ограничивает ее производительность (несовершенно фокусирование излучения ОКГ на обрабатываемой поверхности). Ручная настройка фокусирующей системы на рабочий режим, помимо увеличения вспомогательного времени технологического процесса, препятствует автоматизации лазерных установок. Критерием для оценки точности фокусирования служит резкость изображения обрабатываемой поверхности в поле зрения визуальной системы, что в значительной степени субъективно. Размеры заготовок различны, поэтому для каждой из них нужна индивидуальная настройка. В этих случаях целесообразно использовать системы автоматического фокусирования. Они основаны на оценке и использовании для настройки доли сигнала, отраженного от обрабатываемой поверхности. Однако, из-за значительной сложности такие системы в технологических установках применяются редко. Если используется визуальная система, время ручной настройки можно уменьшить, улучшив условия наблюдения за объектом обработки. Это делают, покрывая поверхность обрабатываемого материала тушью, графитовой смазкой и пр. При обработке прозрачных материалов (стекло, алмаз, кварц и др.) без этого приема качественную настройку иногда выполнить вообще не удается. Кроме того, как показали исследования, предварительная окраска прозрачных заготовок повышает также эффективность самого процесса. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы - закрепить теоретические знания по лазерной обработке материалов, ознакомиться с устройством технологического лазера и принци-

15

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

пом его работы, уяснить основные закономерности процесса лазерной прошивки материалов. - определить производительность лазерной прошивки материала в зависимости от оптических свойств объекта, твердости материала и мощности воздействия. 2.2. Описание экспериментальной установки, принципиальная схема Лазер ЛТИ-501 - твердотельный лазер импульсного режима, работающий на длине волны 1064,1 нм в одномодовом режиме. Средняя мощность лазерного излучения при частоте повторения импульсов 30 кГц составляет 8 Вт. Частота повторения импульсов излучения от 5 до 50 кГц. Энергетическая расходимость лазерного излучения на уровне 0,5 мощности не более 0,001 рад. Диаметр пучка излучения по уровню 0,5 мощности у выходного окна излучателя составляет не более 1,5 мм. Примечание: Указанные параметры лазера достигаются при токе накачке не более 37 А. Режим работы лазера - одномодовый при отсутствии свободной генерации. Время готовности лазера не более 15 мин, время непрерывной работы до 8 часов с последующим перерывом в 45 мин, суточная наработка до 16 часов. Конструктивно лазер состоит из двух частей: излучателя и стойки питания и охлаждения (СПО). СПО- предназначена для питания, управления и охлаждения элементов излучателя. Важнейшей частью лазера является излучатель, состоящий из квантрона, резонатора из двух зеркал, акусто-оптического затвора (АОЗ), диафрагмы и электромеханической заслонки. В резонаторе излучателя происходит преобразование электрической энергии, поступающей от стойки СПО, в энергию лазерного излучения. Корпус излучателя имеет вид бруса почти квадратного сечения, имеющего в торцевых частях выступающие козырьки. В центральной части внутренней полости корпуса установлен на направляющих полозьях столик с квантроном. Внутри корпуса квантрона размещается отражатель в форме эллиптического цилиндра, активный элемент в виде круглого стержня из монокристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами неодима (АИГ), а также дуговая лампа непрерывного горения с криптоновым наполнителем для накачки активного элемента.

16

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Резонатор излучателя образован двумя зеркалами: в задней торцевой части корпуса излучателя крепится юстируемое зеркало, а в передней торцевой части - глухое (неюстируемое). Перед глухим зеркалом со стороны квантрона расположена электромеханическая заслонка. Для модуляции добротности и получения импульсного режима излучения в резонаторе излучателя лазера применен АОЗ, работа которого основана на явлении дифракции света на ультразвуковых волнах. 2.3. Порядок работы Поверните ручку регулировки тока накачки «выходной ток» в крайнее положение (против часовой стрелки), соответствующее минимальному ток. Откройте кран водопроводной магистрали и убедитесь в прохождении воды в систему слива. Вставьте ключ в замок переключателя «Питание» и поверните его по часовой стрелке до упора. Нажмите кнопку «Вкл» и «Сеть», при этом должны загореться три лампочки индикации «Сеть». Если горит лампа «Авария», нажмите кнопку «Выкл» «Сеть», поверните ключ замка переключателя «Питание» против часовой стрелки до упора, проверьте систему охлаждения лазера и устраните неисправность. Нажмите кнопку «Контроль» «Зажигание» и убедитесь, что в лампе накачки излучателя происходит пробой. Нажмите кнопку «Вкл» «Силовая», при этом наблюдайте поджиг и подхват работы лампы накачки излучателя и установление величины выходного тока около 10 А. Установите по амперметру необходимую для генерации величину тока (32-37 А) поворотом ручки «Выходной ток». Открыть затвор переключением тумблера в передней части станины лазера. Проверьте кратковременно визуализатором наличие на выходе излучателя генерации излучения. Разместите на предметном столике калибровочный материал. Рычагом предметного столика переместите материал к выходной линзе и по достижении фокусного расстояния (по визуальному наблюдению через окуляр) зафиксировать данное положение. Закрыть затвор тумблером, разместить на предметном столике один из подготовленных к прошивке материалов, открыть затвор и начать прошивку материала, фиксируя время операции.

17

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Затем проделать все пункты по предыдущему пункту, с той лишь разницей, что прошивке подлежат другие материалы. На всех материалах снять зависимость скорости прошивки от мощности излучения. Мощность излучения изменяется поворотом ручки "Выходной ток" по часовой стрелке до показаний амперметром поочередно 22 А, 26 А, 29 А, 32 А, 36 А. Для выключения источника питания (силовой части) нажмите кнопку "Выкл» «Силовая", предварительно уменьшив величину тока до 10-12 А. Для выключения питания лазера нажмите кнопку «Выкл» «Сеть» (при этом гаснут три лампы «Сеть») и поверните ключ замка переключателя «Питание» против часовой стрелки до упора и выньте его. 2.4. Оформление результатов работы

По результатам измерения заполнить таблицу 2 и построить зависимости скорости прошивки материалов от тока накачки генератора, и установить влияние свойств материалов на эффективность прошивки. Таблица 2 Зависимость скорости прошивки материала от мощности ОКГ

Время прошивки, t, с

Скорость прошивки V, мкм /с

Ток накачки, А δ матеМатериал рила, мкм

2.5. Контрольные вопросы 1. Что такое лазерное излучение и его особенности. 2. Механизм генерации лазерного излучения. 3. Какие свойства материалов определяют обрабатываемость их лазерным пучком? 4. Что определяет температуру материала при нагревании лазерным лучом? 5. Механизм лазерной прошивки материалов.

18

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1. 2. 3. 4. 5.

2.6. Литература Коваленко В.С. Лазерная технология: Учебник.- Киев: Выща шк., 1989.- 280 с. Епечурин В.П., Латышев А.П. Электротехнология.- Л.: СЗПИ, 1974 .- 76 с. Бутурович И.Х, Гончаров Б.Ф. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки: уч. пособие.- Л.: ЛПУ., 1980.- 73 с. Ракалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов.- М.: Машиностроение, 1985.- 496 с. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. и др. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: Учеб. пособие (в 2-х томах). Т. II. Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии/ Под ред. В.П. Смоленцева.- М.: Высш. школа, 1983.- 208 с.

19

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ИЗОЛЯЦИОННЫХ И ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ 1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Среди источников тепла для сварки, пайки, спекания и других способов термообработки надежное место занимает метод нагрева мишени путем фокусирования световой энергии высокоинтенсивных источников излучения. Светолучевыми технологиями будем называть технологии, основанные на использовании источников некогерентного света, к которым относятся Солнце, дуговые и газоразрядные лампы. Нагрев лучистой энергией обладает по сравнению с другими способами, следующими преимуществами: - возможностью обработки материалов независимо от их электрических и магнитных свойств; - безконтактностью подвода энергии к изделию, при этом источник и объект могут находиться на значительном расстоянии друг от друга; - возможностью передачи энергии через оптически-прозрачные оболочки, что позволяет проводить технологические операции в контролируемой атмосфере или в вакууме. 1.1. Взаимодействие света с твердыми телами При воздействии светового пучка на твердые тела часть потока энергии отражается от поверхности, а остальная часть поглощается образцом, вызывая его нагрев. Количество энергии, поглощаемой мишенью, определяется законом Бугера: I(х) = I(o)(1 - R) exp(-kx), (1) 2 где I(x) - плотность поглощенной мощности излучения, Вт/см ; I(o) - плотность падающего потока, Вт/см2; R - коэффициент отражения; k - коэффициент поглощения, см-1. Световые установки могут генерировать потоки излучения в широких пределах - от единиц до 1014 Вт/см2. В случае реализации технологических процессов, требующих нагрева образца до температуры плавления, применяются потоки, не превышающие 106 Вт/см2. Остановимся на механизме передачи энергии света твердому телу. Энергия поглощенных световых квантов расходуется по двум каналам: 1. Фотон передает энергию свободным электронам, что увеличивает электронную температуру. В дальнейшем, за время порядка 10-11с тем-

20

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

пературы электронного газа и кристаллической решетки выравниваются. Такой процесс характерен для металлов. 2. В случае диэлектрических и полупроводниковых материалов кванты света непосредственно взаимодействуют с тепловыми колебаниями атомов (фононами), что вызывает нагревание образца. Таким образом, по обоим механизмам поглощенная твердым телом световая энергия трансформируется в тепло. Интенсивность поглощения света веществом в соответствии с формулой (1) определяется длиной волны излучения, свойствами поверхности образца (R) и поглощательной способностью материала (k). Для металлов и непрозрачных диэлектриков свет, в основном, поглощается в слое меньше долей микрона. При этом коэффициент поглощения k = (104 - 105) см-1. Для случая приповерхностного поглощения света температуру нагрева можно оценить по следующей формуле: 1

2I (1 − R ) ⎛ ατ ⎞ 2 (2) ⋅⎜ ⎟ , T = T0 + 0 λ π ⎝ ⎠ где T0 - начальная температура, λ - коэффициент теплопроводности, α - коэффициент температуропроводности материала, τ - время облучения. Уравнение (2) представим в более удобном для использования виде:

T = 273 +

(1 − R ) ⋅ I 0 (τ )1 / 2 1/ 2

,

(3)

( λ ⋅ ρ ⋅ c) где ρ - плотность нагреваемого вещества, С- теплоемкость вещества. В таблице 1 приведены теплофизические свойства ряда материалов, необходимые для расчёта температуры разогрева образца световым потоком. Таблица 1 Теплофизические свойства материалов Материал Удельная тепло- Коэффициент тепло- Плотность, ёмкость, проводности, г/см3 Дж/ (кг⋅град) Дж/ (с⋅м⋅град) Al 924 210 2,7 Сталь 449 35 7,8 SiO2 756 13,4 2,9 Стекло 672 0,75 2,6 Полимер 1600 0,16 1,2 21

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.2. Технологии, основанные на использовании световых лучей Наиболее широкое применение энергия светового луча оптического диапазона получила при сварке разнородных металлов, высоко- и низкотемпературной пайке, фотонном отжиге полупроводниковых материалов, для спаев металлов со стеклом, в качестве имитаторов солнечной радиации, для разрушения горных пород и снятия старых силикатных покрытий. Такое относительно широкое разнообразие применения лучистой энергии от некогерентных источников объясняется их сравнительно высоким КПД (35 - 50) %, в сравнении с лазерами.

Давление, Па ⋅ 104 Световой поток, клм

Длина дуги, см

Диаметр колбы, см

Длина лампы, см

Напряжение, В

1.3. Светолучевая технологическая установка СУМ-2 Установка СУМ-2 представляет собой генератор лучистой энергии мощностью (0,5-1) кВт, источником которой является ксеноновая лампа сверхвысокого давления типа ДКСШ. В таблице 2 приведены основные параметры ксеноновых ламп. Таблица 2 Параметры ксеноновых ламп Тип Ток, Плотность лампы А лучистого потока, МВт/м2 в фокальном пятне диаметром, мм 4 10 ДСКР 3000 120 28,5 23,2 5,0 0,37 78,4 100 4,56 2,82 ДСКР 5000 120 31 23,2 5,5 0,55 78,4 210 4,77 3,86 7,20 5,60 ДСКР 10000 275 36,4 25 7,0 0,75 39,2 460 7,10 6,56 Важнейшей характериIотн. стикой ксеноновых ламп является и спектральный состав излучения, кото0,75 рый иллюстрирует рисунок 1. 0,50 0,25

200

22

400

600

800

1000

λ, нм

Рис. 1. Относительное спектральное распределение излучения ксеноновой лампы.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Принцип работы установки СУМ-2 состоит в следующем: основными деталями установки являются ксеноновая лампа и эллиптический отражатель, имеющий фокусы f1 и f2.В фокусе f1 располагается разрядная дуга ксеноновой лампы. Излучение лампы концентрируется эллиптическим отражателем в фокусе f2, где и помещается нагреваемая мишень. Диаметр фокального пятна (dф) в данном случае составляет (3-5) мм. Зная мощность, подаваемую на лампу и КПД установки, можно определить плотность падающего потока при известном диаметре фокального пятна (dф): 4 Nη , (4) I0 = 2 πd ф где N - мощность, подаваемая на лампу, η - коэффициент полезного действия лампы. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы - Освоить технологию нанесения защитного стеклоэмалевого покрытия на стальную подложку с помощью светового луча. - Изучить технологии обработки поверхности мишени мощным световым лучом. - Экспериментальное освоение технологии нанесения стеклоэмалевого покрытия на стальную подложку, выбор мощности, диаметра фокального пятна, времени термообработки, определение прочности покрытия в зависимости от технологических параметров установки. 2.2. Принципиальная схема установки СУМ-2, органы регулировки и последовательность включения Схема состоит из трехфазного трансформатора 10 кВт, «двенадцатифазного» выпрямителя на 30 В, обычного трехфазного выпрямителя вольтдобавки - 60 В, составного транзистора из 80 приборов П210А. Схема обеспечивает подачу на межэлектродный промежуток лампы напряжение 27 кВ с частотой 1000 Гц. Последовательность включения: 1. Включить воду, приточную и вытяжную вентиляцию. 2. Включить тумблер «Питание», проверить наличие всех фаз по неоновым индикаторам. 3. Включить кнопку «Питание вкл.», при этом вольтметр должен показать напряжение на лампе 30 V.

23

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

4. Тумблер «Поджиг-работа» в положении «Поджиг», потенциометр против часовой стрелки до упора. 5. Кратковременно нажать кнопку «Поджиг» и, если лампа загорелась, поставить тумблер в положение «Работа». 6. Потенциометром установить нужный ток, величина которого указывается преподавателем. УСТРОЙСТВО ПОДЖИГА БЛОК ПИТАНИЯ

БЛОК РЕГУЛИРОВКИ ТОКА

КСЕНОНОВАЯ ЛАМПА

Рис. 2. Блок-схема установки СУМ-2

2.3. Технология нанесения стеклоэмалевого покрытия На минимальном значении тока с помощью керамической мишени определяется пространственное расположение фокального пятна нужного диаметра (рабочая зона). Выставляется рабочий ток. Стальной образец - подложка помещается в световой поток. При достижении образцом достаточной температуры, что контролируется по времени воздействия и визуально, образец «окунается» в порошок эмали, т.е. как бы «напудривается». Минимум двукратным стряхиванием удаляются излишки эмали. «Напудренный» образец помещается в рабочую зону. После оплавления эмали повторяются операции «напудривание» и «оплавление». При оплавлении недопустим перегрев и появление пузырей. По достижении достаточной толщины эмалевого слоя процесс прекращается. Ток сбрасывается до минимального и образец помещается в керамическую емкость для постепенного охлаждения. В качестве покрытия используется стеклянный порошок. Подложкой служат образцы из стали.

24

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.4. Испытания покрытий Механическую прочность стеклоэмалевого покрытия оценивают по испытанию на ударную прочность. Прочность на удар характеризуют работой (в кГм), которая вызывает повреждение эмалевого покрытия при ударе. Повреждением считают появление первой трещины или откол эмали с обнажением металла. Испытание проводят вертикальным падением стального шарика радиусом примерно 12,5 мм, постепенно увеличивая высоту падения. Возможно изучение влияния на прочность: а) толщины покрытия, б) способа нанесения (шликерный или пудровый), в) режимов наплавления (варьируя время и мощность лампы). 2.5. Порядок работы 1. Подготовить к работе установку СУМ-2. 2. Подготовить образцы подложки и эмалевую пудру. 3. Настроить установку СУМ-2 на необходимый режим. 4. Провести технологический цикл в соответствии с п. 2.3. 5. Осуществить испытания изделий в соответствии с п. 2.4. 6. В отчете представить: а) физические основы светолучевых технологий, б) принцип действия и схему СУМ-2, в) технологию эмалирования изделий, г) результаты испытания качества изделий в зависимости от технологических параметров. Объяснить полученные результаты. 2.6. Контрольные вопросы 1. Закон Бугера-Ламберта. 2. Изложите физику нагрева мишени световым лучом. 3. В чем сущность светолучевых технологий и их преимуществ? 4. Технология нанесения покрытий с помощью светового излучения. 2.7. Литература 1. Фролов В.А. и др. Использование энергии светового луча в технологических целях. //Сварочное производство.- 1993.- N 4.- С. 1214. 2. Ларкина Л.П. Применение лучистой энергии оптического диапазона для разрушения горных пород.- Киев: Наукова дума, 1976.- 108 с. 3. Варгина и др. Импульсная термообработка материалов полупроводниковой электроники некогерентным светом. // Зарубежная электронная техника. -1983.- В. 1(259).- С. 3-57.

