Оборудование для электронно-лучевого модифицирования поверхностей. Для реализации технологических процессов электронно-лучевого модифицирования поверхностей металлов используют как специализированное оборудование [26], так и установки для электроннолучевой сварки. Наибольшее распространение для целей модифицирования получили сварочные установки, которые обычно модерни- зируют для расширения технологических возможностей при модифицировании поверхностей. При этом обеспечивается возможность создания и управления тепловложением на площади, превышающей площадь поперечного сечения электронного пучка. Модернизация сварочных установок заключается в следующем: в электронной пушке либо на ее торце устанавливается малоиндуктивная отклоняющая система; система управления отклонением электронного пучка заменяется на специализированную (быстродействующую, с программным управлением); манипулятор изделия или электронной пушки, а также его система управления иногда дорабатывается или заменяется для обеспечения высоких скоростей перемещения (до 40 мм/с).
Техническая характеристика систем управления установок для электронно-лучевого модифицирования поверхности приведена в табл. 1.15.
Многофункциональная система управления “Промин-1″ состоит из микропроцессорного блока, двухканального усилителя сигналов развертки электронного пучка и блока управления приводом. Она обеспечивает в режиме диалога:
программное управление током электронного пучка и фокусирующей линзы электронной пушки, отклонением электронного пучка по двум координатам для одной или двух отклоняющих систем, приводом (шаговым, асинхронным или постоянного тока);
ввод, просмотр, корректировку и хранение в виде библиотек в долговременной памяти программ технологических режимов;
аварийное завершение технологического процесса по специальной подпрограмме;
контроль работоспособности основных узлов системы (дисплея, клавиатуры, таймера, постоянного и оперативного запоминающих устройств, оптоволоконной системы).
В режиме модифицирования поверхности система формирует высокочастотную растровую развертку электронного пучка. В режиме гравировки программно задается текст надписи, которая будет нанесена электронным пучком на поверхности изделия. При этом воспроизводятся цифры, буквы русского и латинского алфавита.
Специализированные пирометрические системы позволяют осуществлять контроль параметров температурного поля при электронно-лучевом модифицировании поверхностей бесконтактно, через иллюминатор вакуумной камеры. Так, с помощью пирометрических сканирующих систем СКАПИР можно контролировать распределение температуры при нагреве поверхности металлов в диапазоне температур 300…3000°С с точностью 1,5%. При этом пространственная дискретность контроля температуры в точках следующая: 3×3 для системы СКАПИР.
Оборудование для ионной имплантации. Принцип работы любой установки для ионной имплантации состоит в ионизации в ионном источнике газообразных, жидких или твердых веществ и ускорении ионов в электростатическом поле. После разделения ионного пучка по массе сепарированный пучок ионов направляется на мишень-образец, находящийся в вакуумной камере. Для обеспечения однородности распределения заряда на поверхности проводят сканирование. Дозу имплантации определяют интегратором тока. Установки для ионной имплантации различаются способами ускорения, напряжением, способами фокусировки, источниками питания.
Установка для ионной имплантации включает: ионный источник У; системы ускорения и фокусировки ионов, разделения пучка ионов по массе, сканирования пучка 6; приемную камеру 2 и вакуумную систему. Имеется несколько типов ионных источников, основанных на различных принципах ионизации: электронным ударом, фотоионизация, химическая ионизация.
Источники с ионизацией атомов на разогретой поверхности твердых тел находят применение в исследовательских установках. Основное преимущество источников этого типа — малый разброс ионов по энергиям, основной недостаток — сравнительно малые токи. Такие источники используются при контролируемом нанесении пленок щелочных и щелочно-зе-мельных металлов, для получения пучков малого диаметра, в установках для получения узловых закономерностей при взаимодействии ионов с твердым телом, при анализе материалов.
