Анненков Ю.М. и др. Основы электротехнологий: практикум

Подождите немного. Документ загружается.

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 кон-

денсаторе 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 по-

лученные результаты занести в таблицу.

Таблица.

Влияние свойств материалов и технологических параметров

сварки на её качество

Материал

(пара)

δ,

мкм

Ом

λ,

г/см

уд

Дж/ гр

град

max,

Усилие

на раз-

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 сопро-

тивления металлических образцов.

2.5. Литература

1) Банов М.Д., Казаков, Ю.В., Козулин М.Г. Сварка и резка материа-

лов.- 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: Ма-

шиностроение, 1964.- 272 с.

5) Епечурин В.П., Латышев А.П. Электротехнология.- Л.: СЗПИ,

1974.- 76 с.

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 ти-

пов конденсаторов, изготовления печатных плат, резистивных слоев и

соединений (выводов) в микросхемах, а также для изготовления элек-

тродов при проведении испытаний диэлектрических образцов. В каче-

стве 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 давле-

ние, объем и температура, описываются уравнениями:

= P

- закон Бойля-Мариотта; (1)

= V

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

t273

1 - закон Гей-Люссака; (2)

= P

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

t273

1 - закон Шарля; (3)

смеси

= P

+ P

+ ... + P

- закон Дальтона. (4)

В этих уравнениях:

- объем газа соответственно при давлениях P

и P

;

- объем газа при нагревании на t

- давление газа при нагревании на t

- соответственно первоначальный объем и давление;

смеси

- парциальное давление в смеси газа, имеющего парциаль-

ные давления отдельных газов P

, P

, ... , P

Согласно молекулярно-кинетической теории все вещества состоят из

молекул и атомов, находящихся в беспорядочном тепловом колебатель-

ном движении. В зависимости от соотношения температуры, давления и

объема вещество может находиться в одном из трех агрегатных состоя-

ний: газообразном, жидком или твердом. Газы и пары металла вследст-

вие теплового хаотического движения и

очень слабой связи между мо-

лекулами не способны самостоятельно сохранять ни форму, ни объем,

поэтому всегда занимают все предоставляемое пространство.

В жидкой фазе молекулы обладают ограниченной свободой переме-

щения, поэтому жидкости могут сохранять форму сосуда, но не могут

занимать все предоставляемое им пространство.

В твердых телах каждый атом занимает в пространстве

какое-то фик-

сированное равновесное положение, около которого он совершает теп-

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 про-

цесс 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 .В

3 2

О.

Е ................... D

С. 1

Рис.1. Общий вид диаграммы состояния вещества

1 - парообразное состояние, 2 - жидкое состояние, 3 - твердое состояние

На данной диаграмме линия OB соответствует равновесному состоя-

нию парообразной и жидкой фаз, линия OA - равновесному состоянию

жидкой и твердой фаз, линия ОС - равновесному состоянию парообраз-

ной 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 облас-

ти выше этой точки стирается различие между жидким и газообразным

состоянием и при температуре выше критической вещество может на-

ходиться только в газообразном состоянии. При давлениях ниже трой-

ной точки О может наблюдаться переход из твердой фазы в газообраз-

ную (минуя жидкую), получивший название сублимации, и

обратный

процесс - переход вещества из газообразной фазы в твердую (десубли-

мация). 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 поверхнос-

ти за единицу времени вещества, нагреваемого в высоком вакууме, оп-

ределяется уравнением Ленгмюра:

2/1

106

RT2

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

, (5)

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

где V - скорость испарения металла, г/(см

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, со-

ответственно, скорость испарения металла. Пары металла, ведущие себя

как газ, распространяются прямолинейно от поверхности испарителя.

Если на пути движения молекулярного потока испаренного металла по-

местить конденсатор, то на поверхности этого конденсатора образуется

пленка сконденсированного вещества. Для большинства

металлов кон-

денсация их паров при комнатной температуре не сопровождается от-

ражением атомов от конденсатора, т.е. каждый ударившийся о поверх-

ность атом остается на этой поверхности.

Скоростью конденсации (десублимации) или удельной плотностью

конденсирующего потока молекул на поверхности, называется количе-

ство молекул, которое в единицу времени фактически сцепляется с по-

верхностью конденсатора (подложки).

k =

βν, (6)

где ν - число молекул, ударяющихся в единицу времени о по-

верхность 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

отраже-

ние атомного пучка от поверхности

конденсатора.

При температуре выше, так на-

зываемой, критической температуры

атомы испаренного металла полно-

стью отражаются от конденсатора.

Для разных металлов величина кри-

тической температуры различная.

Распределение конденсата на

принимаемой поверхности подложки

зависит от формы испарителя и под-

ложки, а также от их взаимного расположения (рис

. 2).

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

В случае точечного испарителя и плоской поверхности подложки,

расположенной под каким-то углом Q к нормали пучка атомов испаряе-

мого металла, толщина пленки, образованной на площадке dS

в едини-

цу времени будет равна

coscosm

πγ

∆

⋅

⋅= , (7)

где γ - плотность конденсируемого материала, г/см

;

m - количество атомов испаренного металла, падающих на по-

верхность подложки в единицу времени, г/сек;

r - расстояние до подложки от испарителя, см;

Θ - угол, образованный поверхностью подложки к нормали по-

тока атомов испаряемого металла;

ϕ - угол, образованный между осью распространяемого потока

атомов и нормалью испарителя S.

