Гинберг А.M. и др. Технология важнейших отраслей промышленности
Подождите немного. Документ загружается.
321
Сущность ультразвуковой размерной обработки заключается в том, что
между инструментом, соединенным с излучателем, и заготовкой вводится
абразивный материал, который воздействует на обрабатываемую поверхность.
В качестве абразивных зерен применяют алмаз, корунд, наждак, кварцевый
песок, карбид бора, карбид кремния и др.
Ультразвуком можно обрабатывать как хрупкие материалы (стекло,
керамику, кварц, кремний, германий и др.), так и жаропрочные твердые
(закаленные и азотированные стали, твердые сплавы), применяемые, в
частности, для изготовления металлорежущего инструмента.
Ультразвуковая обработка может производиться свободно направленным
абразивом, например при декоративном шлифовании и для снятия заусенцев у
мелких деталей.
Размерная обработка инструментом обеспечивает высокую точность,
позволяет получать сквозные и глухие отверстия, вырезы, осуществлять
шлифование, клеймение, гравирование и другие операции.
Наряду с преимуществами ультразвуковой метод имеет и недостатки:
сравнительно небольшая площадь и глубина обработки, большая энергоемкость,
невысокая производительность процесса и большой износ инструмента.
Электроэрозионная обработка
Электроэрозионные методы обработки применимы для всех
токопроводящих материалов. Эти методы основаны на явлении эрозии
(разрушения) поверхности токопроводящих электродов от разрядов при
пропускании между ними импульсного электрического тока.
Разрушение материала происходит из-за его локального оплавления и
выброса расплавленного материала в виде парожидкостной смеси.
Все виды электроэрозионной обработки осуществляются в жидкостной
среде — керосине, нефтяном масле, дистиллированной воде
При прохождении искрового разряда в жидкости начинается бурное
газообразование, в результате чего жидкость как бы взрывается, что
способствует удалению продуктов эрозии из рабочей зоны. Кроме того, рабочая
жидкость препятствует окислению поверхности обрабатываемого материала.
Основными разновидностями электроэрозионных методов являются
электроискровая и анодно-механическая обработка
Электроискровая обработка
широко применяется в инструментальном производстве при изготовлении
штампов, литейных форм и пресс-форм, а также в основном производстве при
размерной обработке заготовок деталей сложных профилей из
труднообрабатываемых электропроводящих материалов. С ее помощью можно
получать сквозные и глухие отверстия различной конфигурации,
криволинейные щели и пазы, вырезать сложный контур, клеймить детали,
удалять из заготовок сломанный инструмент и т. п.
322
Принципиальная схема установки приведена на рис.
18.57,а. Источник питания — генератор 3 однополярных импульсов заряжает
конденсатор 5 до напряжения пробоя в промежутке между электродом-
инструментом 2 и обрабатываемой заготовкой 1. При пробое энергия,
накопленная конденсатором 5, мгновенно выделяется в виде разряда.
Из-за малой длительности разряда заготовка и рабочий электрод
практически не нагреваются, хотя основная часть накопленной энергии
превращается в теплоту, идущую на плавление и испарение обрабатываемого
материала.
Под действием многочисленных разрядов в обрабатываемом материале
образуется выемка, представляющая собой отпечаток торца электрода-
инструмента. Станки для электроискровой обработки снабжены программно-
управляющими устройствами, которые обеспечивают постоянный зазор между
заготовкой и инструментом, продольное перемещение инструмента и
регулирование подачи. Производительность процесса зависит от частоты
следования импульсов, энергии разряда, свойств обрабатываемого материала,
материала и формы электрода-инструмента. При оптимальных режимах
обработки, устанавливаемых с помощью переменного сопротивления 4,
конфигурация детали обеспечивается с погрешностью +0,005 мм.
Обработку
профильным электродом применяют для получения сквозных
и глухих отверстий с различной формой поперечного сечения.
