ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ
ОРЛОВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТЭЛЕКТРОНИКИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Кафедра:Проектирование и технология электронных и вычислительных систем
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ
Подисциплине «Материаловедение и материалы ЭС»
Темаработы: «Технология изготовления плат толстопленочных ГИС»
Выполнил
Студент группы 31B Журавлев Е. Ю
Проверил
ПреподавательКосчинская Е. В
Орел, 2010г.
Введение
Под керамикой понимаютбольшую группу диэлектриков с разнообразными свойствами, объединенных общностьютехнологического цикла.
Слово «керамика»произошло от греческого «керамос», что значит «горшечная глина». Раньше всематериалы, содержащие глину, называли керамическими. В настоящее время подсловом «керамика» понимают не только глиносодержащие, но и другиенеорганические материалы, обладающие сходными свойствами. При изготовлении изних изделий требуется высокотемпературный обжиг.
1. Аналитический обзор
Для современнойрадиоэлектроники важное значение имеют керамические диэлектрики, которымприсущи многие положительные свойства: высокая нагревостойкость, отсутствие убольшинства материалов гигроскопичности, хорошие электрические характеристикипри достаточной механической прочности, стабильность характеристик инадежность, стойкость к воздействию излучения высокой энергии, развитию плесении поражению насекомыми. Сырье для производства основных радиокерамических,изделий доступно и дешево.
Преимуществом керамикиявляется возможность получения заранее заданных характеристик путем изменениясостава массы и технологии производства. Некоторые керамические диэлектрикиблагодаря определенным свойствам позволяют наиболее просто решать ряд задачновой техники. Это относится к сегнетокерамике, пьезокерамике и керамическимэлектретам.
При массовомпроизводстве керамических изделий основные операции технологического процессамогут быть полностью автоматизированы. Существенным достоинством керамическогопроизводства является отсутствие ограничений на изготовление изделийнеобходимой формы и габаритов.
В общем случаекерамический материал может состоять из нескольких фаз. Основными фазами являютсякристаллическая (одна или несколько) и стекловидная. Кристаллическую фазуобразуют различные химические соединения или твердые растворы этих соединений.Основные свойства керамики — диэлектрическая проницаемость, диэлектрическиепотери, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность— во многом зависят от особенностей кристаллической фазы.
Стекловидная фазапредставляет собой прослойки стекла, связывающие» кристаллическую фазу.Технологические свойства керамики температура спекания, степень пластичностикерамической массы при формовании — определяются в основном количествомстекловидной
2. Разработкатехнологического маршрута/>
/>
— Получениесырья
В качестве основныхсырьевых материалов для изготовления дешевых керамических изделий электроннойтехники, к электрофизическим параметрам которых предъявляются невысокиетребования, используются традиционные материалы (глина, полевой шпат, кремнезем,каолин и др ). К ним применяют упрощенные способы очистки для удалениязагрязнений, попадающих в массу при технологической переработке При измельчениив массу попадают железистые примеси, которые удаляются последующей промывкойсмеси раствором соляной кислоты. С той же целью часто применяютсяэлектромагнитная сепарация, водная промывка, гидравлическая сепарация тяжелымижидкостями и флотационное обогащение
Основные исходныекомпоненты, предназначенные для изготовления ответственных изделий электроннойтехники, представляют собой химические реактивы высокой чистоты Основныетребования к сырьевым материалам — стабильность химического состава (т. екачественное и количественное постоянство максимально допустимых примесей) истабильность физико-химического состояния. Последнее характеризует реакционнуюспособность этих материалов и качественно определяется состоянием поверхностичастиц, дефектностью кристаллической решетки, процентным соотношениемполиморфных модификаций. От этих факторов существенно зависит скорость синтезакерамики В большинстве случаев отмеченные свойства поставляемых химическихпродуктов не отвечают требованиям соответствующего керамического производства;обычно они вообще не регламентируются действующими стандартами и техническимиусловиями и, следовательно, могут быть непостоянными. Поэтому в технологиюкерамического производства в этих случаях необходимо включать процессыпредварительной термообработки исходных материалов (прокаливание доопределенных температур, иногда плавление) и эффективные методы весьма тонкогоизмельчения, часто сопровождаемого изменением строения частиц диспергируемогоматериала.
