Ушаков_ТПЭВМ (Л2-Ушаков - Технология производства ЭВМ (в ворде)), страница 13

Электронно-лучевая обработка применима для всех материалов (металлов, ферритов, стекла, алмазов, графитов и др.). Бла­годаря малому времени воздействия теплоты термическое влия­ние на периферийные области незначительно. Недостатком мето­да является сложность установки из-за необходимости иметь ва­куумную камеру.

Светолучевая обработка. Она основана на применении лазера, представляющего собой квантовый генератор (усилитель) коге­рентного излучения оптического диапазона. Слово «лазер» состав­лено из начальных букв английского словосочетания «усиление света вынужденным излучением». Он способен давать весьма узкие направленные пучки монохроматического и когерентного излучений, характеризующиеся очень высокой плотностью тепловой энергии. Температура в зоне действия луча доходит до 8000^СС.

Наиболее важным свойством лазерного излучения, используе­мого для технологических целей, является когерентность. При ко­герентном излучении волновые лучи, которыми называют не­сколько волн, идущих друг за другом, распространяются в одном направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом. Высокая степень когерентности проявляется также в малой расходимости ла­зерного луча. Когерентный лазер­ный луч может быть сфокусирован в пятно диаметром порядка длины световой волны (1... 10 мкм). Используя фокусиров­ку, можно повысить интенсив­ность лазерного излучения.

В зависимости от рода актив­ного материала различают лазе­ры на основе твердого тела (твердотельные), газовые и жид­костные.

В твердотельных лазе­рах в качестве активного элемента используют диэлектрики (рубин, стекло с добавками неоди­ма, алюминоиттриевый гранат и др.) или полупроводники (напри­мер, арсенид галлия). Лазеры, построенные на диэлектриках, име­ют малый энергетический КПД (0,01...0,1%), а лазеры на полу­проводниках— 1...4%.

В газовых лазерах в качестве активного вещества ис­пользуют смесь газов или один газ. Газовые лазеры (на азоте, оксиде углерода) могут использоваться для размерного испаре­ния материалов (например, в технологии подгонки тонкопленоч­ных резисторов интегральных схем). Их основное преимущество — непрерывное излучение, что улучшает качество обработки по срав­нению с твердотельными импульсными лазерами. Недостатком газовых лазеров является малая выходная мощность.

В жидкостных лазерах в качестве активного вещества используют неорганические жидкости. Преимуществом жидкост­ного лазера является возможность циркуляции в нем жидкости для охлаждения. Это позволяет получать большие энергии и мощ­ности излучения в импульсном и непрерывном режимах. При большом разнообразии конструкций у всех лазеров имеются об­щие функциональные элементы.

Лазер на основе синтетического рубина показан на рис. 9.5. Он представляет собой оксид алюминия, в котором некоторые^; из атомов алюминия заменены атомами хрома (до 0,05%), явля­ющимися активными центрами. Рубиновый стержень изготовляют из монокристалла, получен­ного выращиванием в плазменной индукционной печи. Диаметр стержня 2 ... 20 мм, длина 80 ... 200 мм.

Т орцы рубина / отполированы и представляют собой зеркала. Один торец покрыт плотным непрозрачным слоем серебра, а другой (со стороны линзы 4) име­ет коэффициент пропускания около 8%. Линза 4 формирует испускаемое излучение и нап­равляет его к обрабатываемо­му изделию .

Непрозрачные и полупро­зрачные покрытия могут изго­товляться и из других тепло­стойких материалов с хорошей отражательной способностью. Шероховатость на плоских по­лированных торцах должна быть не более 0,1 длины вол­ны желтой линии натрия, па­раллельность торцевых поверх­ностей 2, а отклонение от уг­ла 90° между торцевыми плос­костями и продольной осью стержня не более ±1'. Рубин и импульсная лампа вспыш­ки 5 устанавливаются в каме­ре 2. Внутренняя поверхность камеры отполирована и явля­ется отражателем света. За­рядный агрегат 6 состоит из батареи конденсаторов 7. При помощи пускового устройства 8 происходит разряд конденсаторов и появляется вспышка све­та длительностью 10~³ с. Свет фокусируется на рубиновом стерж­не, в результате чего атомы хрома переходят на более высокий энергетический уровень (рис. 9.6).