25

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ПЛАЗМЕННОЕ ТРАВЛЕНИЕ ТОНКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Плазма и ее свойства Плазмой называется ионизованный газ, в котором атомы (все или значительная их часть) потеряли по одному или по несколько электронов и превратились в положительно заряженные ионы. Плазма характеризуется степенью ионизации α – отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема вещества. В зависимости от величины α говорят о слабо (α составляет доли процента), умеренно (αнесколько процентов) и полностью (α близко к 100%) ионизованной плазме. В общем случае можно считать, что плазма представляет собой смесь трех компонент: свободные электроны, ионы и нейтральные атомы (или молекулы). Плазма - наиболее распространенное состояние вещества в природе. Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Внешняя поверхность земной атмосферы покрыта плазменной оболочкой-ионосферой. За пределами ионосферы находятся радиационные пояса, которые относятся к своеобразным плазменным образованиям. В земных условиях в лаборатории и в технике с плазмой мы встречаемся при различных газовых разрядах, так как любой газовый разряд (молния, искра, дуга и др.) всегда связаны с возникновением плазмы. Одной из важнейших характеристик плазмы является ее плотность или число заряженных частиц в единице объема. Возможные значения плотности плазмы изменяются в очень широком диапазоне: от 10-6см-3 в межгалактическом пространстве до 1022 см-3 в центральных областях звезд. Наиболее характерная плотность технической плазмы соответствует (108-1019) см-3. Другая характеристика плазмы – ее температура (Тп). В зависимости от способа получения существует два типа плазмы: 1. Высокотемпературная или равновесная плазма (Тп = 106 К - 108 К). Ионизация газа в данном случае происходит под действием сверхвысоких температур, при этом температуры электронов и ионов приблизительно равны. Именно такое состояние вещества характерно для Солнца и звезд. 2. Низкотемпературная или неравновесная плазма (Тп < 104 К). Причиной ее возникновения является газовый разряд.

26

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Когда создается плазма с помощью электрического разряда, то энергию от источника электрического поля получают, прежде всего, легкие частицы-электроны. Они ускоряются, а значит, и нагреваются под действием электрических сил. Поэтому в газоразрядной плазме, как правило, температура электронов (Тэ) значительно превышает температуру ионов (Ти). Перераспределение тепла в плазме происходит за счет столкновений электронов и ионов. Однако, ввиду большой разницы в массах сталкивающихся частиц, в одном акте соударения электрон передает иону небольшую порцию энергии. Поэтому для выравнивания электронной и ионной температур необходимо большое число соударений, что реализуется только в высококонцентрированной плазме. В связи с этим, газоразрядная плазма, как правило, является неравновесной, то есть температура электронов много больше температуры ионов. 1.2. Плазмотроны Газоразрядная плазма создается в специальных устройствахплазмотронах. Представим основные разновидности этих устройств. Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из следующих узлов: внутреннего электрода, разрядной камеры и устройства подачи плазмообразующего вещества. Различают два типа дуговых плазмотронов - для формирования плазменной дуги и для создания плазменной струи. В устройствах первой группы (плазмотроны прямого действия) дуговой разряд горит между внутренним электродом и обрабатываемым материалом, служащим анодом. В устройствах второй группы (плазмотроны косвенного действия) плазма, создаваемая в разряде между электродом и корпусом, истекает из разрядной камеры в виде струи. Стабилизация разряда в дуговых плазмотронах в большинстве случаев осуществляется с помощью магнитного поля. Плазмоструйные плазмотроны используются при термической обработки металлов, для нанесения покрытий. Плазмодуговые плазмотроны служат для сварки, резки, плавки электропроводных материалов. Мощности дуговых плазмотронов-102-107 Вт. Температура струи на срезе сопла 3000-12000 К. Высокочастотный плазмотрон включает: электромагнитную катушку, индуктор или электроды, подключенные к источнику ВЧэнергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Различают ВЧ-плазмотроны индукционные, емкостные, факельные. Мощность ВЧ-плазмотронов достигает 106 Вт, температура в центре разрядной камеры достигает 10000 К. Частота электромагнитного поля лежит в пределах (10-50) МГц.

27

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.3. Основные особенности высокочастотного разряда Под действием ВЧ-электрического поля электроны приобретают энергии порядка (10-100) эВ и оказываются способными эффективно ионизовать при соударениях атомы и молекулы газа. Распределение электронов по энергиям имеет сложный характер, отличный от распределения Максвелла. При давлениях газа близких к атмосферному между электродами возникает высокочастотная корона, которая при соответствующей мощности генератора переходит в высокочастотную дугу. При низких давлениях газа режим ВЧ-разряда близок к режиму тлеющего разряда. Высокочастотный разряд используется для образования плазмы в ионных источниках, в молекулярных лазерах для создания однородной активной среды, для осуществления плазмохимических процессов. 1.4. Использование газоразрядной плазмы в микроэлектронных технологиях Микроэлектроника это отрасль электронной техники, цель которой состоит в создании устройств в микроминиатюрном исполнении. Планарная технология является наиболее перспективным методом получения подобных устройств. Основные операции планарной технологии: нанесение тонких диэлектрических и металлических пленок на поверхность полупроводниковой пластины; создание методами литографии и травления необходимой топологии будущей микросхемы; образование электронно-дырочных переходов при легировании кристалла донорами и акцепторами. В результате этих операций отдельным участкам полупроводниковой пластины придаются свойства различных элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д., что в итоге и формирует интегральную микросхему. Высокочастотная плазма широко используется в планарной технологии для проведения операций получения и травления диэлектрических и, особенно, резистивных пленок. Топология будущей микросхемы формируется методами литографии, обеспечивающими перенос рисунка шаблона на поверхность полупроводниковой пластины. Главным элементом литографического процесса является резист, представляющий собой полимерную пленку, растворимость которой в проявителе зависит от вида и длительности облучения. В зависимости от вида радиации различают фото-, электроно- или рентгено-резисты. В литографии наибольшее распространение получили фоторезисты. В зависимости от природы полимера, в нем под действием облучения развиваются либо деструкция (разрыв химических связей), либо сшивание макромолекул (образуется объемная полимерная сетка). Это приводит к тому, что деструктирующие при облучении резисты

28

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

увеличивают растворимость в проявителе, а сшивающиеся резисты наоборот становятся не растворимыми. Указанные свойства полимерных резистов изменять свою растворимость после экспонирования и используются в литографии для формирования рисунка микросхемы. Литографический процесс включает следующие этапы: - нанесение резистивной пленки на полупроводниковую пластину; - облучение пластины через шаблон с определенным рисунком (экспонирование); - после экспонирования пластину помещают в раствор - проявитель. В зависимости от типа используемого полимера при проявлении удаляются экспонированные или неэкспонированные области пленки. В соответствии с этим, резисты делятся на позитивные и негативные. К позитивным (деструктирующим) резистам относятся полиметилметакрилат (ПММА), полибутен-1 сульфин (ПБС). Представителем сшивающихся при облучении полимеров-резистов является полиглицилметакрилатэтилакрилат. - термическое задубливание резиста для увеличения его адгезионных свойств; - удаление резиста химическим или плазмохимическим способами. Наиболее эффективно травление диэлектрических пленок и удаление резиста с полупроводниковых пластин осуществляется в плазме высокочастотного разряда. В настоящей лабораторной работе будет изучена технология стравливания резистивной пленки с кремниевой пластины на установке «Плазма-600». Процесс травления резистивной пленки осуществляется следующим образом. В камере-реакторе установки «Плазма-600» путем высокочастотного разряда создается низкотемпературная воздушная плазма, состоящая из ионов и электронов с энергиями до 100 эВ, активных кислородных (О) и азотных (N) радикалов, нейтральных газовых молекул (N2,O2). Электроны и ионы бомбардируют резистивную пленку, вызывая разрыв химических связей и распыление пленки. Присутствующие в плазме радикалы взаимодействуют с продуктами радиационного разложения пленки, образуя летучие вещества. Таким образом, осуществляется эффективное удаление с полупроводниковой пластина полимерной пленки резиста. 2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работ - Познакомиться с основными плазменными технологиями и техническими средствами их реализации.

29

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

- Освоить установку «Плазма-600», получить навыки травления в высокочастотной плазме диэлектрических пленок на кремниевых пластинах. - Освоить цветовой метод определения толщины пленки. - Установить зависимость скорости травления диэлектрической пленки от ее химического состава и технологических параметров установки. 2.2. Экспериментальное оборудование и методика определения толщины плёнки Установка «Плазма-600» (рис. 1) предназначена для получения и травления диэлектрических пленок, а так же для обработки поверхности материалов в плазме высокочастотного газового разряда. Основные параметры установки: - частота ВЧ-генератора – 13.56 Мгц - рабочее давление в газоразрядной камере - (103-105) Па - в качестве рабочего газа может использоваться воздух, кислород, аргон, пары летучих жидкостей.

газ 5

1 6 2

3

4

Рис. 1 Принципиальная схема установки: 1 - вакуумная камера для плазменной обработки материало, 2 – образец, 3 - нижний электрод, 4 - верхний электрод, 5 генератор высокочастотного поля, 6 - форвакуумный насос.

Работа на установке «Плазма-600» 1. Открыть дверцу камеры. 2. Открыть крышку камеры. 3. Загрузить в камеру экспериментальные образцы. 4. Закрыть крышку и дверцу камеры. 5. Установить время процесса с помощью тумблера ГАЗ-А. 30

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

6. Автомат «Сеть» поставить в положение «Вкл», загорится лампочка «Сеть». 7. Включить насос кнопкой «Пуск», загорится лампочка «Насос». 8. Тумблер «Накал» поставить в положение «Вкл», загорятся лампочки «Накал», «Генератор». Прогреть генератор в течение 15 мин. 9. Тумблером 7 включить откачку камеры. 10. Проконтролировать по вакуумметру ВТБ-1 включение блокировок 1,2 – каналов, должны загореться сигнальные лампочки на блоке ВТБ-1. Откачать камеру до давления около 10 единиц. 11. Тумблер 4 поставить в верхнее положение. Установить левым верхним натекателем давление по ВТБ-1 на уровне 24-26 единиц. 12. Через 15 мин после выполнения п. 1,3, 8 нажать кнопку «Процесс», загорится лампочка «Процесс» и «Высокое напряжение». 13. Потенциометром установить ВЧ-мощность генератора на уровне (10-45) единиц, при этом ток анода должен быть не более 0,66 А, ток сетки около (20-30) mА. 14. Провести процесс травления в режиме, указанном преподавателем. 15. Вывести потенциометр в крайнее левое положение. 16. Нажать кнопку «Стоп», погаснет лампочка «Процесс». 17. Тумблер 4 поставить в среднее положение. 18. Тумблер 7 поставить в нижнее положение. 19. Через 2-3 мин открыть дверцу и крышку камеры. 20. Выгрузить из камеры экспериментальные образцы. 21. Нажать кнопку «Стоп», погаснет лампочка «Насос». 22. Выключить тумблер «Накал», погаснет лампочка «Накал». 23. Через 5 мин выключить тумблер «Сеть». Для определения толщины пленок в данной работе используется цветовой метод. Сущность метода состоит в следующем. Тонкие пленки, нанесенные на подложку, приобретают определенную цветность за счет интерференции света, отраженного от двух поверхностей пленки. В этом случае цвет пленки, рассматриваемой в белом свете, зависит от ее толщины. Таким образом, толщину диэлектрической пленки с коэффициентом преломления как у оксида кремния можно оценить, пользуясь таблицей 1. Цвета, указанные в таблице, наблюдаются при нормальном падении света. Пленки толщиной (0,01-0,25) при изменении угла падения света свой цвет не меняют. Однако, пленки с толщиной более 0,25 мкм при переходе от прямого к косому освещению изменяют свою цветность. Для совершенно независимого определения толщины пленки по ее ин31

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таблица 1 Интерференционные цвета пленок окиси кремния Толщина пленки (микрон) Цвет

Порядок Порядок Порядок Порядок цвета 1 цвета 2 цвета 3 цвета 4 Серый 0,01 Коричневый 0,05 Синий 0,08 Фиолетовый 0,10 0,28 0,46 О,65 Голубой 0,15 0,30 0,49 0,68 Зеленый 0,18 0,33 0,52 0,72 Желтый 0,21 0,37 0,56 0,75 Оранжевый 0,22 0,40 0,60 Красный 0,25 0,44 0,62 терференционной окраске необходимо иметь не только таблицу цветов, но и калиброванные образцы, которые можно поместить рядом с измеряемыми и рассматривать при различных углах падения света. Можно обойтись и без калиброванных образцов, если толщина пленки известна с точностью не хуже половины порядка цветности (750-1000)Å. 2.3. Порядок работы 1. Подготовить кремниевые пластины с нанесенной пленкой резиста. Цветовым методом определить толщину пленки. 2. Провести технологический процесс травления резистивной пленки в двух режимах, отличающихся мощностью ВЧ-генератора и составом рабочего газа. В процессе травления определять толщину пленки через каждые 10 минут 3. Результаты работы представить в таблице 2. Таблица 2 Плазмо-химическое травление резистивной пленки

Давление Мощность в камере ВЧгенератора

32

Экспозиция Толщина Цвет травления пленки (мкм) пленки (мин) Первый режим 1. 2. … Второй режим 1. 2. ….

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.4. Контрольные вопросы 1. Плазма и ее характеристики. 2. Технические источники плазмы. 3. Классификация плазменных технологий. 4. Получение и свойства высокочастотной плазмы. 5. Использование высокочастотной плазмы в материаловедении. 2.5. Литература 1. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы.- М.:Атомиздат, 1969.- 191 с. 2. Технология СБИС./ Под ред. С.Зи.- М.: Мир, 1986.- 405 с. 3. Основы технологии кремниевых интегральных схем./ Под ред. Р.Бургера и Р.Донована.- М.: Мир, 1969.- 451 с. 4. Панов Е.Н. Технология изготовления БИС.- М.: Высшая школа, 1989.- 78 с. 5. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчёт.- М.: Машиностроение, 1993.- 296 с.

33

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Введение Под электронно-лучевыми (ЭЛ) технологиями понимают технологические операции, в основе которых лежит использование электронных пучков разной мощности. В зависимости от энергии быстрых электронов все многообразие ЭЛтехнологий делится на два класса: 1. Технологии, основанные на электронно-лучевом нагреве материала. К ним относятся плавление, сварка, закалка, отжиг, поверхностное упрочнение материалов, размерная обработка изделий. Главная отличительная особенность указанных процессов состоит в применении мощных пучков электронов с низкими энергиями (2÷200) кэВ. 2. Технологии радиационного модифицирования (изменения свойств) и синтеза материалов. Этот класс операций включает полимеризацию, сшивание полимеров, синтез и спекание керамических структур, направленное изменение свойств (модифицирование) твердых тел и жидкостей, дезинфекцию и др. Поскольку в данном случае необходимо получить радиационные эффекты в объеме материала, то используется сильно проникающее в вещество излучение - электроны с большими энергиями (1÷10) МэВ. 1.2. Источники электронных пучков В качестве источников электронных пучков при реализации радиационных технологий, как правило, используются ускорители электронов. В настоящее время существует несколько десятков типов таких устройств. Независимо от круга решаемых задач и параметров, ускорительные аппараты состоят из одинаковых узлов: инжектор электронов, ускорительное устройство, устройство управления пучком, вакуумная система. В соответствии с принципом ускорения электронов в электрическом поле, все ускорители делятся на две большие группы: а) ускорители прямого действия, б) аппараты многократного ускорения. Устройства первой группы генерируют электронные пучки малых энергий (до сотен кэВ), во втором случае частицы разгоняются до энергий (1 ÷ 30) МэВ. Рассмотрим принцип действия и параметры ускорителей, наиболее часто используемых для технологических целей.

34

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.2.1. Ускорители прямого действия В данном случае электроны приобретают конечную энергию при однократном прохождении высоковольтного промежутка. Тогда энергия электронов в кэВ равна разности потенциалов ускорительной трубки. Рассмотрим основные типы ускорителей прямого действия, являющихся источниками электронных пучков малых энергий. 1.2.1.1.Электронные пушки Принципиальная конструкция электронных пушек представлена на рис.1

3

2 1

5

6

2 4

3

Рис. 1. Принципиальная схема электронной пушки: 1 - инжектор электронов (катод), 2 - анод, имеющий полость в центральной части для прохождения электронного луча, 3 - магнитная фокусирующая система, 4 вакуумно-плотный корпус, 5 - пучок электронов, 6 - выходное окно, изготовленное из металлической фольги

Электронные пушки наиболее широко используются для плавления, сварки, размерной обработки материалов. 1.2.1.2. Электростатичекий генератор (ускоритель Ван-де-Граафа) В данном случае высокий межэлектродный потенциал создается с помощью движущейся ленты, переносящей заряд от источника к аноду. В ускорительной колонне электроны могут приобретать энергию до нескольких МэВ, обеспечивая плотность тока на уровне десятых долей микроампера. 1.2.1.3. Сильноточные импульсные ускорители Принцип действия такого типа ускорителей состоит в следующем. Специальные конденсаторы заряжаются до высокого напряжения. При

35

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

разряде конденсаторов высоковольтный импульс подается на иглообразный катод, что приводит к инжекции большого количества электронов. Мощный электронный пучок выходит из камеры через фольгу и используется для облучения. К данным ускорителям относятся «Фибетрон» (США), «Синус», «ГИН», «Рина», «Мира» (СССР). Параметры генерируемых этими аппаратами электронных пучков следующие: энергия электронов (0,1÷2) МэВ; ток в импульсе достигает килоампер, длительность импульсов - десятки наносекунд, мощность дозы в импульсе до 1012 Гр/с. 1.2.2. Ускорители многократного действия Принцип ускорения состоит в том, что электроны многократно проходят ускоряющие промежутки, постепенно накапливая энергию. В соответствии с траекторией движения электронов различают линейные и циклические ускорители. Отличительной особенностью аппаратов многократного действия является генерация электронов высоких энергий. 1.2.2.1. Линейные ускорители Принцип действия: инжектированные в камеру электроны движутся по прямой, многократно проходя расположенные друг за другом ускоряющие промежутки, с приложенным к ним высокочастотным электрическим полем. Линейные ускорители работают в импульсном режиме с длительностью импульса в несколько микросекунд. Частота следования импульсов может достигать 500 имп/с, энергия электронов (1÷40) МэВ, средний ток пучка (200 ÷ 600) мкА, длительность импульсов - единицы микросекунд. Отечественной промышленностью выпускаются ускорители серий У, ЛУЭ, ЭЛУ-4, ЭЛУ-6. 1.2.2.2. Резонансный ускоритель ИЛУ-6 Разработан институтом ядерной физики СОРАН. Этот ускоритель генерирует импульсы электронов с частотой повторения (2÷75) Гц, длительность импульсов 700 мкс, энергия электронов 2 МэВ, мощность пучка 20 кВт, что позволяет разогреть мишень до 2000 0С. 1.2.2.3. Бетатроны Действие бетатрона, представителя циклических ускорителей, основано на том, что переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Двигаясь в таком поле по круговой орбите, электроны ускоряются. Инжектор электронов работает в импульсном режиме. Параметры электронного пучка: длительность импульсов - микросекунды,

36

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

частота следования импульсов составляет сотни герц, энергия электронов (10÷30) МэВ, средний ток - (10-7 ÷ 10-5) А. К циклическим ускорителям относятся также микротроны и синхротроны. 1.3. Взаимодействие электронов с веществом В радиационных технологиях, как правило, используются электроны с энергиями 2 кэВ ÷ 5 МэВ. Быстрые электроны, попав в вещество, передают свою энергию непосредственно атомам (потери на упругие соударения) и атомным электронам (ионизационные потери). Основной причиной торможения электронов средой являются ионизационные процессы. Мерой тормозной способности вещества являются потери энергии быстрой частицы на единице пути - (dE/dx). В соответствии с теорией Бора имеем: dE 2π ⋅ n ⋅ q 4 4E ln − = , (1) dx E I где E и q - соответственно энергия и заряд быстрых электронов; n - концентрация атомных электронов в веществе; I - потенциал ионизации вещества. Обычно I = 13,5 z, где z - эффективный атомный номер вещества. Распределение поглощенной дозы по толщине образца неравномерно и имеет вид, представленный на рис. 2.

dE dx

Rэ

X

Рис.2. Качественная картина поглощения энергии электронов в веществе: здесь х - толщина поглотителя

Неравномерность поглощения энергии электронов в твердом теле является недостатком радиационных технологий, так как в результате облучения материал приобретает неоднородную структуру. 37

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.4. Пробег электронов в веществе Ввиду рассеяния быстрых электронов в веществе, их траектория движения имеет хаотичный характер и сильно отличается от прямой линии. В соответствии с этим различают истинный (Rи) и экстраполированный (Rэ) пробеги электронов. Истинный пробег - это полный путь, пройденный быстрым электроном в среде до полной термализации. Экстраполированный пробег представляет собой проекцию пути электрона на направление первоначального движения. (2) Обычно Rи ~ (1,3 ÷ 2) Rэ , Теоретически можно рассчитать истинный пробег, используя формулу (1): E0

dE , (3) dE 0 dx где Е0 - начальная энергия электронов. Эмпирическое выражение для экстраполированного пробега электронов в различных средах имеет вид: Rи = ∫

R `э (г / см 2 ) = 0,4Е (1,3− 0,1lgE ) , Формула (4) верна для Е = (0,01÷ 2,5) МэВ. R`э называется экстраполированным приведенным пробегом. При этом R`э (г/см2) = ρ (г/см3).Rэ (см), где ρ - плотность поглотителя.