Для получениявысокоплотной керамики необходимо, чтобы исходные компоненты имели достаточномалый размер частиц, не более нескольких микрометров. Поэтому исходные сырьевыематериалы для керамического производства, имеющие вид кусков разных размеров сразличными физическими свойствами, подвергаются операции измельчения дополучения необходимого гранулометрического состава. Сверхтонкая дисперсностьизмельченного материала (до размеров частиц 0,5—5 мкм) обеспечивает интенсивнуюактивацию порошкообразных материалов, что приводит к интенсификации процессовтвердофазного спекания керамики за счет протекания механохимических реакций.При проведении процессов сверхтонкого диспергирования необходимо учитывать, чтомеханическое воздействие на материал может вызвать ряд следующихфизико-химических процессов: химическое разложение некоторых соединений(нитратов, галогенатов, оксалатов); диссоциацию карбонатов с выделениемуглекислоты, а в случае сложных карбонатов — их предварительное разложение напростые карбонаты; разрушение кристаллической решетки и амортизацию материала;протекание обменных реакций в ионных соединениях; синтез новых соединений; изменениефизико-химических свойств соединений (термодинамических параметров,растворимости, гигроскопичности и др.). Протекание этих процессовобусловливается главным образом за счет тепловыделения в местах значительногомеханического воздействия, нарушения упорядоченности кристаллической решетки ивлияния воды, адсорбированной частицами.
Гранулометрическийсостав сырьевых материалов влияет на физико-химические, механические итермические свойства керамических изделий, особенно когда их изготовляют изнепластичных масс. Присутствие в шихте мелких фракций непластичных исходныхматериалов увеличивает контактную реакционную поверхность, что в процессеобжига повышает прочность и плотность изделий, но снижает их термостойкость. Засчет повышения содержания крупных фракций структура изделия становится болеерыхлой, увеличиваются пористость и термостойкость.
— Получениедиэлектрических слитков
Изостатическоепрессование
/>
Этот метод основан навсестороннем обжатии засыпанного в эластичную форму пресс-порошка илипредварительно оформленной каким-либо другим способом заготовки давлениемжидкости или сжатого газа. Изостатическое прессование в резиновых формах путемприложения гидростатического давления жидкости называют гидростатическимпрессованием. Этот способ позволяет получать наиболее плотные и однородныезаготовки сложной конфигурации. В этом случае равномерные уплотняющие усилия исоответственно равноплотность всех участков прессуемого изделия обеспечиваютсявсесторонним приложением давления от нагнетаемой жидкости к прессуемому изделиючерез эластичную резиновую оболочку. При гидростатическом прессованииустраняются потери давления на трение о стенки формы, в результате чего изделияхорошо пропрессовываются и имеют меньшие внутренние напряжения, чем приизготовлении их другими способами. При этом важным условием получениявысококачественных плотных заготовок является равномерная укладка гранулпресс-порошка (желательно изометрической конфигурации) в форме и полноеудаление воздуха может производиться как предварительное до начала прессования,так и в процессе прессования, например вакуумированием. Гидростатическоепрессование в резиновых формах производится для различных материалов в широкоминтервале давлений жидкости 10—103 МПа.
Особенности процессагидростатического прессования рассмотрим на примере получения заготовок длявысоковольтных конденсаторов (рис. 7.7).
