RS49852B - Postupak za izradu jednog izvora isparavanja - Google Patents

Abstract

Postupak za izradu jednog izvora isparavanjaj za fizičko razdvajanje pare, koji se sastoji od jednog bloka, koji pored jedne ili više komponenata sadrži jednu aluminijumsku komponentu i takodje jednu zadnju ploču povezanu sa blokom, koja je izradjena od materijala bolje toplotne provodljivosti od bloka, pri čemu se blok izradjuje hladnim presovanjem mešavine pojedinačnih komponenata u obliku praha, a potom se uz tečenje obradjuje oblikovanjem na temperaturi ispod tačke topljenja pojedinačnih komponenata do dostizanja gustine od najmanje 98% teoretske gustine, naznačen time, što se zadnja ploča, koja se takodje sastoji od praškastog polaznog materijala spaja zajedno sa komponentama blokla i to slaganjem slojeva jedne praškaste frakcije preko druge, a zatim presuje i dalje obradjuje.

Description

Pronalazak se odnosi na postupak za izradu jednog izvora isparavanja za fizičko razdvajanje pare, koji se sastoji od jednog bloka koji pored jedne ili više drugih komponenata ima jednu aluminijumsku komponentu i jednu zadnju ploču, povezanu sa blokom, od materijala bolje toplotne provodljivosti od bloka, pru čemu se blok izrađuje hladnim presovanjem mešavine pojedinačnih komponenata u obliku praška i potom obradom na temperaturama ispod tačke topljenja pojedinačnih komponenata uz tečenje do dostizanja gustine od najmanje 98% od teoretske gustine.

Metalizacioni blokovi za fizičko razdvajanje pare danas se koriste u velikom obimu za izradu raznih slojeva. Primena se kreće od obloga otpornih na habanje i na koroziju za različite materijale podloga, pa do izrade slojevitih kompozitnih materijala naročito u industriji poluprovodnika i u elektronskoj industriji. Zbog ovako širokog spektra primene moraju se najrazličitiji materijali za oblaganje razdvajati.

Problem je u tome, što se, kada se različiti materijali moraju istovremeno raspršivati, kod izrade legura na konvencionalan način obrazuju krte, neobradive međumetalne faze, tako da se te legure više ne mogu oblikovati ni toplim ni hladnim presovanjem, a samo se mogu uz veliki trošak obrađivati skidanjem strugotine. Izrada metalizacionih blokova od ovih legura zbog toga je veoma skupa ili čak nemoguća.

Tako, na primer, u ove problematične materijale spadaju legure aluminijuma i titana i mogu se pogodno obrađivati u metalizacione blokove samo na napred pomenut način.

Ovaj je postupak opširno opisan u AT PS 388 752.

Metalizacioni blokovi se obično u postrojenjima za metalizovanje rasprši-vanjem mehanički pričvršćuju na vodom hlađene bakarne podloge kako bi se snizila temperatura površine. U većini slučajeva leži metalizacioni blok, koji je načinjen od materijala koji treba da se rasprši, neposredno na bakarnoj podlozi.

Da bi se što je moguće više materijala raspršilo jednim metalizacionim blokom, teži se tome da se metalizacioni blokovi izrađuju sa što je moguće većom konstrukcijskom visinom. Pri tome treba paziti da sa povećanjem konstrukcijske visine povećani otpor metalizacionog bloka ne bude suviše velik, tako da temperatura površine metalizacionog bloka ostane na dozvoljenim vrednostima.

Kako veliki deo materijala koji treba đa se rasprše ili ima srazmerno dobru toplotnu provodljivost i/ih može imati relativno visoku površinsku temperaturu a da ne dođe do nekih problema, postojeća su postrojenja za metalizovanje raspršivanjem podešena na relativno velike konstrukcijske visine metalizacionih blokova, tako da se u tim postrojenjima metalizacioni blokovi manje konstrukcijske visine mogu koristiti samo uz velike teškoće. Posebno se aluminijum zbog svoje izvanredne toplotne provodljivosti vrlo često koristi u svrhe nanošenja slojeva tehnikom metalizacije raspršivanjem, tako da su mnoga postrojenja za metalizovanje raspršivanjem podešena, pored konstrukcijske visine metalizacionih blokova, i na dobru toplotnu provodljivost aluminijuma.