(4)

(5)

1.5. Расчет поглощенной энергии (дозы) Поглощенная доза - это мера воздействия излучения на вещество. В системе СИ единицей измерения поглощенной дозы является Грей, численно равный количеству энергии излучения в джоулях, поглотившейся в 1 кг вещества. Величина, в сто раз меньшая одного Грея, называется Рад. Расчет поглощенной дозы при электронном облучении проводится по следующим приближенным формулам: j⋅ E ⋅ t при d > Rэ, (6) D= e⋅ ρ ⋅Rэ j⋅ E ⋅ d ⋅ t при d < Rэ, (7) D= e ⋅ ρ ⋅ R 2э Здесь j - плотность тока пучка электронов, t - время облучения, d толщина поглотителя.

38

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.6. Физические основы радиационного модифицирования материалов При взаимодействии быстрых электронов с твердым телом образуются первичные дефекты - свободные электроны и дырки, радикалы, возбужденные атомы (экситоны). Эти дефекты живут короткое время и исчезают (рекомбинируют) с выделением тепла и света, либо преобразуются в стабильные радиационные дефекты. Таким образом, энергия электронов, поглощенная средой, идет на нагревание образца, а также на создание различных дефектов, изменяющих свойства материала. Под действием облучения свойства твердых тел могут, как ухудшаться, так и улучшаться. Основная задача радиационной технологии состоит в том, чтобы используя позитивные эффекты воздействия электронных пучков, создавать высококачественные материалы. В неорганических структурах (стекла, керамика, ионные кристаллы) под действием облучения создаются стабильные дефекты в виде смещенных атомов, вакансий, их скоплений, резко активизируются диффузионные процессы. Эти явления могут привести к значительному улучшению свойств материала, что и используется в электронно-лучевых технологиях. Для органических соединений (полимеров) позитивным эффектом радиационного воздействия является сшивание макромолекул. Суть процесса заключается в следующем. При облучении полимеров за счет ионизации атомов химические связи разрываются и образуются радикалы. Радикалы - это атомы или их группы, имеющие неспаренные электроны. Радикалы, принадлежащие разным макромолекулам, встречаясь друг с другом, образуют прочные межмолекулярные химические связи. Таким образом, макромолекулы сшиваются, что приводит к улучшению термомеханических свойств полимеров. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы - Освоить технологию получения радиоэлектретов, изготовить и испытать радиоэлектреты. - Освоить технологию получения сшитого полиэтилена. Определить механические свойства облученного полиэтилена. 2.2. Технология получения радиоэлектретов Электретами называются твердые диэлектрики, длительное время сохраняющие наэлектризованное состояние и являющиеся источником

39

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

постоянного электрического поля. Электреты используются как источники постоянного электрического поля в различных измерительных и преобразующих устройствах (например, микрофоны). В зависимости от способа изготовления различают термо-, трибо- и радиоэлектреты. Радиоэлектреты получают путем облучения диэлектриков электронными пучками. Преимущества этой категории электретов состоят в их высокой стабильности, термоустойчивости и величине генерируемого электрического поля. Схема радиоэлектрета приведена на рис. 3. σп σ0 σп

d

Рис.3. Схема радиоэлектрета

Отрицательный заряд в объеме диэлектрика формируется при облучении образца электронами. При этом пробег электронов должен быть меньше толщины диэлектрика. Инжектированные электроны захватываются дефектами структуры на глубине пробега и образуют стабильный объемный заряд. Наведенный облучением отрицательный заряд компенсируется на поверхности диэлектрика положительными ионами воздуха. Эффективность технологии определяется параметрами электронного пучка и свойствами исходного материала. 2.3. Технология получения сшитого полиэтилена Процесс радиационной сшивки полиэтилена наиболее эффективно осуществляется при дозах (0,1 ÷ 0,5) МГр. Для получения качественных образцов облучение проводят при комнатной температуре, обеспечивая максимальную равномерность поглощения энергии электронов в образцах. С этой целью выбирают такую энергию электронов, чтобы их пробег превышал толщину образца. Кроме того, облучение следует проводить с двух сторон. 2.4. Экспериментальное оборудование 2.4.1. Источники электронных пучков Облучение образцов проводится на сильноточном импульсном ускорителе МИРА. Принцип действия аппарата описан в теоретической части разработки. На рис. 4 показана принципиальная схема ускорителя.

40

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1

4

2 3

7

6

5

Рис.4. Схема электронного генератора МИРА: 1 - источник высокого напряжения, 2 – конденсатор, 3 – разрядник,4 – катод, 5 – изолятор, 6 - электронный пучок, 7 – масло.

Параметры аппарата МИРА: энергия электронов - 150 кэВ; длительность импульса - 20 нс; ток в импульсе - 50 А; частота следования импульсов - 1 имп/с; площадь выходного окна - 1,5 см2. При изучении технологии получения сшитого полиэтилена используются также образцы, облученные на линейном ускорителе ЭЛУ-4. Параметры ускорителя: энергия электронов - 4 МэВ; плотность среднего тока - 0,2 мкА/см2; длительность импульсов - 5 мкс; частота следования импульсов - 200 Гц; плотность тока в импульсе - 3 мА/см2. 2.4.2. Прибор для испытания радиоэлектретов Измерение заряда электрета осуществляется либо с помощью электрометра, либо методом вибрирующего электрода, принцип действия которого иллюстрируется на σинд В рис.5.

C0

Б

L

U d A

Рис.5. Принцип метода динамического конденсатора.

41

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Электрод А плотно прижат к образцу. Электрод В расположен на расстоянии L от поверхности электрета. На электроде В индуцируется поверхностный заряд плотностью σинд. Верхний электрод вибрирует с частотой 20 Гц. При изменении величины зазора «электрет-электрод», индуцированные на электроде В заряды меняются, что вызовет появление в цепи электрического тока. Если на пути тока включить вольтметр с входной емкостью С0, то вольтметр покажет разность потенциалов (U), пропорциональную индуцированному заряду. U=

σ инд

. (8) С0 Поверхностная плотность заряда электрета определяется по формуле: ⎛С U⎞ ⎛ε ⋅L ⎞ σп = ⎜ 0 ⎟⋅⎜ (9) + 1⎟ , ⎠ ⎝ S ⎠ ⎝ d где S - площадь электрода, L – зазор между электродом и диэлектриком, ε - диэлектрическая постоянная материала. Величина напряженности электрического поля электрета определяется из выражения: (10) E = 2π ⋅ σ п . 2.4.3. Испытания модифицированного полиэтилена Для образцов сшитого полиэтилена измеряется прочность на разрыв с помощью разрывной машины. Результаты измерений сравниваются с аналогичными данными для необлученных образцов. 2.5. Порядок работы 1. Ознакомиться с работой источника электронов МИРА. 2. Рассчитать по формулам (4,6,7) пробег электронов и поглощенную дозу для исследуемых материалов. 3. Получить радиоэлектреты при разных дозах облучения. 4. Измерить заряд радиоэлектретов. 5. Облучить образцы полиэтилена несколькими дозами на ускорителях МИРА и ЭЛУ-4. 6. Определить прочность на разрыв и относительное удлинение облученных и необлученных образцов. 7. Результаты испытаний оформить в виде таблиц и графиков.

42

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.6. Контрольные вопросы 1. Изложите физические основы электронно-лучевых технологий. 2. На какие типы технологических электронных ускорителей ? 3. Приведите разновидности электронно-лучевых технологий. 2.7. Литература 1. А.Чарлзби. Ядерные излучения и полимеры.- Изд-во ИЛ,1962. 2. Введение в технологию электронно-лучевых процессов./ Под ред. Н.А.Ольшанского.- Изд-во Металлургия, 1965.- 395 с. 3. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник.- Изд-во "Машиностроение", 1985.- ….с. 4. Пикаев А.К.. Современная радиационная химия.- Изд-во Наука, 1985.-375 с. 5. Петров А.В. Исследование токов термодеполяризации в полярных полимерах. Методические указания. - Томск: ТПУ, 1985.- 19 с. 6. Ракалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов.- М.: Машиностроение, 1985.- 496 с.

43

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА МАТЕРИАЛОВ. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Электромагнитные волны высокой частоты Электромагнитными волнами (ЭМ) называются распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля. Электромагнитное поле состоит из неразрывно связанных друг с другом электрического и магнитного полей, вектора напряженности которых, перпендикулярны друг другу и к направлению распространения волны. Таким образом, любая электромагнитная волна характеризуется тремя векторами: 1. E - вектор напряженности электрического поля; 2. H - вектор напряженности магнитного поля; 3. P - вектор плотности потока электромагнитной энергии (вектор Умова-Пойнтинга). P = [E ⋅ H ] (1) В зависимости от частоты различают ЭМ волны: радио ( ν = 104 – 106 Гц), УКВ (ν = 107 - 108 Гц), СВЧ (ν = 1011 – 10 9 Гц) , инфракрасного (ν = 1014 – 10 12 Гц), видимого (ν = 1015–1014 Гц) , ультрафиолетового (ν = 1017 – 10 15 Гц) , рентгеновского (ν = 1019 – 10 17 Гц) и гамма (λ > 0,1 мм, ν > 1019 Гц) - диапазонов. Электромагнитные волны могут распространяться как в вакууме, так и в веществе. Причём они переносят не вещество, а энергию. При этом перенос энергии совершается направленно, в сторону распространения волны. Электромагнитная волна любой частоты, попав в вещество, затухает по закону Бугера:

I = I 0 ⋅ (1 − R ) ⋅ e − 2k ⋅ x (2) где I0 – интенсивность падающей ЭМ волны; R – коэффициент отражения; х - толщина слоя поглотителя; k - коэффициент поглощения ЭМ-энергии в среде. Чем больше коэффициент поглощения среды, тем меньше расстояние х, на протяжении которого амплитуда колебаний уменьшится в е раз, т.е. быстрее протекает затухание колебаний. Поглощенная материалом энергия электромагнитной волны в итоге передается атомам вещества и расходуется на нагревание образца. 44

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

В технологиях высокочастотного нагрева используются электромагнитные волны в диапазоне 150 кГц ÷ 500 МГц. Иначе эти воздействия называются токами высокой частоты (ТВЧ). 1.2. Индукционный нагрев металлов Метод индукционного нагрева основан на открытом Фарадеем явлении электромагнитной индукции, которое состоит в том, что при помещении проводника в магнитное поле, по нему протекает ток, и возникает Э.Д.С.: E = 4,44 ⋅ f ⋅ n ⋅ Ф ⋅ 10 − 8 [В], (3) где Е— электродвижущая сила, В; f—частота электрического тока, Гц; n—число витков проводника (индуктора); Ф — магнитный поток, [Вб]. В проводящем контуре (проводнике) существование Э.Д.С. индукции приводит к появлению индукционного тока (вихревые токи Фуко), направление которого всегда таково, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Индукционный ток наводит ЭДС в той же цепи, где он протекает, поэтому данное явление называется самоиндукцией. Эти токи, проходя по проводнику, нагревают его. Причиной поверхностного эффекта являются вихревые токи, возникающие в результате действия переменного магнитного поля на заряженные частицы. Сила, действующая на электрический заряд, движущийся в магнитном поле называется силой Лоренца. Она направлена всегда перпендикулярно к скорости движения заряженной частицы, т.е. является центростремительной силой. В результате этого заряженная частица движется по окружности. Если на движущийся электрический заряд кроме магнитного поля действует и электрическое поле, то результирующая сила, приложенная к заряду, равна векторной сумме силы, действующей на заряд со стороны электрического поля и силы Лоренца. Таким образом, заряженная частица в объёме проводника совершает движение по спирали. Количество теплоты, выделяемое в единицу времени вихревыми токами, пропорционально квадрату частоты магнитного поля. Таким образом, коэффициент поглощения электромагнитного поля (k) в металлах определяется генерацией вихревых токов и выражается следующей формулой: f ⋅ µ ⋅ 2π , (4) k=

ρ

где f - частота поля; 45

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

µ - абсолютная магнитная проницаемость; ρ - удельное сопротивление металла. Важной для практики величиной является глубина проникновения тока в металл (∆), которая определяется по выражению:

ρ 1 [м], (5) = 503 ⋅ к µ′ ⋅ f где µ′ - относительная магнитная проницаемость. Оценки показывают, что глубина проникновения токов высокой частоты в металлы составляет, в среднем, микрометры. При помещении металла в переменное электромагнитное поле в нём возникает поверхностный эффект (скин - эффект): протекание переменного тока сопровождается неравномерным распределением плотности тока по сечению проводника и, следовательно, неравномерным выделением мощности. Причиной поверхностного эффекта являются вихревые токи, возникающие в результате действия переменного магнитного поля. Для индукционного нагрева используют высокочастотные генераторы, снабженные индукторами, которые имеют форму одновитковой или многовитковой катушки. Индукционный нагрев металлов в настоящее время широко применяется в различных областях для самых разнообразных целей: • в машиностроении (нагрев, обработка металлов давлением, рекристализационный отжиг, закалка, термообработка, сушка изоляции электрических машин и окрашенных поверхностей); • в химическом производстве (получение смол, борьба с затвердеванием или замерзанием, нагрев пресс-форм и экструдеров при прессовании и переработки пластмасс, нагрев валков и натяжных роликов во избежание образования трещин на поверхности). ∆=

1.3. Диэлектрический нагрев материалов Нагрев непроводниковых (диэлектрических и полупроводниковых) материалов обусловлен диэлектрическими потерями. Диэлектрическими потерями называется часть энергии внешнего электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в единицу времени и вызывает нагрев диэлектрика. Если нагрев непроводниковых материалов осуществляется в переменном электрическом поле частотой 106 ÷ 108 Гц, то этот вид нагрева называют ВЧ нагревом. При этих частотах нагрев осуществляется за

46

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

счёт диэлектрических потерь, обусловленных сквозной электропроводностью и релаксационными (медленными) видами поляризации. Диэлектрические потери за счёт электропроводности возникают в результате выделения тепла Джоуля при прохождении через диэлектрик сквозного тока. Кроме этого, в диэлектрике при помещении его в электрическое поле появляются релаксационные диэлектрические потери. Причиной их возникновения являются медленные виды поляризации. К ним относятся дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, миграционная, спонтанная поляризации. В присутствии электрического поля полярные молекулы ориентируются, а ионы смещаются в направлении сил поля. При этом энергия электрического поля превращается в кинетическую энергию частицы. В результате увеличивается амплитуда и частота колебаний поляризующихся частиц, избыточная кинетическая энергия передаётся окружающим атомам среды, что эквивалентно нагреву материала. Если диэлектрик поместить в переменное электрическое поле, то при каждом изменении поля внутри материала будет генерироваться некоторое количество тепла. Чем чаще изменяется направление поля, т. е. чем выше его частота, тем больше тепла выделится в диэлектрике за единицу времени. Мощность диэлектрических потерь рассчитывается по формуле: Р = U2 . ω . C . tgδ, (6) где U - напряжение на конденсаторе емкостью С, tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь, ω - круговая частота. Удельная мощность, выделяющаяся в единице объема диэлектрика, может быть определена по формуле Pуд = 5,53 ⋅ 10 −11 ⋅ Е 2 ⋅ f ⋅ ε ⋅ tgδ ,

(7)

где Руд - удельная мощность диэлектрических потерь, Вт/см3; Е - напряженность электрического поля, В/м ; f - частота поля, Гц ; ε - относительная диэлектрическая проницаемость; Эти формулы справедливы для любых размеров и любой формы электродов, в любом поле. Из них видно, что поглощаемая мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения, частоте тока, тангенсу угла потерь и диэлектрической проницаемости нагреваемого материала. Тангенс угла потерь и диэлектрическая проницаемость представляют собой основные параметры материала и в свою очередь зависят от частоты поля и температуры материала. 47

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Для технологических целей важно знать область основного поглощения ВЧ - энергии материалом. Эта величина обозначается через ∆ и соответствует такой толщине диэлектрика, при которой мощность электромагнитного поля уменьшается в е раз по сравнению с её значением на поверхности: 1 с . (8) ∆= = к 2π ⋅ f ⋅ tgδ В диапазоне частот 5 - 80 МГц, применяемом для высокочастотного нагрева диэлектрических материалов, глубина проникновения исчисляется десятками метров и обычно превышает линейные размеры материала. Основные преимущества диэлектрического нагрева: 1. Равномерность нагрева всего объема материала. Этому есть две причины: • Первая - источники тепла находятся внутри тела, а не на его поверхности, как это имеет место при конвекционном нагреве. В результате при диэлектрическом нагреве градиент температур направлен из материала, что облегчает массоперенос из внутренних слоёв к наружным. Этот факт обеспечивает многократное ускорение различных термостимулированных процессов: сушка древесины, полимеризация, спекание керамики и т.д. • Вторая - интенсивность ЭМ волны во всем объеме материала постоянна, т.е. температура в каждой точке объёма образца одинакова. 2. Избирательность, т.е. наиболее сильно нагреваются компоненты материала, обладающие наибольшими диэлектрическими потерями. Например, влага в древесине, высокопроводящие фазы в керамике, клеевые растворы, вредные насекомые в злаковых культурах. Таким образом, можно активизировать нужные процессы. На этом принципе построены такие ВЧ-технологии, как дезинсекция, склейка, спекание и модифицирование керамики, сушка влажных изделий. В гетерогенных структурах высокочастотная обработка, как правило, приводит к возникновению больших градиентов температуры между фазами. Данный эффект стимулирует массоперенос, который стремится уменьшить неоднородность структуры. Таким образом, ВЧ-отжиг позволяет значительно улучшить свойства материалов за счет гомогенизации их строения. Наконец, к позитивным особенностям ВЧ-нагрева следует отнести возможность изменения скорости нагрева образца в очень широких пределах.