Соотношение между количеством атомов, адсорбированных едини

цей площади поверхности подложки и давлением паров металла опре-

деляется уравнением Ленгмюра

, (8)

где

)MRT2(

===

- число элементарных пространств на единице площади кон-

денсатора;

N - число Авогадро, равное 6,022

;

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 по-

верхности, достаточно сложна и многообразна. Это целый комплекс яв-

лений, связанных с фазовыми превращениями, массотеплопереносом,

формированием структуры и т.д. Согласно Ленгмюру адсорбция может

рассматриваться как прикрепление внешних молекул или атомов сво-

бодными связями, в частности, силами

сродства к атомам, составляю-

щим поверхностный слой подложки. При этом адсорбируемые атомы и

молекулы стремятся к такому расположению в пространстве, которое

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

как бы повторяет пространственную решетку подложки. Согласно Лен-

гмюру, толщина адсорбированной пленки почти никогда не превосхо-

дит 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 на-

несения металлических пленок.

- Освоить технологии получения вакуума порядка 10

-5

-10

-7

мм рт.ст.

и вакуумного распыления металлов для получения металлических пле-

нок.

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

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 автома-

том 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 магистраль-

ном трубопроводе и форвакуумном баке 6.

Измерение глубины форвакуума в магистрали осуществляем лампо-

вым 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 включает-

ся 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 вакуум-

ными 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 вакуу-

метром 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. Кон-

троль 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 снима-

ется напряжение с нагревателей диффузионных насосов. Одновременно

включается звуковой сигнал. В нормальном режиме за счет нагревате-

лей происходит нагрев масла диффузионных насосов. Работа диффузи-

онных паромасляных насосов основана на принципе захвата воздуха

парами масла и уноса его через форвакуумный насос в атмосферу. Что-

бы 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

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 микроам-

перметром мА2. В качестве испарителя (нагревателя) используется спе-

циальная лодочка или спираль из тугоплавкого металла. При работе

не-

обходимо не превышать установленного тока, чтобы не вызывать пере-

грева этой спирали и ее сгорания.

При нагреве испарителя пары испаряемого металла (алюминия и др.)

приобретают высокую скорость и стремятся занять весь представляе-

мый им объем и, тем самым, способны оседать на всех частях образца и

камеры. Первоначально этот поток испаряемого

металла перекрыт за-

слонкой, чтобы устранить возможность попадания загрязнений на обра-

зец, которые образуются в начале плавления металла.

Качество получаемой металлической пленки определяется прочно-

стью сцепления распыляемого металла с подложкой (образцом), т.е. си-

лами адгезии и ее сплошностью (толщиной). Силы адгезии зависят от

материала подложки, ее чистоты, скорости распыления,

т.е. температу-

ры паров металла. Сплошность металлической пленки (ее толщина)

также зависит от продолжительности процесса напыления.

Контроль толщины получаемой металлической пленки можно осу-

ществлять методами светорассеивания или светопропускания, а также

измерением поверхностного сопротивления или непосредственным из-

мерением толщины на оптиметре (толщиномере) типа ИЗВ-2, что ис-

пользуется 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 ис-

пользуемого термопарного преобразователя (для ЛТ2 - 124 мА).

2.3.3. Установить образец в

вакуум-камеру и нанести на нагреватель

испарителя навеску испаряемого металла, закрыть колпак вакуум-

камеры.

2.3.4. Включить автомат «Авт» и нажатием кнопки «Пуск» магнитно-

го пускателя L1 подать напряжение на форвакуумный насос. С помо-

щью вакууметра ВИТ-2 произвести контроль остаточного давления в

вакуумной магистрали и форвакуумном баке.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.3.5. При достижении в магистрали первичного вакуума порядка

-2

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 диффу-

зионных насосах.

2.3.7. Открыть вентили подачи воды и нажатием кнопки «Пуск» маг-

нитного пускателя L2 включить нагреватели диффузионных насосов Н-

05 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 «Установ-

ка 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 «Обезгажи-

вание» и произвести обезгаживание в течение 10-15 минут;

е) установить переключатель «Род работы» в положение «Измере-

ние» и подбором «Множителя шкалы» произвести измерение ионного

тока.

Давление в системе, соответствующее данному ионному току иони-

зационного преобразователя, определяется из формулы:

= ,

где Р - давление, мм.рт.ст.;

I - ионный ток преобразователя, в А;

k - чувствительность преобразователя, А/мм.рт.ст.

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 переключате-

лем К2 и установить с помощью автотрансформатора АТ ток нагрева в

пределах 3А и прогреть испаритель в течение 10 сек.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

100

2.3.11. Включить электромагнит заслонки и произвести процесс на-

пыления в течение заданного преподавателем времени.

2.3.12. Закрыть заслонку и отключить переключателем К2 испари-

тель. Рукоятку автотрансформатора установить в положение «0».

2.3.13. Рукоятки вакуумного затвора перевести в положение «З» – за-

крыто. 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» – форва-

куум, 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 со-

гласно 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 объ-

яснение.

Таблица 1

Зависимость поверхностного сопротивления пленки от режимов напыления

Сопротивление R, Ом Время

напыле-

ния

t, сек

Напряжение,

U, В

Масса

распы-

ляемого

мате-

риала

m, гр

R↑ R↓ R→ R←

ср

2.4. Контрольные вопросы:

1. Пояснить термин «Сублимация», что он означает и его физический

смысл.