В решетчатый илисетчатый каркас-ограничитель 3, служащий для крепления формы и придания ейжесткости во время засыпки пресс-порош ком, помещается резиновая форма 5. Спомощью крепежного и уплотняющего устройства 6 она прижимается так, чтобыпространство в прессовочной камере вне формы было изолировано от атмосферы.Далее производится откачка воздуха из этого пространства, в результате чегорезиновая форма прижимается к каркасу-ограничителю и принимает конфигурацию,соответствующую конфигурации заготовки с учетом коэффициента уплотненияпресс-порошка. После установления в форму сердечника 7, формирующего внутреннююполость заготовки, производится засыпка пресс-порошка при одновременномвоздействии на систему вертикально направленной вибрации. Форма закрываетсякрышкой 8 с уплотнением 6 и производится вакуумирование ее внутренней части спресс-порошком. Далее на стадии прессования пространство вне формы отключают отвакуумной системы и его заполняют гидравлической жидкостью Жидкость, давя наформу со всех сторон, обжимает ее, прессуя заключенный в форме пресс-порошокпри одновременном его вакуумировании.
Удалениетехнологической связки
/>
Рис 7 8-Температурно-временной режим процесса удаления связки из заготовки
Основной задачей этогоэтапа является подготовка заготовки к спеканию. Конфигурация заготовки при этомдолжна остаться без изменения Удаление связки производят повышением температурызаготовки, что приводит к снижению вязкости и структурно механической прочностисистемы, из которой сделана заготовка. В результате этого заготовка приопределенной температуре может начать деформироваться под действием собственноймассы. Для предотвращения этого удаление связки из заготовки необходимопроизводить по специально подобранному температурно-временному режиму, причемначало удаления связки должно происходить при относительно низких температурах,при которых деформации еще не начинаются. Рассмотрим типовойтемпературно-временной режим нагрева заготовки при удалении из нее связки (рис.7.8)
Удаление связки в этойобласти можно осуществлять как миграцией ее в жидком состоянии, так ииспарением При наличии больших количеств термопластичной связки в заготовке(например, при ее изготовлении горячим литьем) на первой стадии процессаудаление связки надо производить миграцией в жидком состоянии, так как онаосуществляется при более низких температурах, чем при испарении, чтопредотвращает деформацию заготовки Для этого заготовку обсыпают или помещают втонкодисперсный минеральный порошок, являющийся адсорбентом связки. Принагревании заготовки порошок активно адсорбирует появляющуюся на ее поверхностижидкую связку. Для образцов, обладающих достаточной структурно-механическойпрочностью, адсорбентом может являться пористая огнеупорная подставка, накоторую устанавливается заготовка, или насыпанный на нее слой тонкодисперсногопорошка. Дальнейшее удаление связки производят при более высоких температурахиспарением (до 300 °С).
В рассматриваемойобласти нагрева происходит удаление значительной части органической связки,сопровождающееся заметным снижением прочности заготовки В этом температурномдиапазоне целесообразно давать медленный подъем температур и периодическуювыдержку для равномерного прогрева всего изделия во избежание чрезмерно бурногоиспарения связки и появления дефектов в изделиях При этом чем больше толщинастенки изделия, тем длительнее должна быть выдержка.
Рассмотренныйтемпературно-временной режим имеет обобщенный характер. Для изделий разныхконфигураций и составов температурный ход зависимости в пределах каждой областиопределяется опытным путем так, чтобы обеспечить безопасное протекание всехобъемных изменений заготовки (увеличения объема системы при плавлении связки,расширения системы в твердом, жидком состоянии и при переходе связки из жидкогов газообразное состояние). Основными «опасными» моментами при нагреваниизаготовки являются переходы связки из твердого в жидкое состояние (притемпературе плавления) и из жидкого в газообразное.
Общая продолжительностьпроцесса удаления связки — от 5 до 24 ч.