Под воздействием фотона атом, находящийся на верхнем уровне (возбужденный атом), может перейти на прежний (ниж­ний) уровень. При этом появится новый фотон (вторичный). Пе­реход атома на прежний уровень может происходить и за счет релаксационных процессов, стремящихся возвратить систему в равновесное состояние. Такой переход называется самопроизволь­ным или спонтанным, который имеет случайный характер. Если большинство атомов окажется на верхнем уровне, то будут про­исходить процессы индуцированного (вынужденного) излучения.

Основной задачей при создании квантовых генераторов является получение инверсного состояния, т. е. такого, когда число атомов на верхнем уровне превышает их число на нижнем уров­не. Луч света, образовавшийся в результате возвращения атомов в исходное состояние, проходя вдоль оси рубина и многократно отражаясь, достигает большой интенсивности и проходит через полупрозрачный торец рубина.

Лазерную технологию широко используют при производстве электронных устройств, для получения отверстий малого размера в твердых материалах (ферритах, стекле и др.), сварки, термооб­работки, скрайбирования, маркировки и ряда других процессов.

Важной особенностью светолучевой сварки является малая длительность термического цикла, что обеспечивает возможность обработки материалов, особенно чувствительных к воздействию теплоты. Краткость импульсов предотвращает возможность полу­чения крупнозернистой структуры и окисления металлов.

Возможность точной дозировки энергии делает этот метод особенно перспективным для сварки монтажных соединений в интегральных микросхемах. При этом возможна сварка через прозрачные оболочки, которые не являются препятствием для све­тового луча.

Сварка световым лучом имеет достаточно высокую произво­дительность. Ее можно выполнять на воздухе, в атмосфере инерт­ных газов и вакууме. При этом не требуется защиты обслужива­ющего персонала от рентгеновского облучения, вследствие чего оборудование значительно упрощается.

В производстве интегральных микросхем широко используют процесс скрайбирования, который заключается в нанесении на поверхность материала канавок, после чего материал легко рас­калывается. Замена механического алмазного скрайбирования полупроводниковых пластин на лазерное скрайбирование или рез­ку обеспечивает высокую производительность процесса и высокое качество выполнения операции.

Лазеры широко применяют при маркировке хрупких изделий малых размеров и для зачистки монтажных проводов. В послед­нем случае обеспечивается высокая чистота поверхности и не оказывается вредное влияние на металл токопроводящей жилы (не образуются «задиры» материала и др.).

Отечественная промышленность выпускает ряд лазерных уста­новок для обработки материалов:

«Кристалл-6»—для сверления и фрезерования феррита, кера­мики, ситалла, рубина и др. Диаметр отверстий 0,1 ... 0,6 мм, глубина 3 мм. Ширина обрабатываемого паза 0,05 ... 0,2 мм, точность обработки по 7—8-му квалитетам;

«Квант-50»—для пайки интегральных микросхем на печатные платы, резки, сварки и термоупрочнения металлических деталей. Предусмотрена возможность использования устройств с програм­мным управлением.

9.3. Обработка ультразвуком

Ультразвуковая обработка представляет собой ударно-абра­зивный метод обработки твердых и хрупких материалов. Она осуществляется (рис. 9.7) инструментом 1, колеблющимся с уль­тразвуковой частотой 18... 20 кГц. Под торец инструмента по­дается водная суспензия абразивного порошка. Зерна абразива 2, «вбиваемые» инструментом в заготовку 3, скалывают материал мелкими частицами, которые вместе с раз­мельченным абразивом уносятся жидкостью. Если же инструмент ударяет по свободно ви­сящему в жидкости зерну абразива, то выка­лывания частиц материала изделия не проис­ходит.

Кавитационные явления сообщают зернам абразива скорости, в десятки раз меньшие, чем инструмент в момент удара по зернам, но кавитация усиливает циркуляцию суспен­зии, что способствует попаданию свежего аб­разива в зону обработки, а также удалению сколотых частиц и разрушенных зерен абра­зива.

Этим методом хорошо обрабатываются

твердые и хрупкие материалы: керамика, кварц, рубин, алмаз, кремний, твердые сплавы и др. Для обработки твердых сплавов инструмент целесообразно изготовить из стали 45 с последующей закалкой до твердости HRC 48...56. При точной обработке приме­няют инструмент из незакаленной стали, так как при закалке мо­жет произойти его деформация. Шаржирование поверхности ин­струмента абразивными зернами не влияет на обработку.