48

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.2. Генераторы ВЧ- излучения Эффективная термическая обработка диэлектриков в электрическом поле осуществляется при частоте поля выше 0,5 МГц. Поэтому в ВЧ технологиях используются, как правило, ламповые генераторы. Генераторы диэлектрического нагрева состоят из тех же узлов, что и ламповые генераторы для индукционного нагрева материалов. Отличие заключается в том, что в генераторах диэлектрического нагрева нагрузкой является рабочий конденсатор, в котором находится нагреваемый материал. На рис.1 показана принципиальная схема лампового автогенератора для диэлектрического нагрева. В схеме автогеLp Cp нератора напряжение высокой частоты на сетке возUa C никает, благодаря обратной связи с L Lc анодным контуром L Cн. Частота возникающих колебаний определяется Рис. 1. Принципиальная схема лампового ВЧпо формуле: генератора

1 L ⋅ Cн . (11) 2π При включении генератора из-за переходных процессов в анодном контуре возникают слабые колебания. Если сеточная (Lc) и анодная (L) катушки не связаны индуктивно, то колебания в анодном контуре затухают. Если же взаимная индуктивность Lc и L велика, то в анодном контуре установятся незатухающие колебания с частотой f. f≈

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы Познакомиться с основными разновидностями ВЧ-технологий. Освоить технологию высокочастотной сушки диэлектриков. Сравнить эффективность ВЧ-сушки диэлектрических материалов по сравнению с конвекционной сушкой.

49

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.2. Экспериментальное оборудование Для диэлектрического нагрева материала используется высокочастотная установка ВЧД2-1.6/40. Установка характеризуется следующими параметрами: - рабочая частота 40,68 + 1% МГц; - номинальная колебательная мощность 1,6 кВт; - анодный ток до 0,8 А; - сеточный ток от 0,2 до 0,27 А; - одновременная загрузка в рабочем конденсаторе - (0,2 - 0,6) кг. образцов массой 2.3. Порядок работы Приготовить 4 - 6 образцов кабельной бумаги в виде квадратов 10х10 см. После увлажнения определить суммарный вес образцов. Включить пакетный выключатель 1ПВ, при этом включится двигатель вентилятора. Включить пакетным выключателем первую ступень накала генераторной лампы (накал). Через 30 секунд автоматически должна включиться вторая ступень накала и загорится сигнальная лампочка зеленого цвета. Разместить образцы в рабочем конденсаторе и нажать кнопку «Нагрев» (загорится лампочка красного цвета). По истечении времени (15 секунд) нагрева нажать кнопку «Стоп», вытащить образцы из камеры и произвести замеры их массы. Повторить операцию до полного высыхания образца. В идентичных условиях провести сушку образцов исследуемых материалов обычным термическим способом при 100 оС и провести аналогичные измерения. Сравнить эффективность высокочастотной и термической сушки. Аналогичную программу выполнить для керамики. Дать анализ эффективности ВЧ-нагрева диэлектриков. 2.3.3. Оформление результатов По результатам эксперимента заполнить таблицу и построить график изменения массы образцов от времени сушки при конвекционном и диэлектрическом нагревах. В выводах объяснить полученные результаты.

50

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Керамика

Кабельая бумага

Таблица. Влияния вида сушки на массу неметаллического материала. Материал Время Масса образца, гр образца сушки, с ВЧ сушка Конвекционная сушка 0 15 30 … 0 15 30 …. 2.4. Контрольные вопросы 1. Изложить физические основы ВЧ-нагрева. 2. Привести основные разновидности ВЧ-технологий и их особенности. 3. Перечислить и пояснить преимущества ВЧ-технологий. 2.5. Литература 1. Нетушил А.В., Жуховицкий Б.Я., Кудрин В.Н., Парини Е.П. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.- 480 с. 2. Княжевская Г.С., Фирсова М.Г. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов. Библиотека высокочастотника-термиста.Л.: Машиностроение, 1980.- 71 с. 3. Булюбаш Б.В., Гуревич В.З. Электричество и тепло.- М.:Наука, 1978.- 174 с. 4. Яковлев П.Б. Электротехнологии: уч. пособие.- М.: МЭИ, 1978.174 с.

51

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ПРОШИВКА ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Характеристики ультразвуковых волн Раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения, распространение и взаимодействие с встречными препятствиями, называется акустикой. Процесс распространения в сплошной среде упругих колебаний звуковой частоты образуют звуковую (акустическую) волну. В зависимости от частоты различают колебания инфразвуковые (f колебаний не превышает 10 – 15 Гц и человек его не воспринимает), звуковые (f = 20 - 18⋅103 Гц, человек воспринимает в форме слышимых звуков), ультразвуковые (f = 104 – 107 Гц) и гиперзвуковые (f > 107 Гц). Гармоническое волновое движение, к которому относятся и ультразвуковые колебания, характеризуется длиной волны (λ) и амплитудой колебаний (А). Длина волны определяется частотой (f) и скоростью распространения (с): с λ= , (1) f Наиболее значимыми параметрами среды, определяющими распространение ультразвуковых волн, являются плотность и упругость среды. В зависимости от упругих свойств среды в ней могут наблюдаться продольные и поперечные звуковые колебания. В жидкостях и газах распространяются только продольные волны, в твёрдых телах наряду с продольными возникают и поперечные волны, т.к. твёрдые тела обладают упругостью формы, т.е. стремятся сохранить свою форму при воздействии на них механических сил. Для ультразвуковой обработки наиболее интересны продольные упругие колебания в твердых телах. Скорость распространения упругих колебаний в твердых телах определяют по формуле: E с= , (2)

ρ

где Е - модуль продольной упругости, Па; ρ - плотность среды, кг/м3. Распространение в упругой среде продольных звуковых волн связано с объёмной деформацией. Колебания частиц среды приводят к возникновению в среде меняющегося во времени и пространстве избыточного давления. Давление, вызываемое деформацией среды, называется звуковым давлением: 52

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

⎛ x⎞ (3) Pзв = ρ ⋅ c ⋅ ω ⋅ A ⋅ cos ω ⋅ ⎜ t − ⎟ ⎝ c⎠ где А – амплитуда колебаний; ω - круговая частота; Ri = ρi⋅сi - волновое сопротивление среды. При распространении в материале звуковой волны происходит перенос энергии упругой деформации и отсутствует перенос вещества, т.к. положения равновесия, около которых совершают колебания частицы, не перемещаются. Поток энергии звуковой волны определяется суммой кинетической (колебательное движение частиц) и потенциальной (деформация) энергии колеблющихся частиц. Энергия, переносимая звуковой волной через единицу площади, перпендикулярную направлению распространения волны, за единицу времени, называемая интенсивностью звуковых колебаний или силой звука: 2 ρ ⋅ c ⋅ ω 2 ⋅ A 2 Pзв max , [Вт/см2]. (4) = I = E⋅c = 2 2 ρc Если звуковая волна распространяется в активной среде и попадает на границу раздела со второй средой, то часть энергии волны будет отражаться в первую среду, а остальная энергия проходит во вторую среду. Соотношение между значениями отражённой и прошедшей энергии определяется волновым сопротивлением сред и называется коэффициентом отражения (R):

I отр

2

⎛ R − R1 ⎞ ⎟⎟ = ⎜⎜ 2 (5) R= I0 ⎝ R 2 + R1 ⎠ где R1 и R2 - волновые сопротивления сред. При отражении волны от граничной поверхности в волновом поле возникает интерференция, т.е. наложение падающей и отражённой волн. В результате суперпозиции двух бегущих синусоидальных волн одинаковой амплитуды и частоты возникает стоячая волна. В отличие от бегущей волны стоячая волна не передаёт энергию, а только выделяет её в определённом месте, причём кинетическая энергия колебаний переходит в упругую (потенциальную) энергию и обратно. Другая часть звуковой волны поглощается и распространяется в теле. При распространении звуковой волны в упругой среде, обладающей сопротивлением, происходят необратимые потери энергии. В жидкостях и газах потери происходят из-за внутреннего трения (вязкости) и теплопроводности. В твёрдых телах появляются дополнительные 53

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

потери на упругий гистерезис и пластическую деформацию. Поэтому сильно поглощают УЗ газы, меньше – жидкости и ещё меньше – твёрдые тела. Преобразование энергии волны в другие виды энергии, происходящие при распространении волны в среде, называется поглощением волны. Поглощение звуковой волны характеризуется её затуханием, т.е. падением интенсивности звука (I) при удалении от источника колебаний, и описывается законом Бугера – Ламберта:

I = I 0 ⋅ (1 − R ) ⋅ e −2к⋅x , (6) где I0 – интенсивность падающей волны; R - коэффициент отражения; к - коэффициент поглощения. Чем больше коэффициент поглощения, тем меньше расстояние х, на протяжении которого амплитуда колебаний уменьшится в е раз, т.е. быстрее протекает затухание колебаний.

1.2. Основы ультразвуковой размерной обработки Ультразвуковыми методами обработки принято называть группу технологических процессов и операций, разнообразных по своему назначению и осуществляемых различными способами, но обязательно в присутствии механических упругих колебаний УЗ частоты. В одних процессах УЗ колебания непосредственно используют как средство интенсификации процессов, протекающих независимо (электрохимических или химических процессов осаждения металлов), в других – для передачи в зону обработки необходимого количества энергии (размерная обработка твёрдых тел). То есть, под размерной ультразвуковой обработкой понимают управляемое разрушение обрабатываемого материала в результате импульсного ударного воздействия на материал в абразивной среде. Ультразвуковая размерная обработка применяется для изготовления и доводки вырубных, высадочных и чеканочных матриц, обработки твёрдосплавных фильер, изготовления деталей из хрупких и твёрдых материалов, клеймения и гравирования деталей и т.д. Отечественная промышленность производит разнообразные модели УЗ станков, но, несмотря на различия во внешнем оформлении и размерах, все станки схожи в наличии и расположении основных узлов (рис.1). Для питания ультразвуковых преобразователей применяются генераторы, преобразующие напряжение промышленной частоты в напряже-

54

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Генератор

ние УЗ-ой частоты. В качестве источников питания УЗ установок в основном применяют ламповые и полупроводниковые генераторы с рабочими частотами (килогерцы): 18, 22, 44, 66 и 78. Важнейшей частью ультразвуковых установок является колебательная систе1 ма, состоящая из электроакустического преобразователя, концентратора и инструмента. Электроакустические преобразователи служат для превращения электромагнитной энергии, подводимой в форме пере2 менного тока некоторой частоты, в механическую в форме упругих механических колебаний той же частоты. В УЗ-ом диа3 пазоне применяют в основном магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи: • магнитострикционные преобразователи, основаны на использовании прямоРис. 1 Основные узлы ультго, продольного магнитострикционного развуковой установки: эффекта, т.е. изменении линейных раз1 – электроакустический преобразователь, 2 – концентратор , меров материала под действием внешне3 - инструмент го магнитного поля. Магнитострикция, возникающая при намагничивании кристалла внешним магнитным полем, обусловлена деформацией кристаллической решётки в результате смещения границ доменов и вращения векторов намагниченности. Основные узлы магнитострикционного преобразователя - сердечник из магнитострикционного материала и нанесенная на него обмотка, по которой протекает электрический ток. В результате вокруг проводника создаётся магнитное поле. • пьезоэлектрические преобразователи, основаны на обратном пьезоэлектрическом эффекте, т.е. если к металлическим обкладкам кварцевой пластины подвести электрическое напряжение (электрическое поле) от источника тока, то в пластине возникнут механические напряжения, и она изменит свои размеры, как бы сжимаемая внешней силой. Обычно удлинение, полученное с помощью преобразователей очень мало, но в режиме гармонических колебаний амплитуду последних можно значительно увеличить, используя явление механического резонанса, т.е. когда частота вынуждающей силы (генератор) совпадает с собственной частотой колебательной системы (преобразователь, кон55

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

центратор, инструмент) и на её длине укладывается чётное число полуволн. Однако, даже в резонансном режиме, амплитуда торца магнитостриктора не превышает 5-10 мкм. Чтобы увеличить амплитуду колебания до необходимого (30-80 мкм), к торцу магнитострикционного преобразователя крепится акустический трансформатор скорости (концентратор), который концентрирует звуковую энергию на конце меньшего диаметра, что приводит к увеличению амплитуды. При УЗ обработке применяют конусный, экспоненциальный, катеноидальный и ступенчатый концентраторы. Для каждого из них характерен свой закон изменения сечения по длине и распределение амплитуд смещений. Общим для всех является трансформация механических колебаний малой амплитуды, подводимых к большой площади, в механические колебания большой амплитуды, возникающие на малой площади. Концентратор соединяет преобразователь энергии с инструментом. Концентратор и инструмент можно рассматривать как элементы единой колебательной системы, а всю систему в целом как трансформатор упругих колебаний. В пространство между инструментом и обрабатываемой поверхностью подаётся абразивная суспензия, состоящая из жидкости и абразива. В качестве жидкости, несущей абразив, обычно используют воду, обладающую малой вязкостью, удовлетворительной смачивающей способностью и хорошими охлаждающими свойствами. Жидкость применяется для циркуляции суспензии в рабочей зоне, выноса выколотых частиц и изношенных абразивных зёрен, доставки свежего абразива. Решающую роль в формообразовании играют зёрна абразива. Зёрна абразива выполняют функцию режущего инструмента, поэтому они по твёрдости должны не уступать обрабатываемому материалу. Для УЗ обработки обычно применяют карбид бора, который хорошо смачивается водой и благодаря сравнительно небольшой плотности удовлетворительно переносится жидкостью, карбид кремния и электрокорунд применяют для изготовления изделий из стекла, германия и материалов, которые хорошо обрабатываются УЗ. Зерна абразива (dа=10÷ 300 мкм) под действием удара вибрирующего инструмента производят обработку (выкалывание частиц материала). В результате в заготовке копируется форма рабочего инструмента. Производительность ультразвуковой обработки, например процесса прошивки, (Q) определяется амплитудой колебаний, зернистостью абразива, глубиной обработки, величиной усилия подачи: Q = К(А2F)а .fв . F, (7) 56

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

где К- коэффициент, зависящий от концентрации абразивных частиц в суспензии, твердости обрабатываемого материала и абразива, а также среднего размера зерна абразива; А - амплитуда колебаний торца инструмента; Р- усилие прижима, равное Р1/F (Р1- постоянное усилие прижима, Fплощадь торца инструмента). а и в – коэффициенты, зависящие от условий обработки; f – частота ультразвука S – площадь рабочей части инструмента Чем больше амплитуда и частота колебаний, тем больше производительность обработки. Амплитуда колебаний максимальна в том случае, когда в системе наступает резонанс. Настройка частоты генератора на 0,5 процента от резонансной вызывает уменьшение амплитуды колебаний вдвое, а это влечет за собой уменьшение производительности в 2-4 раза. Оптимальная амплитуда колебаний инструмента и производительность УЗ обработки связаны со средним размером (dа) абразивного зерна (рис. 1). Уменьшение размера зерна вызываП ет снижение производительности, особенно если размер зерна меньше амплитуды колебаний. С другой стороны, чем меньше зерно, тем выше точность обработки. С увеличением размера частичек абразива растет объём материала, выкалываемого на детали, сле100 da,мк довательно, и производительность обРис. 1 Влияние размера абраработки. Однако при этом снижается зива на производительность чистота обрабатываемой поверхности. УЗ обработки По мере углубления инструмента в деталь ухудшается доступ частиц абразива под рабочий торец инструмента и производительность обработки падает. В процессе работы происходит интенсивное дробление абразивных зёрен, поэтому производительность в начале обработки может быть выше, чем в конце. На производительность в значительной степени влияет и концентрация абразива в суспензии. При оптимальной концентрации (массовое отношение абразива к воде 1:1 ….. 1:2) по всей обрабатываемой поверхности укладывается один слой зёрен абразива. При чрезмерной концентрации абразивной суспензии в рабочей зоне абразив будет располагаться в несколько слоёв, и эффективность процесса снижается. 57

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Производительность процесса определяется также механическими параметрами обрабатываемого материала – прочностью, хрупкость. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы - Закрепить теоретические знания по ультразвуковой обработке материалов, ознакомиться с устройством установки ультразвуковой обработки и принципом ее работы, уяснить основные закономерности процесса ультразвуковой прошивки материалов. - Определить производительность ультразвуковой прошивки материала в зависимости от зернистости абразива, 4 твердости материала и мощности ультразвукового воздействия. 3

2

1

7 11 5 6 10

12

8

9 Рис.2. Принципиальная схема ультразвуковой установки: 1 – источник питания, 2 – магнитострикциионный преобразователь, 3 – обмотка, 4 – вентилятор, 5 – концентратор колебаний, 6 – инструмент, 7 – корпус, 8 – стойка, 9 – станина, 10 – лоток с абразивом, 11 – бак с водой, 12 – обрабатываемый материал.