Спекание
Спекание являетсяосновным этапом керамической технологии, завершающим процесс образованиякерамического изделия и определяющим его основные механические иэлектрофизические свойства. По определению, спекание является агломерацией тонкодисперсныхматериалов с образованием прочных монолитных и высокоплотных продуктов.Спекание осуществляют путем нагревания (обжига) заготовки до соответствующейтемпературы, составляющей примерно 0,8 от температуры плавления керамическогоматериала, и производят после удаления из нее связки. При высокотемпературномобжиге в сырьевой смеси происходят многообразные физико-химические процессы,приводящие к образованию новых химических соединений, твердых растворов,стекловидной фазы и кристаллических новообразований. Образующийся в результатеспекания монолитный продукт (черепок) характеризуется определенной плотностью,формой и размером кристаллитов, характером пористости, распределением примесейи микрокомпонентов. Совокупность этих свойств составляет керамическую структуруматериалов, которая тесно связана с магнитными, электрическими и механическимисвойствами. Свойствами керамики можно варьировать в широких пределах, изменяятолько керамическую структуру, определяемую режимом обжига при спекании (изменениемтемпературы и газовой среды во времени). Режим обжига строят на основедиаграммы состояния соответствующей системы, исходя из химического игранулометрического составов шихты, размера и конфигурации заготовки. Такимобразом, для каждого керамического изделия существуют свои оптимальные режимы,подбираемые экспериментально на основе знания физико-химических закономерностейпроцесса спекания.
Различают два видаспекания:
1. Твердофазноеспекание,характерное для масс, состоящих из одной твердой фазы, например из одногочистого оксида А1203 или MgOи др.
2. Спеканиес участием жидкой фазы, которое в зависимости от количестважидкой фазы подразделяется на:
жидкостное спекание,характерное для масс, имеющих сложный химический состав, при нагревании которыхобразуется значительное количество жидкой фазы (более 30 %);
смешанное,твердожидкостное спекание, когда в процессе участвует сравнительно небольшоеколичество жидкой фазы (2—12 %).
Механизм спеканиякристаллических порошков следует рассматривать как результат следующихпроцессов: перемещения частиц шихты друг относительно друга; вязкого течения,т. е. переноса атомов или ионов из объема зерен к контактным перемычкам, врезультате чего происходит сближение центров зерен, сопровождаемое усадкойматериала; поверхностной диффузии, т. е. переноса вещества в поверхностном слоечастиц; переноса вещества путем диффузии паров через газовую фазу; объемнойдиффузии, приводящей к выравниванию концентраций атомов (ионов) и вакансийвнутри кристаллической частицы; пластической деформации частиц, происходящейпри спекании в процессе горячего прессования; рекристаллизации.
/>
Рис. 7.9, Модельнаясхема процесса взаимодействия зерен сферической формы при их спекании
Спрессованная шихта,подлежащая спеканию, представляет собой систему с избыточной свободнойэнергией. Источниками свободной энергии в шихте являются внутренняя поверхностьпор, наружная поверхность микрокристалликов и дефекты их кристаллическойрешетки, возникающие при синтезе шихты и прессовании. Избыток этой свободнойэнергии и является движущей силой процесса спекания.
Процесс спеканияусловно можно разделить на три стадии. На первой, начальной, стадии основнойдвижущей силой является избыточная свободная поверхностная энергиямелкодисперсных частиц, приводящая к возникновению давления, стремящегося сжатьзаготовку и уменьшить ее свободную поверхность. Под действием этого давленияможет происходить уплотнение заготовки за счет пограничного скольжения частицотносительно друг друга. Значительную роль в уплотнении пористого изделияиграют также остаточные напряжения в кристаллических зернах шихты. Так как силыспекания между частицами и силы сопротивления скольжению по границам малы, тодаже при небольших усилиях, действующих на заготовку, можно ожидатьзначительных скоростей ее уплотнения. Процесс скольжения по границам зерензаканчивается при достижении плотной упаковки частиц, при этом происходитинтенсивное увеличение площади контакта между частицами за счет их припекания.Припекание частиц порошка в точке происходит в результате перераспределениявещества под действием градиента химического потенциала, возникающего приналичии градиента концентрации, механического давления или температуры. Перераспределениевещества возможно при диффузии (поверхностной и объемной), при вязком течении,а также в результате процессов испарения — конденсации. Действие каждого изэтих механизмов характеризуется своим законом изменения во времени размерапятна контакта между отдельными частицами. Разделение механизмов массопереносапри спекании производят на основе модельных представлений зависимостиувеличения радиуса контакта X от времени процесса т. На рис. 7.9 представленамодельная схема твердофазного спекания неустойчивой системы, состоящей изоднородных зерен сферической формы, с образованием перешейка. В процессе обжигарадиус кривизны перешейка увеличивается, контакты между частицами расширяются, арадиус зерен уменьшается. В простейшем случае для модели спекания сферическихчастиц процесс описывается зависимостью где k— константа, определяемая температурой и свойствами материала; п — показательстепени.