Максимальная скорость съема материала по обработке стекла составляет 9000 мм³/мин, а по твердому сплаву — 200 м³/мин.

Вязкие материалы (например, сталь незакаленная) плохо обра­батываются ультразвуковым способом, так как под ударами зе­рен абразива не происходит сколов материала изделия, а зерна просто внедряются в обрабатываемый материал.

Производительность ультразвуковой обработки зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, зерни­стости абразива, состава абразивной суспензии, амплитуды коле­баний инструмента и др.

Оптимальная величина зерен абразива составляет 110 мкм, причем максимальная производительность достигается при кон­центрации абразива 30 ... 40% от общей массы суспензии.

Скорость обработки растет пропорционально квадрату ампли­туды. В настоящее время максимальные амплитуды колебаний принимают в 45 ... 50 мкм. Дальнейшее увеличение амплитуды приводит к быстрому усталостному разрушению инструмента.Точность и частота обработанной поверхности при ультразву­ковой обработке в основном зависят от величины зерен абразива в суспензии.

При использовании суспензии с зернами карбида бора № 10 (100 мкм) можно получить шероховатость поверхности Ra 1,25 мкм, а точность — 0,06 мм. Применение абразива № 3 дает воз­можность повысить точность до 0,02 мм при шероховатости по­верхности Ra 0,32 мкм. Однако производительность при этом уменьшается примерно в 10 раз. Наиболее целесообразно ультра­звуковую обработку применять для обработки изделий из твер­дых сплавов (глухие отверстия штампов, пресс-форм и др.), рез­ки германия и кремния, обработки алмазных и твердосплавных фильер, ферритовых плат и др.

9.4. Электрохимическая обработка

Электрохимическая размерная обработка основана на явлении анодного растворения металла и удаления продуктов электрохимической реакции с обраба­тываемой поверхности. Ее применяют для обработки токопроводящих материа­лов.

При этом отсутствуют высокие давления и темпе­ратуры, а следовательно, и структурные изменения в по­верхностном слое.

Производительность об­работки не зависит от раз­меров деталей. Достижимая точность обработки состав­ляет 12... 18 мкм, а шероховатость поверхности Ra 0,08 мкм.

Основные разновидности электрохимической обработки: анодно-гидравлическая в проточном электролите, электрохимическое полирование в неподвижном электролите и анодно-механические способы чистовой обработки.

Анодно-гидравлическая обработка в проточном электролите была предложена В. Н. Гусевым в 1952 г. Анодное растворение происходит без образования механически прочных анодных пленок, вследствие чего удаление продуктов электролиза осуществляется в результате принудительного интенсивного протока электролита (водный раствор соли: нейтральной, кислой или щелочной). Интен­сивность съема металла может доходить до 400 мм³/мин.

При анодно-гидравлическом сверлении (рис. 9.8, а) инструмен­том служит медная трубка, изолированная снаружи. Под давлени­ем вытекающего электролита между торцевой поверхностью трубки и детали образуется зазор, исключающий замыкание электро­дов. При прохождении электрического тока через электролит про­исходит растворение металла детали. Продукты электролиза уда­ляются электролитом. По мере растворения изделия трубка уг­лубляется в деталь, поддерживая постоянство межэлектродного зазора.

Примером формообразования более сложных поверхностей мо­жет служить операция изготовления кольцевых канавок (рис. 9.8, б). Деталь 1подключена к положительному источнику тока, а инструмент 2 — к отрицательному.

Анодно-гидравлическую обработку целесообразно применять для снятия заусенцев у деталей сложной формы (мелкомодульные шестерни, храповые колеса и др.). Механическое удаление за­усенцев является весьма трудоемкой операцией и не обеспечивает высокого качества деталей. При анодно-гидравлической обработке удаляются мельчайшие заусенцы и значительно повышается про­изводительность труда. В практике находят применение анодно-механическое шлифование наружных цилиндрических поверхностей и чистовая обработка плоскостей.

Примечание В настоящее время используют комбинированные методы обработки, у которых анодное растворение металла сочетается с эрозионным или ультразвуковым разрушением, а продукты реакции удаляются с обрабаты­ваемой поверхности механическим путем и выносятся из рабочей зоны пото­ком электролита.