В настоящее время наибольшее применение получил метод
электроискровой обработки
(непрофилированным электродом-проволокой. При
этом (рис. 18.57,
б) электрод-проволока 2 диаметром 0,02—0,5 мм (в
зависимости от требуемой точности обработки) перематывается с определенной
скоростью с подающей катушки
4 на приемную катушку 1, воспроизводя любой
заданный контур. При вырезании замкнутого контура в заготовке 3
предусматривается технологическое отверстие.
Анодно-механическая обработка (рис. 18.57, в) осуществляется при
включении обрабатываемой заготовки 1 в цепь постоянного тока в качестве
анода, а рабочего инструмента — диска 2 в качестве катода. В зазор подастся
рабочая жидкость (раствор жидкого стекла при черновой обработке или раствор
хлористого или сернокислого натрия при доводке). При анодно-механической
обработке металл заготовки подвергается анодному (электрохимическому)
323
растворению, а также локальному плавлению от воздействия разрядов, как при
электроискровой обработке, и механическому воздействию инструмента,
который снимает оксидную пленку и расплавленный металл.
Производительность процесса в 2—3 раза выше, чем при обычной
механической обработке. Этот метод применяют для шлифования,
хонингования цилиндрических отверстий, полирования, резки. Анодно-
механическую обработку можно совмещать с абразивной обработкой,
используя при этом в качестве инструмента электропроводящий абразивный
диск или добавляя абразив в рабочую жидкость.
Процесс электроискрового упрочнения применяют для упрочнения
поверхностей различных металлов и сплавов, чаше всего штамповой оснастки.
В отличие от размерной электроискровой обработки здесь анодом является
электрод-инструмент, материал с поверхности которого переносится на
обрабатываемую заготовку — катод.
Сущность метода заключается в том, что при сближении инструмента с
деталью между ними возникает искровой электрический разряд, который
оплавляет материал анода. На первой стадии капля расплавленного металла
разогревается до высокой температуры, закипает и металл анода в виде мелких
частиц устремляется к катоду.
Достигнув катода, расплавленные частицы
свариваются с ним. На следующей стадии через раскаленный участок катода
проходит второй импульс тока. Этот импульс сопровождается механическим
ударом анода о катод, при котором происходит сварка металла анода с
поверхностью катода, сопровождаемая химическими реакциями,
диффузионными процессами и явлениями,
характерными при ковке.
В качестве материала анода для упрочнения режущего инструмента (резцов,
фрез, сверл, ножей и др.) используют твердые сплавы различных марок,
феррохром н графит. Расход этих материалов невелик.
Электронно-лучевая обработка
Сущность метода заключается в использовании энергии электронов,
испускаемых накаливаемым катодом, ускоренных и сфокусированных в пучок.
При столкновении электронов с обрабатываемым материалом кинетическая
энергия превращается в тепловую. Концентрация мощности достигает 1
МВт/см
2
при обшей мощности до десятков киловатт.
Обработка электронным лучом обычно ведется в вакууме, поэтому в месте
обработки отсутствует нежелательное взаимодействие расплавленного металла
с кислородом.
Электронно-лучевую обработку используют для размерной обработки
материалов, а также для сварки.
Электронно-лучевая сварка ведется в вакууме узким электронным лучом,
который получают в электронной пушке, схема которой представлена на рис.
18.58. При нагреве катода 1 с его поверхности излучаются электроны, которые
формируются в пучок. Благодаря высокой разности потенциалов между
324
катодом 1 и анодом 2 электроны ускоряются в определенном направлении. С
помощью магнитных линз 3 пучок электронов фокусируется на поверхность
свариваемых заготовок 5. Современные установки позволяют сфокусировать
луч на площади диаметром менее 0,0001 мм. Отклоняющие катушки
4
позволяют перемещать луч по поверхности заготовок.
При бомбардировке поверхности заготовок потоком электронов его
кинетическая энергия переходит в тепловую, развивая температуру до 5000—
6000 К, Электронный луч является управляемым источником теплоты, что
позволяет регулировать довольно точно и в широких пределах температуру в
зоне нагрева изменением разности потенциалов между катодом и анодом.