При массопереносе путемдиффузионно-вязкого течения увеличение площади контакта происходит за счетнаправленного перемещения атомов из объема частиц к контактному перешейку (рис.7.10, а). Скорость этого процесса определяется динамической вязкостью вещества,которая обратно пропорциональна объемному коэффициенту диффузии. Для данногомеханизма массопереноса показатель степени п=2 и процесс спеканиясопровождается сближением центров частиц.
/>
Рис 7.10. Схемаосновных механизмов взаимного припекания твердых сфер (зерен), контактирующих вначальный момент в точке: о — вязкоетечение, б — объемная днффузня; в — объемнаядиффузия при наличии стока в области контакта г—поверхностнаядиффузия; д — перенос вещества через газовуюфазу: е — прилеканне под влиянием прижимающих усилий
Реализация механизмапереноса вещества за счет объемной самодиффузии может осуществляться двумяпутями в зависимости от вида стока избыточных вакансий, которые образуютсявблизи вогнутой поверхности перешейка. Если стоком вакансий является выпуклаяповерхность частиц, то диффузионный поток атомов будет формироваться от нее, п=5и рост площади контакта не сопровождается сближением центров (рис. 7.10, б).Если стоком избыточных вакансий является граница между частицами или дислокациив объеме частиц, то также л=5, а рост площади контакта сопровождаетсясближением центра частиц (рис. 7.10, в).
При переносе веществавследствие диффузии атомов (и вакансий) по поверхности от выпуклых участковпрофиля поверхности контактирующих частиц к вогнутым участкам п=7. Рост площадиконтактного перешейка в этом случае не сопровождается сближением центров частиц(рис. 7.10, г).
Перенос вещества черезгазовую фазу к перешейку происходит под влиянием разности равновесных давленийпара вблизи выпуклых и вогнутых участков профиля контактирующих частиц. В этомслучае закон роста площади контактного перешейка определяется механизмамимассопереноса в газовой фазе: при малых давлениях инертного газа (режиммолекулярного пучка) 3, а при больших (режим диффузии) — п=5. Процесс спеканияне сопровождается сближением центров частиц (рис. 7.10, д).
Под действиемприжимающих усилий (в случае горячего прессования) перенос вещества к перешейкуможет осуществляться механизмом диффузии вдоль границы, разделяющейконтактирующие частицы, что приводит к п—4. Этот процесс сопровождаетсясближением центров частиц (рис. 7.10, с).
В реальных условиях приспекании порошков могут одновременно действовать несколько механизмов, тогдапоказатели степеней п и т в приведенных выше уравнениях будут представлятьсобой некоторые средневзвешенные величины. При этом следует иметь в виду, чтокинетика взаимного припекания частиц сложной формы зависит от геометрииприконтактной. Рассмотренная модель первой, начальной, стадии перестает бытьсправедливой, когда образуется развитая система стыкующихся границ, и процессспекания переходит во вторую стадию. К этому моменту радиус контактногоперешейка достигает 0,2— 0,3 радиуса спекающихся частиц, а усадка прессовкисоставляет 4—6 %.