Источник ионизации электронным ударом типа Нира применяется в масс-спектромет-рических устройствах. Сила выходного тока не превышает нескольких микроампер вследствие низкой ионизации (10~5). Разброс по энергиям составляет 2…3 эВ. В источниках типа плазмотрона также используется ионизация атомов электронным ударом. Они обеспечивают значительные ионные токи при малом разбросе ионов по энергиям, не превышающем 10 эВ. Основной недостаток — необходимость использования блоков электрического питания, находящихся под высоким потенциалом относительно земли.
В промышленных установках ИЛУ-4 и ,гВезувий-4″ применены источники с дуговым разрядом в парах рабочих веществ. Кроме того, для стабильного поддержания дугового разряда используется также ионизация электронным ударом. Рабочим веществом может быть газ (например, аргон), водород, гелий или пар (например, фосфор). Главным преимуществом дуговых источников является получение ионных пучков с большой силой тока. К недостаткам относятся сложный состав получаемого ионного тока, необходимость специальной стабилизации разряда, разброс ионов по энергиям, неравномерность плотности тока по сечению пучка.
В газоразрядных источниках с горячим катодом типа Пеннинга ионизация молекул и атомов осуществляется электронным ударом. Источники такого типа характеризуются значительным (менее 100 эВ) разбросом ионов по энергиям. В составе пучка находятся ионы материалов электродов, подвергнутых ионной бомбардировке и распылению. Такие источники используются в установках для обработки материалов ионными пучками, нанесения покрытий.
В высокочастотных разрядных ионных источниках электроны получают необходимую энергию для ионизации атомов, ускоряясь в электрическом высокочастотном поле. Разброс ионов по энергиям в таких источниках составлял 50… 100 эВ, а в новых конструкциях он снижен до 1…2 эВ. Основными недостатка- ми высокочастотных разрядных источников являются необходимость тщательного экранирования с целью исключения влияния высокочастотных наводок на измерительную аппаратуру, трудность получения ионов металлов, неспособность работать при повышенных температурах, необходимость контроля параметров и управления ими, недостаточно длительный цикл непрерывной работы (50… 100 ч). Однако высокочастотные источники характеризуются простотой конструкции и надежностью работы, на изготовление не требуется больших затрат, удобны в эксплуатации, отличаются экономичностью.
Для получения тяжелых ионов можно использовать источники с дуговым разрядом в парах материалов электродов. В установках с такими источниками используются ионные пучки и ускоренная плазма. Плазменные ускорители применяют, например, для высокоскоростного нанесения пленок, откачки газов. Они экономичны, высокопроизводительны, универсальны. В некоторых случаях находят применение лазерные ионные источники, в которых разброс ионов по энергиям составляет 0,2…0,5 эВ, искровые ионные источники, позволяющие «получать многозарядные ионы, но отличающиеся невысокой стабильностью ионного тока; источники с тлеющим разрядом, в которых обеспечивается высокая плотность тока, но затруднено измерение энергии ионов и невелика глубина их проникновения.
Высокие энергии сообщаются ионам с помощью систем ускорения двух типов: в одиночном зазоре между двумя электродами и в многозазорных ускорительных секциях. Одиночные зазоры надежно работают при ускоряющих напряжениях 40 кВ, но при напряжении свыше 100 кВ в подобной системе ускорения появляются пробои. Более надежны многозазорные ускорительные секции, обеспечивающие постепенный рост энергии ионов в каждом зазоре на 15…20 кэВ. Для фокусировки ионов применяют электростатические линзы (одиночные, иммерсионные, диафрагмы с отверстием).