58

2.2. Принципиальная схема экспериментальной установки. Установка (рис. 2) предназначена для ультразвукового сверления пластин различных твердых материалов (металлов, камней, стекол, ферритов и т.п.) с применением абразивных порошков и состоит из ультразвукового генератора (1), магнитострикционного преобразователя (3) с обмоткой (2), вентилятора (4), концентратора колебаний (5), инструмента (6). Колебательная система укреплена в корпусе (7), закрепленном на стойке (8)

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

станины (9). Абразивная суспензия создается на лотке от емкости водой (10).Ультразвуковое сверление происходит следующим образом: электрический ток ультразвуковой частоты от ультразвукового генератора поступает на обмотку нагрузки - преобразователя , в ферритовом сердечнике которой создаются магнитные потоки. Для предохранения магнитостриктора от перегрева он охлаждается струей воздуха от вентилятора (4). Под действием этих потоков ферритовый сердечник изменяет свои линейные размеры, механические колебания передаются акустическому концентратору , выполненному в виде экспоненциального конуса из малоуглеродистой стали, а затем рабочему инструменту. В место соприкосновения рабочего инструмента с материалом (11) подается с лотка от емкости водно-абразивная смесь, которая совместно с рабочим инструментом и совершает прошивку материала. Технические данные установки: Мощность генератора, кВт выходная 0,75 потребляемая 0,85 Напряжение, В выходное регулируемое 150 питающее сетевое 220 Частота, Гц генератора регулируемая (18-24).1000 питающее сетевое 50 Габаритные размеры, мм генератора 200.150.350 трансформатора со стойкой 300.300.500 Масса, кг 8 Скорость сверления в зависимости от твердости и вязкости материала, см/мин 0,1-3 2.3. Порядок работы Прежде чем включить генератор, необходимо произвести следующие подготовительные работы: - соединить нагрузку-преобразователь с генератором при помощи кабеля, идущего вместе с генератором; - подготовить к работе материал, подлежащий сверлению; - убедиться в том, что рабочий инструмент хорошо впаян в переходник, а последний плотно соединен с концентратором; - резиновый носик лотка от емкости с водой прижать к середине узкой части переходника; - насыпать в лоток абразив;

59

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

- отрегулировать подачу водно-абразивной смеси в рабочую зону таким образом, чтобы с рабочего инструмента были частые капли или тонкая струйка; - включить штепсельную вилку питания генератора в сеть с напряжением 220 В, 50 Гц, при этом должны заработать вентилятор генератора и вентилятор нагрузки. Собственно работа заключается в следующем: - перевести тумблер «сеть» в верхнее положение и нажать кнопку «С». При этом лампочка над кнопкой должна перестать мигать. - нажать кнопку «1», что означает выбор минимальной мощности электрического сигнала. - ручками генератора «Регулировка частоты- грубо/плавно» подобрать рабочий режим, обеспечивающий эффективную работу по прошивке материала (состояние резонанса системы). Этому режиму будет соответствовать появление с кончика переходника «зонтик» из водноабразивной пыли. - по прибору для регистрации частоты ультразвуковых колебаний осуществлять постоянный контроль за сохранением системой резонансного состояния. - поднести к рабочему инструменту материал № 1 и начать его прошивку. - зафиксировать в рабочем журнале время прошивки. - поочередно нажатием кнопок «2», «3», «4», «5» изменяя мощность ультразвукового воздействия, произвести прошивку этого же материала с фиксацией времени прошивки. - аналогично произвести прошивку материалов № 2, 3 при использовании мощности генератора, соответствующей нажатию кнопок «1», «2», «3», «4», «5». Данные по времени прошивки записать в журнал. - при мощности генератора, соответствующей нажатию кнопки № 3, вывести систему из резонанса (на 1 % от значения резонансной частоты) поворотом одной из ручек настройки частоты на панели генератора и прошить материалы № 1, № 2, № 3 с фиксацией времени обработки. - для окончания работы выключить генератор тумблером «Сеть» и отключить от розетки шнур питания - перекрыть подачу воды. 2.4. Оформление результатов работы По результатам измерения заполнить таблицу. Построить зависимость скорости прошивки материалов от мощности генератора и установить зависимость эффективности прошивки от наличия резонансной частоты.

60

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таблица Зависимость скорости прошивки материала от мощности генератора

Материал

Режим генератора δ, мм

Скорость прошивки, мм/с Резонансный режим 1

2

3

4

5

Нерезонансный режим 5

1. 2. 3. 4. 2.5. Контрольные вопросы 1. Что такое ультразвук? 2. Как преобразовать электрические сигналы в механические? 3. Что такое размерная ультразвуковая обработка? 4. Как влияет зернистость абразива на скорость прошивки и чистоту обработки? 5. Механизм ультразвуковой обработки материалов. 6. Чем определяется производительность процесса прошивки? 2.6. Литература 1. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов.- Новосибирск: Наука, 1996.- 182 с. 2. Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Справ.изд. /Под ред. В.Н. Волченко.- М.: Металлургия, 1991.750 с. 3. Коваленко В.С. Технология и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки материалов.- Киев: Вища шк., 1983.- 176 с. 4. Голямина И. П. Ультразвук: Маленькая энциклопедия.М.:Совэнциклопедия,1979.- 400 с. 5. Бутурович И.Х, Гончаров Б.Ф. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки: Уч. пособие.- Л.: ЛПУ, 1980.73 с. 6. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. и др. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Учеб. Пособие (в 2-х томах). Т. 1. Обработка материалов с применением инструмента/ Под ред. В.П. Смоленцева.- М.: Высш. шк., 1983.- 247 с.

61

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ МИКРОСВАРКА ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ 1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Физика и техника ультразвуковой сварки Главная задача любого вида сварки состоит в получении прочного соединения свариваемых материалов. Прочность соединения обеспечивается образованием химических связей между атомами соединяемых образцов. Атомы на поверхности материалов имеют ненасыщенные связи. Поэтому, если сблизить поверхности двух тел на расстояние действия межатомных сил, составляющих (2 - 4) Å, то образуется прочная химическая связь, что обеспечивает соединение материалов в единый монолит. Проблема состоит в том, что реальная поверхность металлов имеет неровности, она покрыта загрязнениями, состоящими из оксидов, адсорбированных газов и органических пленок. Таким образом, чтобы осуществить процесс сварки, необходимо удалить с поверхности металлов чужеродные атомы и добиться плотного контакта свариваемых деталей на атомном уровне. Такую поверхностную обработку материала при минимальных энергетических затратах осуществляет ультразвук. Поэтому ультразвуковая сварка относится к числу наиболее эффективных и экономичных видов сварки. Для получения неразъемного соединения при сварке ультразвуком детали в области требуемого соединения предварительно сжимают, а затем к зоне контакта с помощью специального инструмента подводят ультразвуковые колебания с частотой (15-70) кГц. В результате этого в тонких слоях контактирующих поверхностей создаются сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные пленки и производящие своеобразную шлифовку соприкасающихся материалов. Тонкие поверхностные слои металлов нагреваются в результате трения. Металл в этих слоях размягчается и под действием сжимающего усилия пластически деформируется. При сближении поверхностей на расстояние действия межатомных сил, между ними возникает прочная связь. Сравнительно небольшое тепловое воздействие на свариваемые материалы обеспечивают минимальные изменения их структуры, механических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600оС, а при сварке алюминия 200-300оС. Принципиальная схема аппарата для УЗ-сварки состоит в следующем. Высокочастотный генератор (1) служит для преобразования энергии низкой частоты (50 Гц) в выходную энергию высокой частоты (15 – 70 кГц). Питание от высокочастотного генератора с плавной настройкой

62

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

частоты подводится к магнитострикционному преобразователю (2), являющемуся источником ультразвуковых колебаний, концентратору (трансформатору) амплитуд колебаний (3) и инструменту (4). Длина инструмента и концентратора обычно равна целому числу полуволн ультразвуковых колебаний. Колеблющийся в осевом направлении концентратор имеет на конце рабочий инструмент. Свариваемые заготовки (5) помещаются между инструментом и опорой (6). Возникающее под действием статического усилия Р и ультразвука трение обуславливает в итоге образование соединения. Р 1

2

3

4

5 6 Рис. 1. Схема ультразвуковой сварки: 1 - высокочастотный генератор (15-70 кГц), 2 - магнитострикционный преобразователь, 3 - концентратор, 4 - инструмент, 5 - свариваемые образцы, 6 – опора, Р- сжимающее давление.

1.1. Ультразвуковая сварка в микроэлектронике В технологическом процессе сборки больших интегральных схем ключевой операцией является обеспечение электрического соединения контактных площадок кристалла с печатными проводниками монтажной платы. Эти процедуры осуществляются с помощью внутренних проволочных перемычек методами микросварки. Между материалами проволоки, площадок кристалла и платы должен быть прочный электрический контакт с низким переходным сопротивлением. Этим требованиям удовлетворяют золотая и алюминиевая проволоки. Физические свойства алюминия и золота приведены ниже. Алюминий Золото о Температура плавления, С………………… 660 1063 . Теплопроводность, Вт/м К ………………... 230 292 Коэффициент температурного расширения, 25,3 14,2 10-6. 1/0С ………………………………………… о -8 . Удельное сопротивление при 20 С, 10 Ом м………… 2,7 2,3

63

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Диаметр применяемой проволоки зависит от размеров контактных площадок. Качественное соединение получают при использовании проволоки с ровной и гладкой поверхностью и оптимальными механическими характеристиками. Обычно применяют микропроволоку диаметром (25-50) мкм. Выводы присоединяют термокомпрессией, односторонней контактной сваркой и ультразвуковой микросваркой. В последнем случае обеспечивается наименьшее тепловое и механическое воздействие, поэтому ультразвуковая микросварка имеет преимущественное использование при сборке больших интегральных схем. Ультразвуковое присоединение выполняют при нормальной или повышенной температурах, этого добиваются повышением температуры столика установки. Такой процесс называется термозвуковой сваркой. Последовательность операций УЗ-микросварки показана на рис.2. 5 4 3 7

2 1

а)

б)

6

в)

г)

Рис.2. Соединение проводящих дорожек микросхемы с помощью ультразвуковой сварки. а) - подготовка устройства к сварке – формирование шарика; б) - первая сварка; в) - вторая сварка; г) - обрыв проводника. 1, 6 - контактные площадки, 2 - керамический капилляр, 3 - микропроволока, 4 зажимные губки, 5 - катушка, 7 - электрод для создания искры.

В качестве микроинструмента (2) используется керамический капилляр с рубиновым наконечником, через который пропускается золотая или алюминиевая проволока. На конце микропроволоки (3) создают шарик с помощью искрового разряда через электрод (7), при этом площадь контакта значительно увеличивается, что приводит к существенному улучшению качества сварки. 64

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Капилляр с оплавленной проволокой под действием усилия Р (рис.1) прижимается к контактной площадке и на него подается импульс ультразвуковых колебаний длительностью в несколько миллисекунд. Под действием ультразвука инструмент совершает эллипсообразные движения по контактной площадке, обеспечивая деформацию и нагрев свариваемых материалов. Ультразвуковой нагрев контактной области достигает (600-800) оС что стимулирует диффузию атомов, и образование прочного соединения. Первая операция сварки состоит в оплавлении конца проволоки с образованием шарика (рис.2-а) Микроинструмент (2) совмещается с контактной площадкой кристалла (1) и осуществляют первую сварку (рис.2- б). Затем капилляр совмещают с контактной площадкой (6) монтажной платы и осуществляется вторая сварка (рис.2-в). Микропроволоку зажимают в губках (4) и обрывают у второго сварного соединения (рис.2-г). Перемычка выполнена. Обратным движением губок микропроволоку протягивают через капилляр и оплавляют с помощью искрового разряда до образования шарика. Установка готова для выполнения следующего цикла сварки. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы - Овладеть способами ультразвуковой микросварки. - Освоить принципы действия и конструкцию установки для ультразвуковой микросварки “УЗИМ-1”. - Получить навыки работы на установке. - Изучить эффективность ультразвуковой сварки в зависимости от температуры монтажной платы. 2.2. Экспериментальное оборудование Лабораторная работа проводится на промышленной установке для ультразвуковой микросварки “УЗИМ-1” (рис. 3). Основные технические параметры установки: 1. Рабочие частоты УЗ-генератора – (15-30) кГц. 2. Амплитуда УЗ-колебаний – (0,5-2) мкм. 3. Усилие прижатия микроинструмента – (0,1-0,2) Н. 4. Длительность УЗ-импульсов – (1-100) мсек. 5. Рабочая температура столика – (150 - 200) оС.

65

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1

4 3 5

2

6

Рис. 3. Блок – схема установки «УЗИМ-1»: 1- генератор электрических импульсов, 2 - ультразвуковой генератор УЗГ-16-1, 3- монтажный стол, 4 - задатчик температуры рабочего столика, 5 - блок питания, 6 - блок управления.

Подготовка установки к работе 1. Включить кнопку «Сеть»на блоке питания. 2. На блоке УЗ-генератора установить мощность и длительность ультразвуковых импульсов. 3. На блоке электроискрового генератора установить необходимый режим формирования импульса напряжения для оплавления проволоки. 4. На блоке задатчика температуры установить температуру рабочего столика в пределах (100-200)0С. 5. Установить на катушку бобину с проволокой с подачей сверху. 6. Привести рычаг «Работа-обслуживание» в положение «Обслуживание». 7. Протянуть свободный конец проволоки в петлю механизма зажима и в капилляр. 8. Разжать губки механизма зажима с помощью двукратного нажатия кнопки пантографа. 9. Пропустить проволоку через губки, а так же между валиком и щеткой механизма подтягивания. 10. Подтянуть винтом щетку к валику до касания проволоки (не зажимать!), протянуть проволоку до задания минимального натяжения. 11. Отмотать катушкой проволоку таким образом, чтобы конец проволоки выходил из капилляра на (1,5-2,5) мм. 12. Нажать кнопку «Позиционирование». 13. Опустить рычаг «Работа-обслуживание» в положение «Работа». 66

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

14. Нажать кнопку «Искра» на электроискровом генераторе, при этом визуально контролировать процесс образования шарика на капилляре. Работа на установке 1. С помощью рычага «Прицеливание» и ручки пантографа определить место сварки. 2. Нажать кнопку «Сварка» на ручке пантографа. 3. Перевести ручкой пантографа микроинструмент в новое положение, в соответствие с п.2 произвести вторую сварку. 4. После окончания работы на блоке питания нажать кнопку «Питание выключено». Определение прочности сварного соединения Количественно качество сварки определяется по величине усилия отрыва проволоки от места сварки (Рот). Сварка считается удовлетворительной, если Рот ≈ Рр, где Рр есть усилие разрыва микропроволоки. Процедура определения Рр осуществляется с помощью грамметра в соответствии с рис.4.

Рис.4 Схема измерения усилия отрыва проволоки от места сварки

2.3. Порядок работы 1. Включить установку и задать необходимый режим работы. 2. Произвести сварку контактных площадок при температурах Т1,Т2,Т3,Т4. 3. Качество сварки оценить по усилию отрыва проволоки от платы с помощью грамметра. 2.4. Оформление результатов работы Результаты работы представляются в виде таблицы.

67

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таблица Эффективность УЗ-сварки в зависимости от температуры подложки Температура Усилие отрыва Качество сварки подложки проволоки (Н) (удовл.-неудовлетв.) Т1 Т2 Т3 Т4 2.5. Контрольные вопросы 1. Физика УЗ-сварки. 2. Какие преимущества имеет УЗ-сварка? 3. Области применения УЗ-сварки. 4. Что такое термозвуковая сварка? 2.6. Литература 1. Казаков Н.Ф., Осокин А.М., Шишкова А.П. Технология металлов и других конструкционных материалов.- М.: Металлургия, 1975.686 с. 2. Панов Е.Н. Технология изготовления БИС.- М.: Высшая школа, 1989.- 78 с. 3. Попилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработки материалов.- М.: Машиностроение, 1982.- 400 с.