На второй стадииспекания дальнейшее уплотнение прессовки связано с уменьшением размеров итрансформацией формы всех имеющихся в ней пор. Вначале они приобретают видсообщающихся каналов, а затем происходят их интенсивное уменьшение, изоляциядруг от друга и к концу промежуточной стадии наблюдаются изолированные поры,расположенные на границах зерен или внутри них. При равномерном распределениипор происходят равномерное уплотнение пористого тела и увеличение егомеханической прочности. Процесс уплотнения осуществляется под действиемкапиллярного давления, приложенного к участкам свободных поверхностей,обладающих малым радиусом кривизны Кинетика этого процесса определяетсяскоростью вязкого течения среды, в которой расположены поры. Вязкое течениесреды, в свою очередь, осуществляется посредством «испарения» вакансий споверхности пор в объем частиц с последующим оседанием их на прилегающих к пореграницам, в том числе и дислокационных. Погло щение же вакансий дислокациями,например малоугловой границы, приводит к ее перемещению.
Диффузия вакансий кграницам может происходить как через объем частицы, так и непосредственно вприграничном слое. Поскольку в приграничном слое периодичность кристаллическойрешетки нарушена, движение вакансий здесь происходит с меньшими энергетическимизатратами и различие в коэффициентах поверхностной и объемной диффузии можетдостигать 2—4 порядков.
Для некоторыхматериалов, обладающих при температуре спекания относительно большимравновесным давлением пара, возможен также значительный перенос вещества черезгазовую фазу. Поскольку скорость процессов испарения во многом определяетсяхарактером дефектов и их распределением в кристаллической решетке зерен,интенсивность процесса спекания во много зависит от химической и термическойпредыстории компонентов шихты, главным образом определяющей их дефектность.
На второй стадиискорость усадки прессовки максимальна по сравнению с первой и третьей. Этообусловлено интенсивным ростом перешейков с образованием новых границ междучастицами, удалением открытых пор, в результате чего происходит стыковка границзерен, приводящая к увеличению размеров межзеренных контактов. Вторая стадияспекания является самой короткой во времени, но в течение ее достигаетсяосновное уплотнение прессовки.
На третьей, конечной,стадии процесса спекания происходит залечивание образовавшихся к концупромежуточной стадии части изолированных пор. Движущей силой процессауплотнения на этой стадии является избыточная свободная энергия внутреннихповерхностей пор. Внутри каждой из пор имеется отрицательное давление. Это давлениеэквивалентно некоторому равному ему по абсолютному значению положительномудавлению, действующему на внешнюю поверхность заготовки. Сумма давлений от всехпор и вызывает уплотнение заготовки. Залечивание пор может происходить поразличным механизмам в зависимости от соотношения между линейным размером поры Rи характерным средним расстоянием I между источниками и стоками вакансий
По мере залечиванияпор, роста контактов и формирования в образце сетки границ энергия поверхностиисходных зерен частично переходит в энергию границ, которая также становитсядвижущей силой процесса спекания. Под действием ее происходит движение границзерен в направлении собственных центров кривизны, приводящее к укрупнениюзерен, т. е. к рекристаллизации. В результате движения границ может происходитьзахват пор внутрь зерен, что будет приводить к образованию закрытой пористости.Залечивание этих пор может происходить по механизмам, рассмотренным выше, илиза счет их движения как единого целого к поверхности образца. Сопутствующимэтому процессу является процесс слияния пор (коалесценция), что нежелательнопри получении однородных керамических изделий.
Таким образом, натретьей стадии спекания движущей силой процесса является избыточная свободнаяэнергия поверхности пор и границ зерен. Уменьшение этой энергии можетпроисходить при протекании трех процессов: рекристаллизации, залечиванияотдельных пор и коалесценции пор, причем все эти три процесса являютсяконкурирующими. Благоприятным является процесс залечивания пор, так как этоприводит к увеличению плотности и получению однородных изделий.