Для получения ионных пучков, содержащих определенный элемент, выполняют сепарацию общего потока, осуществляя взаимодействие движущихся ионов с магнитным и электрическим полями, с одновременным воздействием постоянного и переменного электрических полей. По скоростям поток фильтруют с помощью электростатических анализаторов. Разделение пучка осуществляют с помощью секторных магнитных систем, отклоняющих пучок на 60 или 90°. Разделительная способность секторных магнитов не уступает разделительной способности 180°-ных магнитов. Чтобы разделить ионы по массе, используют фильтр Винна — устройство со скрещенными ортогонально магнитным и электрическим полями. В некоторых масс-спектрометрах и сепараторах применяют квадрупольные фильтры масс. Преимуществами квадруполь-ного фильтра масс являются слабая зависимость разрешающей способности от энергетического разброса ионов, возможность анализа при повышенном давлении остаточного газа, крутые фронты пиков. Основной недостаток такого фильтра заключается в наличии возможности прохождения нерезонансных ионов. В некоторых установках применяют монопольные фильтры масс, к недостаткам которых относятся чувствительность к давлению остаточных газов и нестабильность работы.
Однородность имплантации обеспечивает система сканирования. В зависимости от необходимости отклонения пучка в одном или двух направлениях используют либо две параллельные пластины, либо последовательно по ходу движения пучка две пары взаимно перпендикулярных пластин. Имплантация ионов в мишень осуществляется в вакуумной камере. Точное измерение силы тока пучка проводится с помощью калориметра, цилиндра Фа-радея и кулонометра.
Вакуумная система обеспечивает непрерывное поступление газа или паров их ионного источника в приемную камеру с высоким
вакуумом (Ю-5 Па), который способствует лучшей фокусировке пучка, уменьшению дозы нейтральных атомов и загрязнения поверхности образцов. Откачку производят диффузионными насосами, турбомолекулярными насосами с соответствующими форвакуумными насосами, геттерным насосом, создающим форвакуум для сорбционных насосов. Тип насоса выбирают с учетом состава и количества газа, а также необходимости получения безмасляного вакуума.
Тенденции развития оборудования для нанесения покрытий связаны с расширением сфер и масштабов их практического применения. В связи с этим как в области газотермических, так и вакуумных методов нанесения покрытий наблюдается стремление к созданию высокоавтоматизированных и роботизированных комплексов, обеспечивающих, с одной стороны, высокую производительность установок, а с другой, — высокое качество наносимых покрытий за счет строгого контроля параметров режима напыления. При этом используется блочно-модульный принцип создания таких комплексов, который позволяет оперативно создавать их многообразные модификации. Другая тенденция, в частности газотермического нанесения покрытий, состоит в разработке мобильных установок и сборно-разборных комплексов с целью проведения работ по напылению покрытий по месту без демонтажа конструкций и оборудования и создания стационарных участков и цехов.
Пайка является уникальным процессом, позволяющим осуществлять соединение всех применяемых в технике металлических и многих неметаллических материалов при различных температурах, в различных средах, с применением разнообразных технологических способов, припоев и т. д.
Естественно, что среди множества технологических факторов, позволяющих обеспечить высокое качество соединения, особое место занимает нагревательное оборудование, обеспечивающее необходимый температурно-временной режим пайки. Передача тепловой энергии от носителя к паяемому изделию может осуществляться теплопроводностью, конвекцией, излучением или комбинацией этих способов. Нагрев соединяемых деталей может быть общим или локальным, поверхностным или объемным. Все это обусловливает наличие широкой гаммы методов нагрева паяемого изделия, а следовательно, огромное разнообразие устройств, позволяющих реализовать эти способы на практике.
Наиболее широкое распространение в промышленности нашло универсальное оборудование. Прежде всего, это различные паяльники, устройства для газопламенной и индукционной пайки, печи, обеспечивающие протекание процесса пайки на воздухе и в защитных средах, соляные ванны и др. Промышленное применение находит и более специализированное оборудование, позволяющее вести нагрев соединяемых деталей электронным или световым лучом, лазером, дуговым разрядом и др. Следует отметить, что и универсальность, и специализация оборудования варьируются в широких пределах. Выбор конкретного типа оборудования, степени его универсальности или специализации зависит от применяемых технологических процессов, припоев и программы выпуска изделий.
Оборудование для пайки можно классифицировать по разным критериям, основным из которых является способ получения тепловой энергии.