68

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Основы электрохимической обработки (ЭХО) материалов. Электрохимическими называются методы обработки металлов, основанные на использовании явлений электролиза (явлений, имеющих место при прохождении электрического тока через растворы электролитов): • электролитическое рафинирование (электрофорез) - перенос материала с одного электрода на другой • растворение анода в электролите - переход металла из металлического состояния в различные неметаллические соединения – соли, гидроокиси, окислы • электроэкстракция - осаждении на катоде металла электролита. Основополагающим звеном для понимания электрохимических процессов является ряд напряжений металлов или «вытеснительный ряд», или «ряд активности», характеризующий способность каждого металла переходить в раствор в виде ионов, а так же восстанавливаться из ионов до металла на электроде. Металлы можно расположить в ряд, который начинается с химически активных и заканчивается наименее активными благородными металлами (рис. 1). Восстановительные свойства усиливаются Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Pt Au Окислительные свойства усиливаются Рис. 1 Ряд напряжений металлов

Количественной величиной определяющей протекание окислительно-восстановительных реакций является нормальный электродный потенциал. Принято считать, что водород обладает нулевым потенциалом. Таким образом, все металлы, стоящие в ряду левее водорода могут вытеснять его из растворов кислот. А металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода, легко выделяются при электролизе. Если в растворе присутствуют ионы разных металлов, то при равной их концентрации, прежде всего, будут восстанавливаться ионы, стоящие правее в указанном ряду, т.е. имеющие меньший отрицательный нормальный потенциал. 69

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

В электролитах имеет место электролитическая диссоциация – распад молекул растворённого вещества на положительно и отрицательно заряженные ионы под воздействием растворителя. Поэтому, в отличие от металлов, обладающих электронной электропроводностью, в электролитах наблюдается ионная электропроводность (электролиты являются проводниками второго рода). ЭХО может протекать в электролитах различного состава, в том числе неагрессивных электролитах – водных растворах хлорида натрия, нитрата натрия и др. В электролите молекулы соли NaCl распадаются на ионы Na+ и Cl-, вокруг которых в результате поляризации образуется многослойная сфера из огромного числа молекул воды, т.е. образуются сольваты или «гидратная шуба», которая затрудняет движение ионов в электролите. Если в сосуд с электролитом (электролизёр) поместить электроды (рис. 2), присоединённые к электрическому источнику энергии, то в нём начнёт протекать ионный ток, причём положительно заряженные ионы (катионы) будут двигаться к катоду (это в основном металлы и водород), а отрицательно заряженные ионы - анионы (хлор, кислород, катионы + ОН группы и т.д.) – к аноду. Na+, K+, Cu2+ В результате этого, между электродами (анодом и катодом) ОНН+ образуется разность потенциалов (ϕа - ϕк). Это явление аналогично анионы возникновению контактной разно− 2сти потенциалов между двумя меCl , NO3 , SO4 таллами, с той лишь разницей, что в электролите контактная разность Рис. 2. Электролитическая ванна потенциалов обусловлена диффузией ионов, а не электронов. Если приложить внешнее электрическое поле, потенциал которого превышает разность потенциалов (ϕа - ϕк), то в электролите будет протекать электрический ток, величина которого зависит от типа электролита и величины напряжения внешнего электрического поля. У анода анионы отдают свой заряд и превращаются в нейтральные частицы, оседающие на электроде. У катода катионы присоединяют электроны и также нейтрализуются, оседая на нём. Таким образом, электрический ток во внешней цепи представляет собой движение электронов от анода к катоду. В результате нейтрализации анионов и катионов раствор обедняется, т.е. уменьшается концентрация молекул 70

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

растворённого вещества, приводящая к уменьшению концентрации ионов, участвующих в электролизе. При этом на электродах выделяются газы в виде пузырьков. В процессе электролиза водных растворов электролитов (кислых, щелочных, нейтральных) происходит одновременно ряд различных реакций, среди которых наибольшее значение имеют следующие: 1) диссоциация молекул воды и соли: Н2О → ОН- + Н+ NaCl ↔ Na+ + Cl2) переход металла электрода из металлического состояния (Ме0) в ионное состояние: Ме0 ± nе → Меn+, где n – число единичных зарядов, е – единичный отрицательный заряд (электрон). 3) образование различных металлических соединений, состав которых определяется химическим составом электролита или продуктов электролиза: - в кислых растворах: Меn+ + nR- → Me(R)n, где R – кислотный остаток (анион), например Cl-, SO 24 − , PO34− - в нейтральных и щелочных растворах: Меn+ + nOH- → Me (OH)n↓ (гидрат окиси металла - нерастворим) Меn+ + nO2- → MenOn (нерастворим) 4) переход иона металла электролита в металлическое состояние (Ме0) в результате его взаимодействия с металлом катода (процесс катодного восстановления): Na+ + e- → Na0 5) продуктами электролиза воды являются газы (кислород и водород), непрерывно удаляющиеся из сферы реакции. на аноде: 4ОН- - 4е- → 2Н2О + О2↑ (газ) на катоде: 2Н2О + 2е- → 2ОН- + Н2↑ (газ). Течение катодных и анодных реакций при электролизе, при условии, что на электроде протекает только один электрохимический процесс, определяется двумя законами Фарадея: 1. Масса вещества (m), выделившегося при электролизе на катоде или перешедшего с анода в электролит, пропорциональна количеству электричества (Q=It при постоянном токе) прошедшего через электролит m =α ⋅Q =α ⋅I⋅t, (1) где α- электрохимический эквивалент вещества, г/Кл (кг/А⋅с) I – сила тока t- время прохождения тока 71

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2. Электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам, т.е. прямо пропорциональны атомной массе вещества (А) и обратно пропорциональны его валентности (n) A α= , (2) F⋅n где F = 96480 – число Фарадея [Кл⋅моль-1]. Число Фарадея означает, что при растворении 1 грамма эквивалента любого металла, требуется одно и то же количество электричества, равное 96500 Кулонов, или равное 26,8 А.час. Таким образом, электрохимический эквивалент вещества представляет собой массу вещества в граммах, выделяемую единицей количества электричества, проходящего через электролит. Для меди А = 63.54, n=2, α= 0.000329 г/Кл, для никеля α= 0.000304 г/Кл, для цинка α= 0.00034 г/Кл. Электрохимический эквивалент любого сплава можно найти через эквиваленты входящих в него элементов (k1, k2,....kn ) и через массовое содержание в процентах (р1, р2....рn ) элемента в сплаве: 1.2. Анодное растворение Электрохимическая обработка материалов нашла широкое применение в различных областях техники для нанесения на изделия защитных покрытий из никеля и хрома, создания копий инструмента, изготовления отверстий в твердотельных сплавах, шлифования деталей, электрохимического травления (очистки) алюминиевой и медной фольги, формирования оксидно-полупроводниковых конденсаторов и т.д. В большинстве современных методов используется преимущественно процесс анодного растворения, т.е. перехода металла, помещённого в электролитическую ванну в качестве анода, из металлического состояния в различные неметаллические соединения (соли, гидроокиси, окислы). В этом случае, материал анода как бы растворяется, а продукты растворения уносятся электролитом. При этом катод, который служит инструментом, не изнашивается, что является положительной особенностью ЭХО. Под действием тока в электролите материал анода растворяется и выносится электролитом из промежутка в виде продуктов обработки: 1) Адсорбция аниона на поверхности анода (А): Cl-э + А → Cl-адс 2) перезарядка аниона: Cl-адс – e- → Cl0адс

72

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

3) перезарядка атомного остова ионов металла анода: Cu2+тв +e- → Cu+1тв 4) химическое взаимодействие адсорбированного атома хлора с ионами меди с образованием адсорбированного комплекса: Cu+тв + Cl0адс → (CuCl)+адс 5) растворение комплекса (CuCl)+адс → (CuCl)+э 6) взаимодействие ионов хлора с комплексом в электролите (CuCl)+э + Cl-э → Cu2+э + 2Cl-э 7) образование продуктов электролиза: Cu2+э + 2OH - → Cu (OH)2↓ Cu2+э + 2O → CuО2 4ОН- - 4е- → 2Н2О + О2↑ (газ) 2Н2О – 4e- → 4Н+ + О2↑ (газ) Таким образом, анодное растворение в нейтральных электролитах сопровождается образованием газов, гидратов окиси металла, которые являются практически нерастворимыми в электролите и забивающие межэлектродный зазор, и образованием оксидной плёнки на аноде. В результате этого возникает явление пассивации – образование на поверхности оксидной плёнки, обладающей большим сопротивлением. С увеличением напряжения растёт толщина плёнки. Предотвратить или удалить пассивацию можно с помощью введения в электролит активных ионов или подведения ультразвуковых колебаний к электроду или в электролит. На практике важно знать линейную скорость растворения металла, которую можно определить из уравнения k ⋅σ ⋅ U V =η , (3 ) d ⋅δ где σ - удельная проводимость электролита; δ - зазор между катодом и анодом; η - коэффициент, учитывающий химическое растворение металла; d - плотность электролита; U - внешнее напряжение. Скорость анодного растворения зависит от силы тока через электролит, состава электролита, его концентрации и температуры, металла анода и др. Одним из видов электрохимической обработки металлов является острение металлических зондов, которые широко используются в лабораторных исследованиях. В этом случае с помощью специального приспособления в раствор электролита погружается металлическая прово73

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

лока или игла, из которых изготовляется зонд. Эта игла служит анодом, а электролит или ванна - катодом. При погружении иглы в электролит с её кончика металл переходит в электролит. Производя периодическое поднятие и погружение иглы в раствор электролита, добиваются нужного радиуса иглы. Поскольку большее время в электролите находится кончик иглы, то и количество металла, уносимого в электролит, будет для него больше, а соответственно и меньше радиус. Можно сказать, что количество металла, переносимого через электролит, будет пропорционально количеству прошедшего электричества, т.е. времени нахождения различных частей иглы в электролите. Обычно для изготовления металлических зондов используются электролиты на основе водного раствора NаCl, КОН и др. 1.3. Катодное восстановление (гальванотехника). Гальванотехника – способ осаждения металлов на поверхности металлических и неметаллических изделий при помощи электролиза. После осаждения поверхность изделия приобретает большую стойкость против коррозии, красивый вид (декоративное покрытие), большую твёрдость и стойкость против истирания. Если изделие покрывается тонким слоем (5-30 мкм) металла, то процесс называется гальваностегией (омеднение, никелирование, хромирование, серебрение, золочение, кадмирование и т.д.). Медь используется, главным образом, как промежуточный слой ( хорошее сцепление с материалом изделия) на покрываемых никелем или хромом стальных изделиях. Как правило, в процессах гальваностегии применяют растворимые аноды в виде полос или прутков из металла, осаждаемого на катоде. В этом случае осуществляется перенос металла с анода на катод. Применяются и аноды из металла, нерастворимого в данном электролите (хромирование). В этом случае металл выделяется на изделиях за счёт электролита. Основной частью электролита являются соли осаждающегося металла. Кроме того, для улучшения проводимости электролита в него часто вводят кислоты или щёлочи. Например, в соответствии с рядом напряжений металлов, железо более склонно к образованию химического соединения с кислородом, чем водород. Поэтому, попадая в воду, железо окисляется (ржавеет), образуя окись Fe2O3, и вытесняет из нее водород. Другим примером такого механизма является взаимодействие железа с раствором сульфата меди. Согласно ряду напряжения более активное железо вытесняет медь из раствора, причем железо растворяется, образуя сульфат железа, в виде ионов, а медь выделяется в виде металла и оседает на поверхность же-

74

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

леза. Как только медь покроет всю поверхность железа, этот процесс прекратится. Аналогичный процесс будет наблюдаться, если пластинку железа поместить в раствор сульфата никеля и борной кислоты. В этом случае более активное железо вытесняет из раствора никель, который будет выделяться в виде металла и покрывать поверхность железа. Рассмотренные выше химические реакции являются типичным примером химического осаждения (восстановления) металла. Если этот процесс провести в электрическом поле, т.е. приложить к металлам соответствующий потенциал, то интенсивность этого процесса увеличится. Следует отметить, что скорость таких реакций или количество выделяющегося вещества сильно зависит от температуры, времени, состава и концентрации раствора электролита и величины протекающего через него тока. В случае восстановительной реакции ионы металла электролита притягивают электроны катода и осаждаются на нём в виде атомов (Meадс): Меn+ + ne - → Meадс Кроме того, на катоде происходит выделение водорода в результате окисления молекул воды и гидроксид-анионов. Кроме этих процессов в зависимости от материала электродов, типа и состава электролита, в процессе электролиза будут протекать и другие химические реакции. Для нанесения никелевого покрытия обычно используются электролиты на основе сернокислого никеля с добавлением сернокислого аммония и борной кислоты с величиной рН ≈ 3,7 ÷ 6,0. Эти добавки необходимы для связывания образующегося водорода (чтобы избежать газовыделения на катоде) и повышения качества никелевого покрытия. Осаждение никеля на катод происходит в результате следующих химических реакций: NiSO4 ↔ Ni2+ +SO42Н2О ↔ Н + + ОН -

Анод SO4 - 2е- → SO4 Молекула SO4 нестойкая. Она распадается, выделяя атомарный кислород: SO4 → SO3 + О↑ 4ОН- - 4е- → 2Н2О + О2↑ (газ) 2-

Катод Ni + 2e- → Niадс 2Н + + 2е - = Н2 ↑ 2Н2О + 2е- → 2ОН- + Н2↑ (газ) 2+

75

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.4. Электролитическое рафинирование (электрофорез) Значительный практический интерес представляет электролиз растворов солей металлов (МеSO4) с электродами из этих металлов. В этом случае на аноде окисляются и переходят в раствор в виде положительных ионов атомы Ме, а на катоде те же ионы восстанавливаются и в виде металла осаждаются на электроде. Такая «перегонка» Ме с анода на катод не бессмысленна. Часто выплавляемая из руды медь содержит примеси. Если из этой меди сделать аноды и «перегнать» их элекрохимически (через раствор CuSO4) на катод, то произойдёт очистка металла. Высокочистая медь необходима, например, для изготовления проводов. В промышленности применяют и другие растворимые аноды. Так, анодным растворением сплава железа и марганца можно получить перманганат калия. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Электрохимическое анодное растворение. 2.1.1. Цель и задачи работы. - Изучение метода анодного растворения металлических пластин. - Получение металлических зондов методом электрохимического травления металлических игл. 2.1.2. Описание экспериментальной установки Установка (рис. 3) состоит из электролитической ванны с подогревом электролита нагревателем Н1. Температура раствора контролируется контактным термометром К1, который включен в цепь питания катушки реле Р1. При включении установки пакетным выключателем ПВ включение нагрева ванны производится выключателем В1. В этом случае напряжение сети через нормально замкнутые контакты реле Р1 подводится к нагревателю Н1, что фиксируется загоранием лампы Л1 (меньше) на пульте управления. При достижении заданной температуры раствора происходит замыкание контактов контактного термометра К1, что обеспечивает подачу напряжения на обмотку реле Р1, которое размыкает свои нормально замкнутые контакты Р1, и, тем самым, снимается напряжение с нагревателя Н1. На пульте управления загорается соответственно сигнальная лампа Л2 (больше), сигнализирующая о превышении температуры раствора. Подача постоянного напряжения величиной 6В на электроды ванны осуществляется от выпрямителя, подключенного к разделитель-

76

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ному трансформатору ТР. Регулировка величины тока осуществляется автотрансформатором - АТ. Для включения напряжения на электроды в схеме управления предусмотрен выключатель В2. ПВ

В1

Р1

Л1

Р1

Л2 к Н1 Р1

К1

Р1

+

Ван-

+

Н1 В2

АТ

Тр

А

-

Рис.3. Принципиальная электрическая схема установки: ПВ-пакетный выключатель сети, Н1-нагреватель ванны, В1-выключатель нагрева ванны, В2-выключатель напряжения ванны, Р1-обмотка и контакты реле, К1контактный термометр, АТ-автотрансформатор, ТР-понижающий трансформатор, Л1, Л2-лампы сигнализации.

2.1.3. Порядок работы Подготовить образцы и установить их в электродное устройство. Подготовить раствор электролита и залить в ванну. Включить установку в сеть пакетным выключателем ПВ. На ПУ загорается сигнальная лампа «Сеть». Подать напряжение на электроды выключателем В2 и с помощью автотрансформатора установить по амперметру рабочий ток в пределах 5 50 А (величина тока задается преподавателем). В процессе электрохимического травления через определенные промежутки времени производить контроль массы образца (таб. 1) или радиуса иглы (таб. 2). Выключить установку пакетным выключателем ПВ. Произвести согласно формулам 1 и 2 расчет массы растворенного металла и сравнить экспериментальные и теоретические результаты.

77

-

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таблица 1 Влияние силы тока и времени травления на массу металла Ток Время Масса образца, гр I, А травления расчётная экспериментальная mФ mэкс τ, мин 0 5 10 … 0 5 10 … Таблица 2 Зависимость радиуса иглы от времени травления

Время травления τ, мин 0 5 10 ….

Радиус иглы R, мкм ток I = 1 А ток

I = 10 А

Произвести необходимые расчёты и построить графики, соответствующие заданию (mэкс = f(I), mэкс = f(τ), mФ = f(I), mФ = f(I) или Rиглы = f(t)). 2.1.4. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой электрохимическая обработка материалов и для каких целей она применяется? 2. Что такое анодное растворение металлов? 3. В чем заключается физическая сущность процесса анодного растворения металлов? 4. От каких факторов зависит скорость электрохимической обработки материалов? 2.2. Электрохимическое катодное восстановление. 2.2.1. Цель и задачи работы - Изучение гальваностегии. - Получение никелевого покрытия методом электрохимического восстановления металла

78

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.2.2. Описание экспериментальной установки Установка (рис.4) состоит из электролитической ванны и реверсивного блока питания. Реверсивный блок питания состоит из стабилизатора напряжения, измерителя и регулятора тока, регулятора режима работы и счетчика времени.

Рис.4. Блок –схема установки

Структурная блок-схема установки содержит регулируемый стабилизатор напряжения, являющийся источником тока осаждения. Ток осаждения контролируется измерителем тока мА. Реверсирование тока осуществляется поочередным включением кнопок Р1, Р2 реле прямого и обратного тока. Управление реле осуществляет электронный ключ. Счетчик времени Тпр и Тобр поочередно считают импульсы, поступающие с генератора импульсов и в конце каждого счета по истечении заданного времени переключают электронный ключ. Для ограничения прямого тока служит сопротивление R1, а для ограничения обратного тока – дополнительно сопротивление R2. Счетчик времени осаждения по истечении заданного времени отключает электронный ключ и, тем самым, отключает ток. Измеритель времени осаждения совместно с индикатором фиксирует время осаждения с начала процесса. По окончании заданного интервала времени осаждения включается звуковой сигнал.

79

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.2.3. Порядок работы Залить в ванну электролит, соблюдая меры безопасности. Подготовить образец для никелирования, взвесить его на весах, установить в зажим и опустить в ванну. Установить рукоятки регистров «Грубо», «Точно» в крайнее положение против часовой стрелки. Задать режим работы (длительность действия прямого и обратного тока в цикле). Задать время осаждения. Включить установку тумблером «Сеть». При этом должна загореться сигнальная лампа «Сеть». Включить тумблер «Сеть» реверсивного блока и нажать кнопку «Сброс» для сброса показаний счетчика времени осаждения и выключения звукового сигнала. Нажать кнопку «Пуск» реверсивного блока и рукоятками резисторов «Грубо» и «Точно» установить величину прямого тока (100 мА) по заданию преподавателя. По окончании заданного времени осаждения нажать кнопку «Сброс» и отключить звуковой сигнал. Вынуть образец из зажима, промыть его в воде, просушить и измерить его вес после нанесения. Повторить процесс нанесения. Результаты измерений внести в таблицу 3. Произвести по формулам 1 и 2 расчет массы осажденного металла (mФ) и сравнить экспериментальные и теоретические результаты. Построить график изменения веса (массы) образца от времени осаждения. Объяснить полученные результаты. Таблица 3. Влияние силы тока и времени нанесения покрытия на массу электрода Ток Время Масса образца, гр I, А травления расчётная экспериментальная mФ mэкс τ, мин 0 5 10 0 5 10

80

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.2.4. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой электрохимическая обработка материалов и в каких целях она применяется? 2. Что представляет собой ряд напряжений металлов? 3. Что такое катодное осаждение металлов? 4. В чем заключается физическая сущность процесса катодного осаждения металлов? 5. От каких факторов зависит скорость электрохимической обработки материалов? 2.3. Литература 1. Коваленко В.С. Технология и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки материалов.- Киев: Вища школа, 1983,- 176 с. 2. Попилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов: справочник.- М.: Машиностроение, 1982.- 400 с. 3. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожасова В.И. и др. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов.- М.: Высшая школа, 1983.- 245 с. 4. Гулевич А.И., Киреев А.П. Производство силовых конденсаторов.- М.: Высшая школа, 1969.- 439 с. 5. Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов/ Под ред. А.Д. Свенчанского.- М.: Энергоиздат, 1982.- 400 с.