В результатерекристаллизации происходит укрупнение кристаллических зерен керамики Размерзерен может оказывать существенное влияние на структурно-чувствительныефизико-химические и электрофизические свойства готовых изделий, поэтому важноуметь управлять процессом рекристаллизации при спекании.
Различают три стадиирекристаллизации: первичную, собирательную и вторичную. Первичнаярекристаллизация наблюдается при сильной пластической деформации материала, врезультате которой формируется ячеистая дислокационная структура и на ее основеобразуются новые зерна центры первичной рекристаллизации Собирательная ивторичная рекристаллизация происходит вследствие миграции границ зерен. Вреальных условиях при спекании керамики редко протекают все три стадии Взависимости от предыстории образца и условий нагрева могут реализоваться одна,причем любая, либо две стадии рекристаллизации. В частности, в ферритах,характеризующихся высокой хрупкостью, не наблюдается образования границ зерениз дислокационных скоплений.
Конечный размер зерентем меньше, чем выше исходная пористость заготовки. Конкретное значениекритической пористости (при которой начинается интенсивный рост зерен) зависитот природы спекаемого материала, что связано с энергией межзеренных границ.Длительному сохранению мелкозернистой структуры и замедлению скорости движенияих границ способствует введение в шихту небольших добавок, не растворимых (илимало растворимых) в основном материале при температуре спекания мелкодисперсныхвключений примеси Эти включения, располагаясь по границам зерен, препятствуютдвижению границ, предотвращая собирательную и вторичную рекристаллизацию. Этоспособствует эффективному спеканию и получению высокоплотного материала.Наибольший практический интерес представляют изделия с однородной керамическойструктурой, характеризуемой минимальным значением дисперсии распределениякристаллических зерен по размерам.
Отметим, что третьястадия спекания является наиболее медленной и для получения беспористыхматериалов с высокой плотностью необходима продолжительная изотермическаявыдержка. Эта стадия характеризуется уменьшением скорости усадки по сравнениюсо второй, так как процесс уплотнения лимитируется диффузионным рассасываниемизолированных пор.
Рассматривая процессспекания в целом, следует подчеркнуть, что отчетливой границы между указаннымитремя стадиями нет. И на промежуточной стадии уплотнение реальной заготовки вее различных объемах может определяться процессами, характерными как дляранней, так и для поздней стадии. Сложность явлений, происходящих в порошковойпрессовке при ее нагревании, не позволяет дать единое теоретическое описаниепроцесса спекания. На данном этапе развития теории и практики вполне оправданнымявляется феноменологическое описание процесса с последующим уточнениемфизического смысла эмпирических коэффициентов.
Интенсификацияпроцесса спекания
Одним из важнейшихспособов интенсификации процесса спекания порошков являются введение в системужидкой фазы и горячее прессование.
Механизм и кинетикапроцесса спекания в присутствии жидкой фазы зависят от многих факторов: составаи количества жидкой фазы, размера и конфигурации кристаллических зерен,характера смачиваемости их жидкой фазой, взаимной растворимости компонентовжидкой и твердой фаз и др.
Жидкая фаза в системеможет появляться в результате добавления в шихту специальных легкоплавкихдобавок и путем образования эвтектик между компонентами шихты. На первой стадиипроцесса спекания в этом случае образовавшаяся между частицами жидкая прослойкаиграет роль смазки, облегчающей взаимное перемещение частиц и приводящей куплотнению заготовки. Для получения удовлетворительных результатов вязкостьжидкой фазы должна быть такой, чтобы уплотнение происходило в приемлемые срокибез деформации и коробления изделия под действием силы тяжести. Эта стадияможет привести к полному завершению уплотнения, если объем жидкой фазы,присутствующей в системе при
температуре спекания, достаточен для заполнения промежутков между частицамиЕсли вещество твердой фазы частично растворимо в жидкой, то на второй стадииспекания увеличение плотности заготовки происходит за счет процессоврастворения и роста зерен твердой фазы. В этом случае при относительно малыхколичествах расплава в местах контактов частиц могут возникать достаточнобольшие давления и деформации частиц, вследствие чего участки зерен,находящихся в контакте, растворяются (за счет их более высокого химическогопотенциала) и осаждаются на периферийных частях В результате этого процессацентры зерен сближаются, а также происходит растворение более мелких зерен ирост за их счет крупных. Наконец, третья стадия приводит к завершению процессапутем обычного твердофазного спекания.