U ovim postrojenjim za nanošenje slojeva javljaju se problemi kada treba da se aluminijum rasprši zajedno sa materijalima koji imaju relativno lošu toplotnu provodljivost i koji istovremeno kod procesa metalizovanja raspršavanjem ne smeju imati suviše visoke površinske temperature kako bi se sprečile neželjene reakcije između više komponenata metalizacionih blokova. Aluminijum se često koristi sa titanom i eventualno dodatnim komponentama u svrhe nanošenja slojeva za zaštitu od habanja.

Kod metalizacionih blokova od ovih materijala već i male količine titana znatno pogoršavaju dobru toplotnu provodljivost aluminijuma. Zbog toga može kod ovih metalizacionih blokova, kada su izrađeni sa konstrukcijskim visinama uobičajenim za postrojenja za metalizovanje raspršivanjem, kod velikih brzina nanošenja doći do tako visokih površinskih temperatura, da nastane jedna egzotermna reakcija koja dovodi do razaranja bloka.

Međutim, i drugi materijali koji se raspršuju zajedno sa aluminijumom pomoću metalizacionih blokova mogu biti kritični i izazvati probleme u toku nanošenja slojeva. Za elektronske primene mogu, na primer, doći u obzir kombinacije aluminijuma sa Ta, Nd ili Y, dok se za optičke i magnetne memorije često koriste kombinacije aluminijuma sa Ni i Cr.

Kod primene za zaštitu od habanja, kada jedna od komponenata deluje kao suvo mazivo, koriste se, na primer, kombinacije aluminijuma sa Sn, Zn, Ag, W, Mo, često povezane sa dodatnim udelom Ti.

Kako bi se kod svih ovih kritičnih materijala u navećoj mogućoj meri otklonili pomenuti problemi, danas se mora brzina isparavanja ograničiti kako se ne bi dozvolilo da površinska temperatura previše poraste.

Jedna mogućnost da se površinska temperatura ovih kritičnih metalizacionih blokova i kod velikih brzina nanošenja slojeva snizi bez menjanja kostru-kcijske visine, jeste da se na metalizacioni blok u području zone dodira sa vodom hlađenom bakarnom podlogom postavi jedna zadnja ploča od materijala dobre toplotne provodljivosti i da se ta zadnja ploča mehanički pričvrsti na bakarnu podlogu.

Postupci za izradu ovakvih izvora isparavanja, kod kojih je zadnja ploča spojena sa metalizacionim blokom lemljenjem ili difuznim lepljenjem, opisani su, na primer, u WO 00/22185 ili u US 5 397 050.

Kod ovako izrađenih izvora isparavanja nepovoljno je to da se između bloka i zadnje ploče može pojaviti jedna prelazna zona loše toplotne provodljivosti, koja ne obezbeđuje optimalno odvođenje toplote sa površine metalizacionog bloka u zadnju ploču i dalje u hlađenu bakarnu podlogu.

Kako temperatura na površini metalizacionog viša za samo neki stepen izaziva poremećaj svojstava raspršivanja, treba takve prelazne zone sa lošom toplotnom provodljivošću po mogućnosi izbeći.

Zbog toga je zadatak ovog pronalaska da se ostvari jedan postupak za izradu jednog izvora isparavanja za fizičko odvajanje pare, kod koga će metalizacioni blok, koji sadrži aluminijum, biti povezan sa zadnjom pločom bez obrazovanja prelazne zone sa lošom toplotnom provodljivošću.

To se prema pronalasku postiže tako što se zadnja ploča od praškastog polaznog materijala zajedno sa komponentama bloka u jedna preko druge naslaganim frakcijama praška presuje i potom obrađuje.

Na taj se način može ostvariti izvanredna veza između materijala bloka i zadnje ploče, a da pri tome ne dođe do obrazovanja prelazne zone sa lošom toplotnom provodljivošću, tako da se postiže izvanredan odvod temperature sa povTŠine metalizacionog bloka u zadnju ploču a potom u vodom hlađenu bakarnu podlogu. Kako se metalizacioni blok povezuje sa vodom hlađenom podlogom po pravilo zavrtnjima ili steganma, logično je da se deo bloka koji se ionako više ne može raspršivati izvede kao zadnja ploča, tako da je pri istoj konstrukcijskoj visini u poređenju sa mehanizacionim blokom bez zadnje ploče na raspolaganju ista efektivna količina isparljivog materijala.