81

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КОНТАКТНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Физические основы сварки Сварка - это технологический процесс получения неразъёмного соединения металлов за счёт образования между ними атомной связи. Процесс образования сварного соединения протекает в две стадии. На первой стадии за счёт расплавления кромок или за счёт пластических деформаций, возникающих в результате прикладываемого давления, происходит образование физического контакта между соединяемыми кромками. На второй стадии образуется химическая связь между атомами соединяемых поверхностей. В результате поверхность раздела между соединяемыми деталями исчезает и образуется либо атомная металлическая связь (свариваются металлы), либо ковалентная связь (при сварке пластмасс). Исходя из физической сущности процесса образования сварного соединения и источника нагрева используемой энергии, применяемой при сварке, различают сварку давлением и сварку плавлением (рис. 1).

Электрическая сварка

Сварка плавлением

Сварка давлением

дуговая шлаковая Электрон- Плазменнолучевая ная Плавящимся электродом

Неплавящимся электродом

контактная УЗ-ая Диффузиионная

стыковая точечная роликовая

Без С обычная Рельефоплавле- оплавленая ния нием

Рис. 1 Классификация электрической сварки

82

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

К сварке плавлением относятся виды сварки, осуществляемой плавлением без приложенного давления, т.е. местным расплавлением соединяемых частей с использованием тепловой энергии. Основными источниками теплоты при сварке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источник энергии и теплота, выделяемая при электрошлаковом процессе. В этом случае расплавы соединяемых металлов объединяются в общую сварочную ванну, а при охлаждении происходит кристаллизация расплава в литой сварочный шов. К сварке давлением относятся виды сварки, которые характеризуются приложением механической энергии и давления. Давление, прилагаемое к соединяемым частям, создает пластическую деформацию металла, который начинает течь подобно жидкости. Металл перемещается вдоль поверхности раздела, унося с собой загрязненный слой. Таким образом, в непосредственное соприкосновение вступают свежие слои материала, которые и вступают в химическое взаимодействие. 1.2. Виды сварки 1.2.1. Электродуговая сварка Электрическая дуговая сварка в настоящее время является важнейшим видом сварки металлов. Источником тепла в данном случае служит электрическая дуга между двумя электродами, одним из которых является свариваемая заготовка. Электрическая дуга является мощным электрическим разрядом в газовой среде. Процесс зажигания дуги состоит из трех стадий: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на 3-5 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание производится с целью разогрева электрода (катода) до температуры интенсивной экзоэмиссии электронов. На второй стадии эмитированные электродом электроны ускоряются в электрическом поле и вызывают ионизацию газового промежутка «катод-анод», что приводит к возникновению устойчивого дугового разряда. Электрическая дуга является концентрированным источником тепла с температурой до 6000оС. Сварочные токи достигают 2-3 кА при напряжении дуги (10-50) В. 1.2.2. Электрошлаковая сварка Свариваемые детали покрываются шлаком, нагреваемом до температуры, превышающей температуру плавления основного металла. На первой стадии процесс идет так же, как и при дуговой сварке под флюсом.

83

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

После образования ванны из жидкого шлака горение дуги прекращается и оплавление кромок изделия происходит за счет тепла, выделяющегося при прохождении тока через расплав. Электрошлаковая сварка позволяет сваривать большие толщи металла за один проход, обеспечивает большую производительность, высокое качество шва. 1.2.3. Электроннолучевая сварка Источником тепла является мощный пучок электронов с энергией в десятки килоэлектронвольт. Быстрые электроны, внедряясь в заготовку, передают свою энергию электронам и атомам, вызывая интенсивный разогрев свариваемого материала до температуры плавления. Процесс сварки осуществляется в вакууме, что обеспечивает высокое качество шва. Ввиду того, что электронный луч можно сфокусировать до очень малых размеров (менее микрона в диаметре), данная технология является монопольной при сварке микродеталей. 1.2.4. Плазменная сварка При плазменной сварке источником энергии для нагрева материала служит плазма - ионизованный газ. Главным преимуществом плазменной сварки является возможность получения экстремально высоких температур, вплоть до 20-30 тыс. градусов. Наиболее перспективно получение плазмы в индукторе токами высокой частоты. В данном случае, ввиду отсутствия электродов, плазма не содержит примесей, вредно влияющих на процесс сварки. 1.2.5. Диффузионная сварка Способ основан на взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов при высоком вакууме. Высокая диффузионная способность атомов обеспечивается электрическим нагревом материала до температуры, близкой к температуре плавления. Отсутствие воздуха в камере предотвращает образование оксидной пленки, которая смогла бы препятствовать диффузии. Надежный контакт между свариваемыми поверхностями обеспечивается механической обработкой до высокого класса чистоты. Сжимающее усилие, необходимое для увеличения площади действительного контакта, составляет (10-20) МПа. Технология диффузионной сварки состоит в следующем. Свариваемые заготовки помещают в вакуумную камеру и сдавливают небольшим

84

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

усилием. Затем заготовки нагревают током и выдерживают некоторое время при заданной температуре. Диффузионную сварку применяют для соединения плохосовместимых материалов: сталь с чугуном, титаном, вольфрамом, керамикой и др. 1.2.6. Контактная электрическая сварка Наиболее распространённым видом сварки с давлением является электрическая контактная сварка, которая обеспечивает высокую производительность, малые деформации сварных конструкций, хорошие условия для механизации и автоматизации процесса. Контактная сварка – основной вид сварки давлением термомеханического класса. Контактная сварка – процесс образования соединения в результате нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия. В зависимости от профиля свариваемых материалов (лист, профильный прокат, труба), типа сварного соединения, толщины и марки металла применяют стыковую, шовную и точечную контактную сварку. 1.2.6.1. Стыковая контактная сварка Это вид контактной сварки, при которой соединение свариваемых частей происходит по поверхности стыкуемых торцов. Детали зажимают в электродах-губках, затем прижимают друг к другу соединяемыми поверхностями и пропускают сварочный ток. Стыковой сваркой соединяют проволоку, стержни, трубы, полосы, рельсы, цепи и др. детали по всей площади их торцов. Существует два способа стыковой сварки: - Без оплавления (сопротивлением): в стыке происходит пластическая деформация и соединение образуется без расплавления металла (температура стыков 0,8-0,9 от температуры плавления). - Оплавлением: детали соприкасаются в начале по отдельным небольшим контактным точкам, через которые проходит ток высокой плотности, вызывающий оплавление деталей. В результате оплавления на торце образуется слой жидкого металла, который при осадке вместе с загрязнениями и окисными плёнками выдавливается из стыка. 1.2.6.2. Шовная контактная сварка Разновидность контактной сварки, при которой соединение элементов выполняется внахлёстку вращающимися дисковыми электродами в виде непрерывного или прерывистого шва. При шовной сварке образо-

85

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

вание непрерывного соединения (шва) происходит последовательным перекрытием точек друг за другом, для получения герметичного шва точки перекрывают друг друга не менее чем на половину их диаметра. На практике применяется шовная сварка: - Непрерывная; - прерывистая с непрерывным вращением роликов; - прерывистая с периодическим вращением. 1.2.6.3. Точечная контактная сварка Контактная сварка, при которой соединение элементов происходит на участках, ограниченных площадью нагрева электродов, проводящих ток и передающих усилие сжатия. При точеной сварке соединяемые детали обычно располагаются между двумя электродами. Под действием нажимного механизма электроды плотно сжимают свариваемые детали, после чего включается ток. За счёт прохождения тока, свариваемые детали быстро нагреваются до температуры сварки, причём наибольшее выделение теплоты имеет место на соединяемых поверхностях, где температура может превышать температуру плавления свариваемых деталей. Диаметр расплавленного ядра определяет диаметр сварной точки, обычно равный диаметру контактной поверхности электрода. Поверхность соприкосновения свариваемой детали с электродом нагревается до сравнительно невысокой температуры. По количеству одновременно свариваемых точек точечная сварка может быть одно-, двух- и многоточечной. В зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым деталям точечная сварка может быть двусторонней и односторонней. При точечной сварке деталей разной толщины образующееся несимметричное ядро смещается в сторону более толстой детали и при большом различии в толщине не захватывает тонкой детали. Поэтому применяют различные технологические приёмы, обеспечивающие смещение ядра к стыкуемым поверхностям, усиливают нагрев тонкого листа за счёт накладок, создают рельеф на тонком листе, применяют более массивные электроды со стороны толстой детали и др. Для разноимённых материалов для более симметричного расположения ядра усиливают нагрев и уменьшают теплоотвод в теплопроводный материал за счёт уменьшения диаметра и теплопроводности электродов. Разновидностью точечной сварки является рельефная сварка, когда первоначальный контакт деталей происходит по заранее подготовленным выступам (рельефам). Ток, проходя через место касания всех рель-

86

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ефов с нижней деталью, нагревает их и частично расплавляет. Под давлением рельефы деформируются, и верхняя деталь становится плоской. Этот способ применяют для сварки деталей небольших размеров. 1.2.6.4. Конденсаторная сварка Одним из распространенных видов контактной сварки является конденсаторная сварка или сварка запасённой энергией, накопленной в электрических конденсаторах. Энергия в конденсаторах накапливается при их зарядке от источника постоянного напряжения (генератора или выпрямителя), а затем в процессе разрядки преобразуется в теплоту, используемую для сварки. Накопленную в конденсаторах энергию можно регулировать изменением ёмкости конденсатора (С) и напряжения зарядки (U). Существует два вида конденсаторной сварки: - бестрансформаторная (конденсаторы разряжаются непосредственно на свариваемые детали (стыковая сварка)); - трансформаторная (конденсатор разряжается на первичную обмотку сварочного трансформатора, во вторичной цепи которого находятся предварительно сжатые свариваемые детали (точечная и шовная сварки)). Принципиальная схема конденсаторной сварки приведена на рис.2.

Тр

В

С

К 1

2

Rk

~

Рис.2. Принципиальная схема устройства для конденсаторной сварки: Т1- повышающий трансформатор; В-выпрямитель; С-конденсатор емкостью 500 мкФ; Rк- сопротивление свариваемых деталей; К- ключ-переключатель.

В положении переключателя 1 конденсатор заряжается до напряжения U0. При переводе переключателя в позиции 2 конденсатор разряжается через контактное сопротивление свариваемых деталей. При этом возникает мощный импульс тока, длительность которого определяется постоянной времени цепи разряда: (1) τ = Rk . С. 87

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Напряжение с конденсатора подается на заготовку через точечные контакты площадью ~ 2 мм2. Возникающий при этом импульс тока в соответствии с законом Джоуля-Ленца разогревает область контакта до рабочей температуры сварки. Для обеспечения надежного прижимания свариваемых поверхностей через точечные электроды на детали передается механическое напряжение порядка 100 МПа. Основное применение конденсаторной сварки состоит в соединении металлов и сплавов малых толщин. Преимуществом конденсаторной сварки является незначительная потребляемая мощность. Для определения эффективности сварки оценим максимальную температуру в области контакта свариваемых деталей (Тmax ). Ввиду того, что длительность импульса разрядного тока (τимп) не превышает 10-6 с, расчет проведен в адиабатическом приближении, то есть пренебрегая теплоотводом из области протекания тока. Принцип контактного нагрева деталей представлен на рис. 3.

2

C

1

RK

d

2 Рис.3. Принцип контактной сварки: 1- свариваемые детали толщиной d = 5 10-2 см 2- электроды площадью S= 3.10-2 см2 С- конденсатор емкостью 500 мкФ; Rк- контактное сопротивление.

Максимальная температура контактной области определяется из выражения: Q Tmax = , (2) C уд где Q - количество тепловой энергии, выделившейся в 1 г вещества при прохождении тока; Суд - удельная теплоемкость свариваемых металлов. В соответствии с законом Джоуля-Ленца имеем: 88

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Q=

2 I cp ⋅ R k ⋅τ имп

λ ⋅V

,

(3)

где Iср - средний ток разряда конденсатора, Rк - сопротивление контактной области, τимп - длительность импульса тока, λ - плотность металла, V= S.d - объем металла, ограничивающий тепловыделение. Найдем средний ток (Iср) при разряде конденсатора на контактное сопротивление (Rк). Напряжение на обкладках конденсатора при разряде изменяется по закону: ⎛ t⎞ (4) U = U 0 ⋅ exp⎜ − ⎟ . ⎝ τ⎠ Для тока разряда конденсатора имеем: dq dU ⎛ U 0 ⎞ ⎛ t⎞ ⎟⎟ ⋅ exp⎜ − ⎟ , I= (5) = C⋅ = ⎜⎜ dt dt ⎝ R k ⎠ ⎝ τ⎠ где q - заряд конденсатора. Оценим контактное сопротивление для различных свариваемых металлов. Величина Rк определяется удельным объемным сопротивлением материала (ρ), качеством контакта и объемом металла (V), по которому течет ток. Для одиночного контакта Rк выражается формулой: 1/ 2

⎛ p ⎞ ⎛ E ⎞ R k = ⎜ ⎟ ⋅ ⎜⎜ (6) ⎟⎟ , ⋅ 1 , 8 r ρ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ где Е- модуль упругости металла, r - радиус кривизны контакта, р - внешнее прижимное усилие. Определим постоянную времени разряда конденсатора для контакта сталь-сталь: τ = Rк . С = 7,6. 10-4. 500.10-6 = 3,8.10-7 с. В соответствии с (5) ток разряда уменьшается по экспоненциальному закону и при τ > 3τимп можно пренебречь. На этом основании принимаем длительность импульса тока τимп = 3τ ~ 1. 10-6 c. Найдем средний ток за импульс из основного соотношения: q = С . U0 = Iср. τимп , (7)

89

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

I cp =

C ⋅ U0

τ имп

,

(8)

Подставим (3) и (8) в (2), получим (C ⋅ U 0 ) 2 R k Т max = ⋅ . τ имп ⋅ V λ ⋅ C уд

(9)

Здесь С = 500 мкФ; U0 = 100 - 300 В; τимп = 1.10-6 с; V = S . d - объем металла, нагреваемый током, см3; λ - плотность металла, г/см3; Суд - удельная теплоемкость свариваемых деталей, Дж/гр.град. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы - Познакомиться с основными способами сварки металлов. - Освоить технологию контактной сварки. - Получить навыки соединения металлов методом конденсаторной сварки. - Установить зависимость эффективности конденсаторной сварки от свойств материалов и технологических параметров (Uо). - Овладеть методом расчета максимальной температуры конденсаторной сварки. 2.2. Экспериментальное оборудование Конденсаторная сварка осуществляется с помощью аппарата ППК. Схема установки и физические основы точечной сварки описаны в разделах 1.3.6. и 1.3.7. 2.3. Порядок работы 2.3.1. Подготовка сварочного аппарата к работе Включить тумблер «Сеть». Переключателем «Режим сварки» установить требуемое напряжение на конденсаторе. Зажать меду точечными электродами свариваемые детали. Нажатием ножной педали осуществить точечную сварку.

90

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.3.2. Изучить зависимость эффективности конденсаторной сварки от свойств материалов и технологических параметров Подготовить для сварки образцы в виде пар из никеля, стали, меди, алюминия и других материалов на усмотрение преподавателя. Сварить указанные образцы в пяти точках при напряжениях на конденсаторе 100, 200 и 300 В. Оценить эффективность сварки путем определения усилия разрыва пары на разрывной машине. Работу на разрывной машине производить согласно инструкции по эксплуатации на данную машину. Рассчитать максимальную температуру сварки по формуле (9) и полученные результаты занести в таблицу. Таблица. Влияние свойств материалов и технологических параметров сварки на её качество Суд, Материал Rк, U, Тmax, Усилие λ, δ, . 0 3 С Ом на раз(пара) В г/см Дж/ гр мкм град рыв

2.4. Контрольные вопросы 1. Классификация видов сварки. 2. Физические основы контактной электрической сварки. 3. Объяснить зависимость эффективности конденсаторной сварки от напряжения на конденсаторе, толщины и удельного объемного сопротивления металлических образцов. 2.5. Литература 1) Банов М.Д., Казаков, Ю.В., Козулин М.Г. Сварка и резка материалов.- М.: Издательский центр «Академия», 2001.- 400 с. 2) Стеклов О.И. Основы сварочного производства: Учеб. для сред. ПТУ.- 2-е изд.- М.: Высшая школа, 1986.- 224 с. 3) Мордвинцев Л.А., Фетисов Г.П., Шалыгина О.В. Основы процесса сварки и пайки: конспект лекций по курсу «Технология металлов».Москва, 1972.- 124 с. 4) Алов А.А. Основы теории процессов сварки и пайки .- Л: Машиностроение, 1964.- 272 с. 5) Епечурин В.П., Латышев А.П. Электротехнология.- Л.: СЗПИ, 1974.- 76 с. 91

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ТЕРМОВАКУУМНОЕ НАПЫЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ В настоящее время вакуумное распыление и осаждение металлов широко используется в технике для нанесения обкладок различных типов конденсаторов, изготовления печатных плат, резистивных слоев и соединений (выводов) в микросхемах, а также для изготовления электродов при проведении испытаний диэлектрических образцов. В качестве металла для вакуумного напыления используют медь, алюминий, серебро, цинк, кадмий, олово и др. Пары металла в высоком вакууме ведут себя подобно газам, поэтому к ним применимы основные законы, описывающие состояние газа. Взаимосвязь основных параметров газа, к которым относятся давление, объем и температура, описываются уравнениями: (1) P1V1 = P2V2 - закон Бойля-Мариотта; 1 ⎞ ⎛ Vt = V0 ⎜1 + (2) ⎟ - закон Гей-Люссака; 273 t ⎠ ⎝ 1 ⎞ ⎛ (3) P t = P0 ⎜ 1 + ⎟ - закон Шарля; 273t ⎠ ⎝ (4) Pсмеси = P1 + P2 + ... + Pn - закон Дальтона. В этих уравнениях: V1,V2 - объем газа соответственно при давлениях P1 и P2; Vt - объем газа при нагревании на t oC; Pt - давление газа при нагревании на t oC; V0,P0 - соответственно первоначальный объем и давление; Pсмеси - парциальное давление в смеси газа, имеющего парциальные давления отдельных газов P1, P2, ... , Pn. Согласно молекулярно-кинетической теории все вещества состоят из молекул и атомов, находящихся в беспорядочном тепловом колебательном движении. В зависимости от соотношения температуры, давления и объема вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: газообразном, жидком или твердом. Газы и пары металла вследствие теплового хаотического движения и очень слабой связи между молекулами не способны самостоятельно сохранять ни форму, ни объем, поэтому всегда занимают все предоставляемое пространство. В жидкой фазе молекулы обладают ограниченной свободой перемещения, поэтому жидкости могут сохранять форму сосуда, но не могут занимать все предоставляемое им пространство. В твердых телах каждый атом занимает в пространстве какое-то фиксированное равновесное положение, около которого он совершает теп-

92

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ловые колебания. За счет этого твердые тела сохраняют заданную им первоначальную форму и ограниченный объем. При изменении температуры или давления может наблюдаться процесс перехода вещества из одной фазы в другую. Например, процесс плавления металлов при достижении температуры плавления. Процесс перехода вещества из одной фазы в другую можно описать диаграммой в координатах давление - температура, приведенной на рис. 1. P

.А 3

.В 2

О. Е ...................