Электронным лучом можно резать и сваривать тугоплавкие и химически
активные металлы и сплавы (молибден, вольфрам, ниобий, тантал,
нержавеющие стали
и др.), сваривать заготовки из разнородных материалов со
значительной разницей толщин; этот метод позволяет также сваривать металлы
с неметаллами.
Электронный луч используется в микроэлектронике при вакуумном
напылении тонких пленок тугоплавких материалов, при обработке электронно-
полимеризующихся материалов (электронорезистов), а также для стимуляции
реакций диссоциации металлоорганических соединений при нанесении
металлических покрытий.
Плазменная обработка материалов
Плазму для обработки материалов получают в электрическом (дуговом,
высокочастотном)
разряде. С этой целью струю рабочего газа пропускают
через столб дугового разряда (постоянного или переменного тока) в
специальных устройствах — плазмотронах, принципиальные схемы которых
приведены на рис. 18.59. Необходимыми элементами плазматрона для
обработки являются торцовый электрод 5 и сопло 4. По характеру действия
такие плазматроны делятся на два типа: с дугой косвенного действия (рис.
18.59, а) и с дугой прямого действия (рис. 18.59,б).
В первом случае дуга горит между электродом и соплом, а газ,
нагревающийся в столбе дуги, выходит из сопла в виде плазменной струи 2,
отделяющейся от дуги. Во втором случае дуга горит между электродом 5 и
изделием 1, а струя плазмы совпадает со столбом дуги. Используется также
325
комбинация этих двух типов (рис 18.59,
в) — с дугами прямого и косвенного
действия. Первый тип плазматронов для обработки материалов называют
плазматронами с независимой (сжатой, закрытой, внутренней) дугой. Второй
тип — плазматроны с зависимой (проникающей, открытой, внешней) дугой.
В зависимости от используемого варианта действия плазматрона различают
три способа нагрева изделия - плазменной струей, плазменной дугой,
стабилизированной дугой.
Нагрев плазменной струей используют обычно при напылении покрытий и
закалке; нагрев плазменной дугой — при резке и наплавке. При нагреве
стабилизированной дугой струя плазмы от внутренней, обычно устойчиво
горящей дуги стабилизирует горение внешней (основной) дуги, горение которой
неустойчиво.
В зависимости от силы тока, рода и расхода газа, а также конструкции
плазматрона температура плазменной струи может изменяться от 10
3
до 5*10
4
К. В процессе работы плазматрон непрерывно охлаждается проточной водой
через каналы 3 сопла.
В качестве плазмообразующих газов применяют аргон, гелий, азот, водород,
аммиак, кислород, воздух и некоторые другие смеси газов. Инертные газы
(аргон, гелий) обеспечивают хорошие условия для возбуждения и устойчивого
горения дуги и защиту центрального электрода от эрозии (окисления). Однако
эти газы одноатомные и запас энергии, приобретаемый ими в столбе дуги,
меньше, чем при использовании молекулярных газов. Широкое применение в
качестве плазмообразующего газа получил азот.
При использовании в качестве плазмообразующего газа воздуха или
кислорода необходимо принимать специальные меры для защиты электродов от
эрозии либо применять циркониевый или гафниевый центральный электрод.
Средняя скорость потока плазмы на выходе из сопла достаточно высокая.
Высокоскоростная плазменная струя оказывает давление на обрабатываемую
поверхность, что играет большую роль в удалении расплавляемого металла и
его перемешивании. С увеличением силы тока давление плазменной струи резко
увеличивается, что приводит к увеличению глубины проплавления основного
металла.
Плазменная обработка обладает рядом существенных технологических
достоинств. К ним относятся: возможность получения весьма высокой
концентрации тепловой энергии и сосредоточения большой тепловой
мощности в небольших объемах материалов; возможность использования в
качестве плазмообразующего газа воздуха или водяного пара; высокая
скорость плазменной струи, способствующая удалению расплавляемого
материала при резке; возможность
изменения формы и направлениях струи
внешним магнитным полем; возможность работы под водой. Вместе с тем
плазменному методу обработки присущи и недостатки: необходимость
применения относительно сложного, громоздкого оборудования и более
326
высоких напряжений, чем при обычной дуговой обработке; высокий уровень
шума; сложность ручною
ведения процесса.