Da bi se ostvarila posebno dobra veza materijala bloka sa zadnjom pločom, treba da se blok sastoji od najmanje 15% atoma aluminijuma.

Metalizacioni blokovi kod kojih se pronalazak može ostvariti na posebno pogodan način jesu blokovi načinjeni od 15% atoma aluminijuma i 85% atoma titana.

Kao posebno pogodan materijal za zadnju ploču izvora isparavanja jeste čisti aluminijum koji ima izvanrednu toplotnu provodljivost. Kako je aluminijum relativno mek, može se mehaničkim spajanjem sa vodom hlađenom bakarnom podlogom ostvariti dobra prelazna zona sa malim toplotnim otporom. Pri tome šteta za raspršen sloj nije suviše velika ako nepažnjom dođe do isparavanja kroz materijal bloka pa se tako jedan određeni deo zadnje ploče rasprši. Pored aluminijuma pogodni su za zadnju ploču i drugi materijal sa dobrom toplotnom provodljivošću, na primer bakar.

Postupak koji se dobro pokazao da bi se kod obrade otpresaka postiglo tečenje materiala jeste kovanje u kovačkoj presi.

Ako je blok načinjen od aluminijuma-titana, na primer 15% atoma aluminijuma i 85% atoma titana, dobro se pokazalo da se kovanje vrši na temperaturi između 400°C i 450°C.

Istiskivanje je drugi postupak kojim se može najpogodnije izvesti obrada otpresaka uz tečenje materijala. Prednost je ove varijante postupka izrade prema pronalasku u tome, što se od istisnutog materijala mogu odvojiti metalizacioni blokovi različitih konstrukcijskih visina.

Dalje će postupak biti detaljnije objašnjen preko primera izvođenja.

PRIMER 1

Izvor isparavanja oblika okrugle ploče, prečnika 63 mm i ukupne visine 32 mm, sastoji se od jednog metalizacionog bloka visine 20 mm, načinjenog od 50% atoma aluminijuma i 50% atoma titanijuma i jedne zadnje ploče od aluminijuma, debljine 12 mm, Čvrsto spojene sa metalizacionim blokom, načinjen je postup-kom prema pronalasku na sledeći način.

Aluminijumski prah i prah titana za metalizacioni blok, prosečne veličine zrna od 30/xm, mešani su u vibracionoj mešalici.

U dvodelnom kalupu jedne hidraulične prese, koji s obzirom na krajnje dimenzije izvora isparavanja ima dovoljno veće dimenzije, prvo se donji deo kalupa ispuni čistim aluminijumskim prahom srednje veličine zrnaca od 30pirapa se punjenje praška glatko poravna. Potom se postavi gornji deo kalupa prese i napuni pomešanim prahom aluminijuma i titana, mešavina praškova se opet glatko poravna i punje kalupa se hladno presuje u sirov otpresak sa 94 % njegove teoretske gustine.

Otpresak će se naknadno sabiti u kovačkoj presi sa poluotvorenim kalupom i temperaturom kalupa od oko 200°C sa ukupno pet radnih hodova uz tečenje odnosno gnječenje pojedinačnih komponenata.

Pri tome će otpresak pre naknadnog sabijanja i između pojedinačnih radnih hodova biti u jednoj peći za predgrevanje doveden na temperaturu između 400°C i 450°C. Tokom kratkih vremena oblikovanja i niskih temperatura oblikovanja nije bila potrebna zaštita od oksidacije, tako da se naknadno sabijanje moglo vršiti u nepoznatom stanju.

Najzad je izvor isparavanja mehaničkom obradom doveden na krajnje dimenzije.

Od prelazne zone između materijala metalizacionog bloka i materijala zadnje ploče načinjena je strukturna veza.

Na slici 1 prikazana je ta prelazna zona sa uvećanjem od 100 puta.

Jasno se može videti apsolutno homogen prelaz između materijala metalizacionog bloka i materijala zadnje ploče bez obrazovanja ometajućeg međusloja sa smanjenom toplotnom provodnošću.

PRIMER 2

Radi poređenja izrađen je izvor isparavanja u obliku kružne ploče sa istim dimenzijama kao i u primeru 1. Za razliku od primera 1, izvor isparavanja se sastoji u potpunosti od jednog metalizacionog bloka od 50% atoma alumiijuma i 50% atoma i nema aluminijumsku zadnju ploču. Izrada metalizacionog bloka izvedena je sa istim parametrima izrade kao i u primeru 1.