D f

С.

1 t,оС

Рис.1. Общий вид диаграммы состояния вещества 1 - парообразное состояние, 2 - жидкое состояние, 3 - твердое состояние

На данной диаграмме линия OB соответствует равновесному состоянию парообразной и жидкой фаз, линия OA - равновесному состоянию жидкой и твердой фаз, линия ОС - равновесному состоянию парообразной и твердой фаз. Точка О называется тройной точкой, в которой в равновесном состоянии находятся три фазы: газообразная, жидкая и твердая. Точка В называется критической и характерна тем, что в области выше этой точки стирается различие между жидким и газообразным состоянием и при температуре выше критической вещество может находиться только в газообразном состоянии. При давлениях ниже тройной точки О может наблюдаться переход из твердой фазы в газообразную (минуя жидкую), получивший название сублимации, и обратный процесс - переход вещества из газообразной фазы в твердую (десублимация). Пересечение линии ED с линией ОС дает точку f, в которой при понижении температуры будет происходить процесс десублимации. Скорость испарения, т.е. масса испаряющегося с единицы поверхности за единицу времени вещества, нагреваемого в высоком вакууме, определяется уравнением Ленгмюра: 1/ 2

⎛ M ⎞ V = P⎜ ⎟ ⎝ 2πRT ⎠

= 6 ⋅ 10

1/ 2 −4 ⎛ M ⎞

⎜ ⎟ ⎝T⎠

,

(5) 93

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

где V - скорость испарения металла, г/(см2.сек); Р - давление насыщенного пара металла, мм. рт. ст.; М - молекулярный вес; R - газовая постоянная, (R = 8,316 Дж.град-1.моль-1); Т - абсолютная температура, К. С ростом температуры увеличивается давление паров металла и, соответственно, скорость испарения металла. Пары металла, ведущие себя как газ, распространяются прямолинейно от поверхности испарителя. Если на пути движения молекулярного потока испаренного металла поместить конденсатор, то на поверхности этого конденсатора образуется пленка сконденсированного вещества. Для большинства металлов конденсация их паров при комнатной температуре не сопровождается отражением атомов от конденсатора, т.е. каждый ударившийся о поверхность атом остается на этой поверхности. Скоростью конденсации (десублимации) или удельной плотностью конденсирующего потока молекул на поверхности, называется количество молекул, которое в единицу времени фактически сцепляется с поверхностью конденсатора (подложки). νk = βν, (6) где ν - число молекул, ударяющихся в единицу времени о поверхность подложки; β - коэффициент аккомодации, представляющий собой отношение числа молекул, фактически сконденсировавшихся на поверхности в единицу времени, к числу молекул, ударившихся о поверхность за то же время. Коэффициент аккомодации зависит от температуры поверхности подложки. С ростом температуры значительно увеличивается отражение атомного пучка от поверхности конденсатора. При температуре выше, так называемой, критической температуры атомы испаренного металла полностью отражаются от конденсатора. Для разных металлов величина критической температуры различная. Распределение конденсата на принимаемой поверхности подложки зависит от формы испарителя и подложки, а также от их взаимного расположения (рис. 2). 94

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

В случае точечного испарителя и плоской поверхности подложки, расположенной под каким-то углом Q к нормали пучка атомов испаряемого металла, толщина пленки, образованной на площадке dS2 в единицу времени будет равна m cos ϕ ⋅ cosΘ ∆= ⋅ , (7) πγ r2 где γ - плотность конденсируемого материала, г/см3; m - количество атомов испаренного металла, падающих на поверхность подложки в единицу времени, г/сек; r - расстояние до подложки от испарителя, см; Θ - угол, образованный поверхностью подложки к нормали потока атомов испаряемого металла; ϕ - угол, образованный между осью распространяемого потока атомов и нормалью испарителя S. Соотношение между количеством атомов, адсорбированных единицей площади поверхности подложки и давлением паров металла определяется уравнением Ленгмюра P 1 P (8) = + , q ab b N σ a где a = 0 , b = , σ= , N (2πMRT ) к N0 - число элементарных пространств на единице площади конденсатора; N - число Авогадро, равное 6,022. 1023; а - число молекул, сконденсированных на подложке; к - число молекул, испарившихся с вполне покрытой поверхности конденсатора; М - молекулярный вес; R - газовая постоянная; q – заряд электрона; Т - температура подложки, К. Природа адсорбции, т.е. сил, удерживающих молекулы газа на поверхности, достаточно сложна и многообразна. Это целый комплекс явлений, связанных с фазовыми превращениями, массотеплопереносом, формированием структуры и т.д. Согласно Ленгмюру адсорбция может рассматриваться как прикрепление внешних молекул или атомов свободными связями, в частности, силами сродства к атомам, составляющим поверхностный слой подложки. При этом адсорбируемые атомы и молекулы стремятся к такому расположению в пространстве, которое 95

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

как бы повторяет пространственную решетку подложки. Согласно Ленгмюру, толщина адсорбированной пленки почти никогда не превосходит размеров одной молекулы (мономолекулярный слой) и химические реакции на поверхности поэтому ограничены. Это является следствием ограниченности процесса диффузии газов сквозь адсорбированную пленку и равновесием процесса конденсации и испарения газа. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы - Познакомиться с методом вакуумного распыления металла для нанесения металлических пленок. - Освоить технологии получения вакуума порядка 10-5-10-7 мм рт.ст. и вакуумного распыления металлов для получения металлических пленок. Ознакомиться с экспериментальной установкой, методами измерения глубины вакуума и оценки качества получаемой металлической пленки. 2.2. Описание экспериментальной установки В данной работе использована экспериментальная промышленная установка «Альфа М1», монтажная схема которой приведена на рис.3.

Рис.3. Монтажная схема установки

96

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Согласно рис.3 к основным узлам установки относятся вакуумные камеры 1 с вакуумным переключателем 2, форвакуумный насос 3, диффузионные насосы (Н-05 и Н-01) 4,5, форвакуумный бак 6, датчик контроля давления 7,9 и азотная ловушка 10. На пульте управления смонтированы все органы, позволяющие управлять процессом получения вакуума и напыления. Согласно схеме установки (рис.4), подача сетевого напряжения осуществляется автоматом Авт., при этом на пульте управления загорается сигнальная лампа. При нажатии кнопки «Пуск» магнитного пускателя L1 замыкается цепь питания форвакуумного насоса. С помощью форвакуумного насоса создается первичный вакуум порядка 10-1 ÷ 10-2 мм.рт.ст. в магистральном трубопроводе и форвакуумном баке 6. Измерение глубины форвакуума в магистрали осуществляем ламповым вакуумметром ВИТ-2 с помощью электрометрической лампы ЛТ– 7. Через 10 минут при достижении первичного вакуума порядка 10-2 мм.рт.ст. нажатием кнопки «Пуск» магнитного пускателя L3 включается электромагнитный клапан, который открывает доступ форвакуума к диффузионным насосам Н-05 и Н-01 и вакуумным камерам. Открытие доступа форвакуума к вакуумным камерам 1 осуществляется вакуумными затворами – 2. При переводе их в положение Ф (форвакуум). Процесс получения форвакуума в вакуумных камерах и диффузионных насосах длится в течение 20 – 30 минут и также контролируется вакууметром ВИТ-2. При достижении глубины вакуума порядка 1 10-3 мм.рт.ст. нажатием кнопки «Пуск» магнитного пускателя L2 подается напряжение на нагреватель диффузионных насосов Н-05 и Н-01. Контроль тока нагревателей осуществляется микроамперметром мА1. Напор воды на входе не должен быть меньше 1–3 атм. При меньшем давлении воды срабатывает водяное реле и размыкается ключ К1. За счет этого размыкается цепь питания магнитного пускателя L2 и снимается напряжение с нагревателей диффузионных насосов. Одновременно включается звуковой сигнал. В нормальном режиме за счет нагревателей происходит нагрев масла диффузионных насосов. Работа диффузионных паромасляных насосов основана на принципе захвата воздуха парами масла и уноса его через форвакуумный насос в атмосферу. Чтобы устранить выход паров масла в атмосферу насосы имеют масляные ловушки, на которых происходит конденсация этих паров и возврат масла в рабочую камеру. Для повышения эффективности этого процесса могут применяться специальные азотные ловушки. С помощью диффузионных насосов Н-05 и Н-01 достигается глубина вакуума порядка 10-5 мм рт.ст., при котором можно проводить процесс 97

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

напыления. Контроль давления осуществляется вакуумметром ВИТ-2 при подключении ионизационной лампы Л2 - 9. Распыление металла производится путем его нагрева испарителем, напряжение на который подается с помощью автотрансформатора через трансформатор. Контроль тока испарителя осуществляется микроамперметром мА2. В качестве испарителя (нагревателя) используется специальная лодочка или спираль из тугоплавкого металла. При работе необходимо не превышать установленного тока, чтобы не вызывать перегрева этой спирали и ее сгорания. При нагреве испарителя пары испаряемого металла (алюминия и др.) приобретают высокую скорость и стремятся занять весь представляемый им объем и, тем самым, способны оседать на всех частях образца и камеры. Первоначально этот поток испаряемого металла перекрыт заслонкой, чтобы устранить возможность попадания загрязнений на образец, которые образуются в начале плавления металла. Качество получаемой металлической пленки определяется прочностью сцепления распыляемого металла с подложкой (образцом), т.е. силами адгезии и ее сплошностью (толщиной). Силы адгезии зависят от материала подложки, ее чистоты, скорости распыления, т.е. температуры паров металла. Сплошность металлической пленки (ее толщина) также зависит от продолжительности процесса напыления. Контроль толщины получаемой металлической пленки можно осуществлять методами светорассеивания или светопропускания, а также измерением поверхностного сопротивления или непосредственным измерением толщины на оптиметре (толщиномере) типа ИЗВ-2, что используется в данной работе. 2.3. Порядок работы 2.3.1. Включить переключателем «Сеть» прибор контроля ВИТ-2 и дать ему прогреться в течение 5 -10 минут. 2.3.2. В термопарной части вакуумметра установить переключатель «Измерение- ток нагрева» в положение «Ток нагрева» и ручкой реостата «Ток нагрева» установить по нижней шкале прибора рабочий ток используемого термопарного преобразователя (для ЛТ2 - 124 мА). 2.3.3. Установить образец в вакуум-камеру и нанести на нагреватель испарителя навеску испаряемого металла, закрыть колпак вакуумкамеры. 2.3.4. Включить автомат «Авт» и нажатием кнопки «Пуск» магнитного пускателя L1 подать напряжение на форвакуумный насос. С помощью вакууметра ВИТ-2 произвести контроль остаточного давления в вакуумной магистрали и форвакуумном баке.

98

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.3.5. При достижении в магистрали первичного вакуума порядка 10 мм.рт.ст. включить электромагнитный клапан нажатием кнопки «Пуск» магнитного пускателя L3. 2.3.6. Перевести рукоятки вакуумного затвора в положение «Ф» и добиться первичного вакуума 10-3 мм.рт.ст. в вакуум-камерах и диффузионных насосах. 2.3.7. Открыть вентили подачи воды и нажатием кнопки «Пуск» магнитного пускателя L2 включить нагреватели диффузионных насосов Н05 и Н-01. Прогрев диффузионных насосов осуществляется в течение 20-30 минут. 2.3.8. Добиться глубины вакуума в магистрали порядка 10-5 мм.рт.ст. Измерение давления ионизационным преобразователем ЛМ-2 или ЛМ-3 производится в следующей последовательности: а) включить тумблер «Сеть» и «Накал»; б) через 3-5 минут после появления отсчета рукояткой «Установка нуля» установить стрелку прибора на нуль; в) установить переключатель «Род работы» в положение «Установка эмиссии» и реостатом установить ток эмиссии катода порядка 0,5ма; г) установить переключатель «Род работы» в положение «Прогрев» и прогреть анод в течение 10-15 минут; д) установить переключатель «Род работы» в положение «Обезгаживание» и произвести обезгаживание в течение 10-15 минут; е) установить переключатель «Род работы» в положение «Измерение» и подбором «Множителя шкалы» произвести измерение ионного тока. Давление в системе, соответствующее данному ионному току иониI зационного преобразователя, определяется из формулы: P = , k где Р - давление, мм.рт.ст.; I - ионный ток преобразователя, в А; k - чувствительность преобразователя, А/мм.рт.ст. -2

2.3.9. Перевести рукоятки вакуумного затвора в положение «В» – вакуум и добиться глубины вакуума в вакуум-камерах порядка 10-5 мм.рт.ст. 2.3.10. При достижении заданной глубины вакуума в вакуум-камерах порядка 10-5 мм.рт.ст. включить нагреватель испарителя переключателем К2 и установить с помощью автотрансформатора АТ ток нагрева в пределах 3А и прогреть испаритель в течение 10 сек.

99

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.3.11. Включить электромагнит заслонки и произвести процесс напыления в течение заданного преподавателем времени. 2.3.12. Закрыть заслонку и отключить переключателем К2 испаритель. Рукоятку автотрансформатора установить в положение «0». 2.3.13. Рукоятки вакуумного затвора перевести в положение «З» – закрыто. С помощью натекателей 8 впустить воздух в вакуум-камеры. 2.3.14. Поднять колпак вакуум-камеры и заменить образец. Перевести рукоятку вакуумного затвора в положение «Ф» – форвакуум, а затем в положение «В» – вакуум и, тем самым, получить сначала «первичный вакуум», а затем «высокий вакуум» порядка 10-5 мм.рт.ст. 2.3.15. Произвести процесс напыления согласно пп.2.4.10 – 2.4.13. 2.3.16. По окончании процесса напыления произвести операции согласно пп.2.4.12; 2.4.13. 2.3.17. Выключить нагреватели форвакуумных насосов нажатием кнопки «Стоп» магнитного пускателя L2. 2.3.18. Выключить электромагнитный клапан нажатием кнопки «Стоп» магнитного пускателя L3. 2.3.19. Выключить форвакуумный насос нажатием кнопки «Стоп» магнитного пускателя L1. Отключить автомат «Авт» и вакууметр ВИТ-2 тумблером «Сеть». 2.3.20. С помощью прибора Е7-8 произвести контрольные измерения величины поверхностного сопротивления для исследуемых образцов в различных направлениях. Данные измерений занести в таблицу 1. 2.3.21. Произвести обработку полученных результатов и дать их объяснение. Таблица 1 Зависимость поверхностного сопротивления пленки от режимов напыления Напряжение, Масса Время Сопротивление R, Ом U, В распынапылеRср R↑ R↓ R→ R← ляемого ния матеt, сек риала m, гр

2.4. Контрольные вопросы: 1. Пояснить термин «Сублимация», что он означает и его физический смысл.

100

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2. Пояснить термин «Десублимация», что он означает и его физический смысл. 3. Каким законам подчиняются пары расплавленного металла в вакууме? 4. От чего зависит скорость испарения металла и каким законом она описывается? 5. От чего зависит качество напыленной металлической пленки, и каким законом описывается скорость осаждения металла? 2.5. Литература 1. Лапиров - Скобло М.Я. Высокий вакуум.- М.: ГНТИ, 1931, 501 с. 2. Менх Г.Х. Техника высокого вакуума.- М.: Энергия, 1965.- 559 с. 3. Ренне В.Т. Электрические конденсаторы.- М.: Госэнергоиздат, 1959.- 602 с. 4. Гулевич А.И., Киреев А.П. Производство силовых конденсаторов.М.: Высшая школа, 1969.- 439 с.

101

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

102

Приложение Основные физические свойства химических элементов.

Металл Хими- Атомная ческий масса символ А

Алюминий Вольфрам Железо Золото Медь Натрий Никель Серебро

Al W Fe Au Cu Na Ni Ag

26,982 183,84 55,845 196,97 63,546 22,989 58,693 107,87

Валент- Плотность Темпера- Удельная Удельная тура плав- теплоёмтеплоность ρ, 3 ления кость проводn г/см о Тпл, , С Суд , ность Дж/ кг⋅К χ, Вт/кг⋅К +3 2,7 660 923 218 +6 19,3 3400 142 167 +3 7,87 1540 453 73,3 +3 19,3 1063 134 312 +2 8,92 1083 386 406 +1 0,97 98 1220 134 +2 8,96 1453 440 75,5 +1 10,49 961 235 453

Модуль упругости Еу , ГПа 70,8 407 211 77,5 129 10 196 80

Удельное сопротивление ρ, мкОм⋅м 0,0265 0,055 0,097 0,0225 1,85 0,042 0,042 0,015

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

СОДЕРЖАНИЕ

Изготовление отверстий в твёрдых материалах с помощью излучения оптического квантового генератора ……………………....... 4 Светолучевые технологии нанесения изоляционных и защитных покрытий……………………………………………………………….... 2020 Плазменное травление тонких диэлектрических плёнок………… 26 Электронно-лучевые технологии получения новых материалов и изделий…………………………………………….......... 34 Технологии высокочастотного нагрева диэлектриков ……………. 44 Ультразвуковая прошивка твёрдых материалов …………………. 52 Ультразвуковая микросварка элементов и интегральных схем….. 62 Электрохимическая обработка материалов ……………….………. 69 Анодное растворение ......................................................72 Катодное восстановление .............................................. 74 Электрическая контактная сварка металлов ........................................82 Термовакумное напыление металлов ...................................................92 Приложение ………………………………………………………… 102

103

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Юрий Михайлович Анненков Валерий Иванович Меркулов Михаил Михайлович Михайлов Влада Владиславовна Шарафутдинова

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ Лабораторный практикум

Научный редактор

Ю.М. Анненков

Подписано к печати Формат 60 х 84/16. Бумага писчая № 1. Печать RISO. Усл.печ.л. Усл.изд.л. Тираж экз. Заказ......... ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ № 1 от 18.07.94. Ротапринт ТПУ, 634034, Томск, пр. Ленина, 30.

104

.