Плазматроны применяют в качестве источников тепловой энергии (в том
числе лучистой), заряженных частиц (электронов, ионов) или механической
энергии.
Плазму как источник тепловой энергии применяют при сварке и пайке,
наплавке, напылении, резке, азотировании и т. п.; при улучшении физико-
химических свойств материалов (зонной плавке и переплаве, при
выращивании монокристаллов, плазменно-дуговом рафинировании
металлов);
при получении сферических и ультрадисперсных порошков).
Плазму как источник заряженных частиц используют при
плазмохимических процессах для получения ацетилена, оксидов азота, при
плазменном электролизе, плазмо-химическом получении ультрадисперсных
порошков (нитридов, оксидов), восстановлении металлов из руд.
При сварке расплавление кромок свариваемых заготовок выполняется
плазменной струей, температура которой достигает 30000 К. Мощность
плазменной струи можно регулировать, изменяя силу тока и напряжение дуги,
расход и состав газа, расстояние между соплом плазменной струи и
свариваемой заготовкой.
Сварка плазменной струей даст хорошие результаты при соединении
тугоплавких металлов и сплавов, нержавеющих сталей и многих
неметаллических материалов. Возможность регулирования мощности плазмы
в широких пределах позволяет сваривать материалы толщиной от 0,08 до 50
мм; при этом шов отличается высоким качеством и чистотой.
Для плазменной сварки металлов используют плаз- матроны различных
конструкций с зависимой дугой. Соединения диэлектриков и
полупроводниковых материалов выполняют горелками с независимой дугой.
Плазменная резка возможна благодаря мгновенному расплавлению металла
с одновременным сдуванием его струей плазмы с рабочей поверхности.
С появлением воздушно-плазменной резки как промышленного процесса
начался новый этап в развитии
плазменной техники. Это объясняется двумя
причинами:
использование воздуха в качестве плазмообразующей среды обеспечивает
высокое качество резки во всем диапазоне разрезаемых толщин;
создание плазматронов, надежно работающих при силе тока свыше 100 A,
значительно повысило верхний предел толщин разрезаемых заготовок.
Обычно плазменная резка ведется по схеме с дугой прямого действия.
Плазматроны с дугой косвенного действия используют только для резки
тонколистовых металлических заготовок и неметаллических материалов.
Плазменно-дуговая резка подразделяется на разделительную резку, когда
происходит сквозное проплавление (прорезание) обрабатываемого материала и
327
разделение его на части, и поверхностную плазменно-дуговую обработку, когда
осуществляется срезание материала с поверхности.
Разделительной плазменно-дуговой резкой разрезают материал толщиной до
120 мм. В зависимости от толщины и рода материала, мощности дуги и ряда
других факторов скорость процесса различна и может достигать 5 — 7 м/мин.
С помощью плазменной струи возможно высокопроизводительное
нанесение покрытий практически из любых тугоплавких материалов с высокой
равномерностью. Плазменные покрытия можно наносить на большинство
материалов, в том числе на материалы, не проводящие электрический ток.
Производительность наплавки колеблется от 0,5 до 12 кг/ч.
Для плазменной наплавки жаростойких материалов применяют плазматроны
различных типов, преимущественно с дугой косвенного действия (без переноса
дуги на изделие).
Совмещая плазменное распыление с дуговым оплавлением,
осуществляемым при переносе дуги на изделие, т, е, включая изделие в
качестве анода (или катода), одновременно производят наплавку и
легирование поверхностных слоев изделия.
При осуществлении плазменной наплавки материал покрытия подается в
виде присадочной проволоки (ленты) или порошка.