PRIMER 3

Radi poređenja izrađen je izvor isparavanja koji se sastoji od metalizacionog bloka i jedne zadnje ploče sa istim dimenzijama i istom kombinacijom materijala kao u primeru 1. Za razliku od primera 1, izvor isparavanja nije izra-đen istovremenom obradom praškastih polaznih materijala. Zadnja ploča je načinjena sa istim dimenzijama nezavisno od metalizacionog bloka od jednog bakarnog poluproizvoda izrađenog metalurgijom topljenja pa je korišćenjem jednog međusloja od indijuma povezana lepljenjem sa gotovim metalizacionim blokom izrađenim metalurgijom praška, koji je načinjen sa istim dimenzijama kao u primerul.

Izvori isparavanja prema primerima 1 i 3 ugrađivani su jedan za drugim u jedno ACR postrojenje za isparavanje i pod istim, inače uobičajenim, uslovima nanošenja sloja bili su aktivirani sa ACR jačinom struje od 60 A, što odgovara toplotnoj struji od 0,7 MW/m<2>, i pri tome je određivana površinska toplota pojedinačnih metalizacionih blokova.

Pri tome su posle vremena metalizovanja od oko 2 minuta dobijene sledeće površinske temperature: Prema pronalasku izrađen izvor isparavanja iz primera 1 imao je površinsku temperaturu od 315°C.

Metalizacioni blok bez zadnje ploče izrađen prema primeru 2 imao je najvišu površinsku temperaturu od 420°C.

Prema primeru 3 izrađen izvor napajanja sa nalepljenom zadnjom pločom imao je površinsku temperaturu od 395°C.

U odnosu na primer 1, izrazito viša površinska temperatura, uprkos kori-šćenja jedne zadnje ploče istih dimenzija, jasno ukazuje na krajnje nepovoljno delovanje međusloja od indijuma potrebnog za lepljenje sa smanjenom toplotnom provodljivošću.

Kako za nekoliko stepena snižena površinska temperatura metalizacionog bloka donosi poboljšanje svojstava raspršivanja, dokazane su enormne prednosti izvora isparavanja u odnosu na izvore isparavanja koji odgovaraju postojećem stanju tehnike.

Claims (6)

1. Postupak za izradu jednog izvora isparavanja za fizičko razdvajanje pare, koji se sastoji od jednog bloka, koji pored jedne ili više komponenata sadrži jednu aluminijumsku komponentu i takodje jednu zadnju ploču povezanu sa blokom, koja je izradjena od materijala bolje toplotne provodljivosti od bloka, pri čemu se blok izradjuje hladnim presovanjem mešavine pojedinačnih komponenata u obliku praha, a potom se uz tečenje obradjuje oblikovanjem na temperaturi ispod tačke topljenja pojedinačnih komponenata do dostizanja gustine od najmanje 98% teoretske gustine, n a z n a č e n t i m e, što se zadnja ploča, koja se takodje sastoji od praškastog polaznog materijala spaja zajedno sa komponentama blokla i to slaganjem slojeva jedne praškaste frakcije preko druge, a zatim presuje i dalje obradjuje.

2. Postupak za izradu jednog izvora isparavanja za fizičko razdvajanje pare prema zahtevu 1, n a z n a č e n t i m e, što se blok sastoji od najmanje 15% atoma aluminijuma.

3. Postupak za izradu jednog izvora isparavanja za fizičko razdvajanje pare prema zahtevu 2, n a z n a č e n t i m e, što blok kao drugu komponentu obuhvata 85% atoma titana.

4. Postupak za izradu jednog izvora isparavanja za fizičko razdvajanje pare prema jednom od zahteva 1 do 3, n a z n a č e n t i m e, što se kao materijal za zadnju ploču koristi aluminijum.

5. Postupak za izradu jednog izvora isparavanja za fizičko razdvajanje pare prema jednom od zahteva 1 do 4, n a z n a č e n t i m e, što se oblikovanje vrši kovanjem u kovačkoj presi ili pomoću prese za istiskivanje.

6. Postupak za izradu jednog izvora isparavanja za fizičko razdvajanje pare prema zahtevu 5, n a z n a č e n t i m e, što se oblikovanje kovanjem u kovačkoj presi kao i oblikovanje u presi za istiskivanje vrši na temperaturi izmedju 400° i 450°C.