Электротермическое оборудование (ЭТО), применяемое для пайки, преобразует электрическую энергию в тепловую, а физико-химическое (ФХО) — в тепловую другие виды энергии.
В ЭТО сопротивления тепловая энергия выделяется при прохождении электрического тока через твердые или жидкие тела. При прямом нагреве паяемого изделия теплота выделяется в паяемых деталях, непосредственно включенных в электрическую цепь. При косвенном нагреве теплота выделяется в специальных нагревателях, включенных в электрическую цепь, и передается от них паяемому изделию по законам теплопередачи. Последняя может осуществляться за счет радиационного нагрева, конвекции газа (воздуха, защитного газа и др.), жидкости (расплавленного металла, флюса, соли и др.), теплопроводности в твердом теле и др.
В дуговом ЭТО тепловая энергия выделяется электрической дугой. При прямом нагреве дуга горит между электродом и паяемым изделием, теплота в основном выделяется в дуге; при косвенном дуга горит между электродами, а теплота к изделию передается излучением; при смешанном дуга горит между электродом и паяемым изделием, но значительная часть тепловой энергии выделяется в нагреваемом теле (расплав, шихта); при плазменном нагрев осуществляется в факеле плазмы, образованной при прохождении газа через дуговой разряд; при оптическом дуговом световая энергия дуги, горящей между электродами, передается к нагреваемому телу посредством оптических систем.
В индукционных ЭТО нагрев паяемого изделия происходит в результате выделения энергии высокочастотного электромагнитного тока. Индукционные ЭТО могут быть с магнито-проводом и без него. В первом случае нагреваемое тело охватывает замкнутую магнитную систему, образуя вторичный виток трансформатора, первичная обмотка которого включена в электрическую цепь. В индукционных ЭТО без магнитопровода паяемое изделие помещено непосредственно в электромагнитное поле катушки (индуктора), включенной в электрическую цепь, а нагрев происходит за счет индицирования вихревых токов.
В ионных ЭТО тепловая энергия выделяется при бомбардировке в вакууме паяемого изделия потоком ионов.
В электронно-лучевых ЭТО тепловая энергия выделяется при бомбардировке в вакууме паяемого изделия потоком электронов, эмитируемых катодом.
В лазерных ЭТО выделение теплоты в нагреваемом теле происходит при воздействии на последнее лазерных лучей.
Физико-химическое оборудование позволяет производить нагрев паяемого изделия за счет теплоты, выделяемой при протекании химических (горение) и экзотермических реакций, за счет энергии, освобождаемой при конденсации жидкости и др. Оборудование, применяемое для пайки, можно классифицировать по следующим признакам: по способу защиты поверхности соединяемых деталей от кислорода воздуха — в вакууме, защитных газах, под флюсом, в жидких теплоносителях и др.; по виду нагрева — поверхностный или объемный, локальный или общий.
Нагревательные устройства для пайки являются крупными потребителями электроэнергии. Наибольшее распространение для пайки получили электропечи сопротивления. Мощность их колеблется от долей киловатта до нескольких сотен киловатт. Печи мощностью свыше 20 кВт обычно выполняются трехфазными и подключаются к сетям напряжением 220, 380 и 500 В непосредственно или через трансформаторы. В этом случае коэффициент мощности близок к единице, распределение нагрузки по фазам в трехфазных печах симметричное.
Режим нагрузки зависит от технологического процесса и типа электропечи: в электропечах непрерывного действия непрерывный, в электропечах периодического действия цикличный. Чтобы обеспечить заданный температурный режим, мощность периодически снижают, иногда на очень короткое время, частично или полностью отключая нагрузку. Печи для процессов чувствительных к небольшим колебаниям температуры оснащают стабилизаторами напряжения. Внезапные пере- рывы в питании печей ведут к несоблюдению термического режима пайки. Кроме того, возможны серьезные повреждения агрегата. Вопрос о возможности отключения электропечей сопротивления в часы пик и при аварийных режимах решается с учетом технологического процесса и типа электропечи.