Важное свойство плазменной наплавки — высокое качество слоя
независимо от его толщины, что позволяет в значительной мере снизить
припуск на последующую механическую обработку.
Плазменная наплавка может использоваться для различных пар металлов и
их сплавов. Широко применяют плазменную наплавку меди, бронз и
аустенитных нержавеющих сталей, твердых сплавов на низкоуглеродистые
стали и чугуны.
Разработаны специальные порошковые композиции наплавочных
материалов, которые можно разделить на три группы:
а) порошковые материалы, подлежащие после нанесения на
металлическую заготовку оплавлению с одновременным расплавлением
поверхностного слоя металла заготовки. К ним относится, например, сормайт;
б) порошковые материалы, которые после нанесения оплавляются, но без
расплавления металла заготовки. Такие порошки обладают самофлюсующими
свойствами и при расплавлении надежно припаиваются к металлической
основе;
в) порошковые материалы, которые наносятся на поверхность заготовки
без расплавления как самих порошков, так и металла заготовки. Для создания
необходимой адгезии в этих случаях используют специальные средства.
328
Лазерная обработка
Лазеры — источники мощного светового монохроматического излучения,
появились в начале 60-х годов XX в. и сразу же стали находить применение в
технологических процессах.
Основными элементами лазера являются рабочее тело и система
возбуждения излучения. В зависимости от материала активного элемента
лазеры подразделяются на твердотельные (обычно рабочее тело —
монокристаллы рубина), газовые (работают на смеси углекислого газа с
азотом), полупроводниковые и жидкостные. В технологических процессах в
основном используются наиболee мощные твердотельные и газовые лазеры.
Атомы или молекулы рабочего тела должны обязательно иметь
расщепленный верхний энергетический уровень. Это достигается введением
примесей в основное вещество (атомов хрома в рубине, красителей в жидкости
и т. п.). Когда под импульсным или непрерывным возбуждением (в
твердотельных лазерах — излучением лампы «накачки») на верхнем
возбужденном энергетическом уровне окажется больше атомов, чем на нижнем,
атомы лавинообразно переместятся на промежуточный энергетический уровень,
излучая кванты световой энергии. Излучаемые кванты абсолютно тождественны
по частоте. Усиление лазерного излучения достигается благодаря концентрации
излучаемой энергии со всего объема рабочего тела в узкий пучок.
Лазеры подразделяются по мощности излучения на две группы:
маломощные (до 1 кВт) и мощные (свыше 1 кВт). К первой группе относятся в
основном твердотельные лазеры, а также небольшие газовые лазеры, ко второй
группе — в основном газовые лазеры.
Лазерный луч обеспечивает концентрацию энергии с плотностью до 10
14
Вт/см
2
и может быть сфокусирован до пятна диаметром 1 мкм. Такая
концентрация энергии позволяет достичь на поверхности материала
температуры в несколько тысяч градусов, В результате материал мгновенно
расплавляется и частично испаряется, выплескиваясь из зоны действия
лазерного луча.
Лазерный луч предоставляет технологам возможность воздействия на
материал без механических нагрузок, что позволяет достичь высокой точности
обработки. С помощью лазерного излучения можно изготовлять отверстия
диаметром 0,03—3 мм и глубиной В несколько миллиметров с
производительностью до 60 отверстий в минуту. Отверстия изготовляются в
твердых сплавах, керамике, часовых камнях, алмазах и т. п. Погрешность
размеров отверстий небольших диаметров не превышает ±0,01 мм.
Перемещая обрабатываемую деталь и используя мощные газовые лазеры
непрерывного действия, можно вырезать контур детали в листе металла
толщиной до 10 см.
Мощные газовые лазеры применяют для сварки и пайки листовых и
проволочных разнородных металлов и сплавов; сварки деталей, значительно
различающихся по толщине или диаметру, а также по температуре плавления. В
329
настоящее время находят применение аппараты непрерывной лазерной сварки
большой мощности. Преломляя световой луч лазера с помощью оптических
систем (линз), можно направлять его в труднодоступные для обработки места,
концентрировать его и получать сварные соединения в виде микроточек.
Импульсная сварка с помощью твердотельных лазеров нашла широкое
применение в радиоэлектронной промышленности при сварке элементов
полупроводниковых приборов.
Лазерным лучом можно упрочнять поверхность металла (по принципу
термообработки). При этом стойкость штамповой оснастки увеличивается в 2—
5 раз.
Представляет интерес использование светогидравлического удара,
создаваемого в жидкости лазерным лучом, для очистки поверхности деталей,
удаления облоя, штамповки, создания неразъемных соединений обжимкой.
Главным недостатком лазера является довольно низкий КПД, который для
твердотелых лазеров составляет примерно 2%.
Глава 19 Основные технологические процессы электроники и
микроэлектроники
§ 19.1. Технология изготовления интегральных микросхем
Под интегральной схемой (ИС) понимается электронное устройство,
имеющее высокую плотность компоновки элементов электрической схемы, в
котором все или часть элементов сформированы и электрически соединены
между собой на одном полупроводниковом кристалле или диэлектрической
подложке.
ИС представляет собой многокомпонентное тело из слоевых композиций на
поверхности или в приповерхностном слое твердого тела (полупроводника). Ее
характеристики определяются свойствами тонких слоев различных материалов,
которые в свою очередь во многом зависят от условий их формирования,
последовательности и вида технологических операций.
Вопросы разработки и производства ИС рассматриваются в новой отрасли
науки и техники — микроэлектронике, изучающей технологические,
физические, конструктивные особенности электро- и радиоэлементов с
размерами не более 1 мкм хотя бы по одной координате.
Наиболее важной проблемой при создании микросхем является разработка
элементов и совместимых друг с другом материалов со стабильными и
воспроизводимыми характеристиками тонких слоев, а также
последовательности технологических операций формирования многослойной
структуры, при которой последующие операции не оказывают вредного
влияния на характеристики ранее сформированных слоев.
В зависимости от способа создания пленочных композиций микросхемы
делятся на два класса — гибридные интегральные схемы (ГИС) и
полупроводниковые интегральные схемы (ИС),
330
Гибридная интегральная схема — микроминиатюрное электронное
устройство, элементы которого нераздельно связаны конструктивно,
технологически и электрически на поверхности диэлектрической (стеклянной,
керамической) подложки. В технологии ГИС пассивные элементы (резисторы,
проводники, контактные площадки, конденсаторы, диэлектрические и
изоляционные слои) изготовляют в одном технологическом цикле в виде
металлических и диэлектрических пленок на поверхности подложки. Активные
компоненты (диоды, транзисторы), а при необходимости также микроминиа-
тюрные дискретные пассивные компоненты (конденсаторы, катушки
индуктивности и т. п.) монтируются на поверхности подложки и соединяются с
другими элементами.
В зависимости от технологического процесса формирования пассивных
элементов гибридные схемы подразделяются на тонкопленочные и
толстопленочные.
Тонкопленочная технология — последовательное нанесение на общее
основание тонких (менее 1—2 мкм) пленочных проводников, контактов,
резисторов, изоляторов с формированием микрогеометрии элементов и их
соединений (топологический рисунок) или в процессе осаждения с помощью
трафаретов (масок), а также с помощью селективного локального травления
сплошных слоев материалов.
Последовательность технологических операций при изготовлении
тонкопленочных ГИС по двум вариантам приведена на рис. 19.1.
Толстопленочная технология — последовательное нанесение через
сетчатые трафареты и вжигание в керамические подложки паст резистивного,
проводящего и диэлектрического назначения.
Проводящие и резистивные пасты представляют собой смесь
мелкодисперсного металлического порошка, стекла, выполняющего роль
постоянного связующего, и органических жидкостей, обеспечивающих вязкость
смеси. Металл обеспечивает образование проводящих (серебро, золото,
платина, палладий и их сплавы) или резистивных (благородные металлы и их
композиций с оксидами) дорожек.