Другими важными путямиинтенсификации спекания являются повышенные температуры процесса, физическое ихимическое активирование спекания.
Увеличение температурыспекания сопровождается ускорением массопереноса и, как следствие, болееинтенсивным спеканием. Однако при этом надо учитывать возможности диссоциации иувеличения летучести некоторых компонентов керамики, что может существенноухудшить ее электрофизические свойства. Кроме того, при этом интенсифицируетсярекристаллизация, а также происходит слияние мелких пор в крупные собразованием в некоторых случаях раковин, что нежелательно.
Физическоеактивирование достигается следующими методами: спеканием впеременном магнитном поле, спеканием предварительно деформированных материалов,воздействием ультразвуковых колебаний и др. В частности, воздействиеультразвука на кристаллическую структуру материала способствует интенсификациимиграции дислокаций и ускорению диффузионных процессов. Это, в свою очередь,приводит не только к активизации и ускорению спекания, но и значительноповышает плотность и прочность керамики.
После очистки и отжигаплаты на нее накосят и вжигают поочередно с обеих сторон проводниковую пастудля формирования проводников, контактных площадок и нижних обкладокконденсаторов (рис. 1, а), после чего формируют диэлектрик для конденсаторов ипересечений проводников (рис. 1, б). Верхние обкладки и пленочные перемычки(рис. 2.8, в) изготавливают из одной пасты. Последними формируют резисторы(рис. 1, г), имеющие самую низкую температуру вжигания. После обслуживанияконтактных площадок (верхние обкладки конденсаторов, резисторы и диэлектрикприпоем не смачиваются, так как их изготавливают из паст, инертных к припою)производят лазерную подгонку резисторов (рис. 1, д). На рис. 1, е, жпредставлены заключительные сборочные операции: установка выводов, монтажнавесных компонентов и герметизация опрессовкой С использованием пластмассы,после тего производят обрезание рамки и разъединение выводов. В том случае,когда какие-либо из пленочных элементов в толстопленочной ГИС отсутствуют(например, пленочные конденсаторы), технологический маршрут такой ГИСупрощается.
/>
Рис. 1. Технологический маршрутизготовления топстопленочной ГИС:
1 — обожженная керамическаяподложка с системой сквозных отверстий; 2 — навесной конденсатор; 3 — навеснойтранзистор с жесткими выводами; 4 — резистор; 5 — толстопленочныйконденсатор
Расчетная частьВАРИАНТ 28 Материал высокоглиноземистая керамика Размеры заготовки S=60×48 мм Типоразмер платы №9; 10×16 мм Толщина платы l=0,6 мм Годовой план N=500 тыс. штук Выход годного по обработке V1 =78% Выход годного по плате V2=81%
1) Определениесуммарного припуска на обработку поверхности заготовки:
Z=0,1мм
2) Определение исходнойтолщины заготовки
lΣ = l+ Z,
lΣ =0,6 + 0,1=0,7мм=0,0007м
3) Определение исходноймассы заготовки
m Σ = lΣ·S·ρ,
m Σ =0,7·0,06·0,048·2600=0,0052416кг=5,2416г=5241,6мг
4) Определение массыпластины или подложки после обработки поверхности
m = l ·S·ρ,
m = 0,6 ·0,00288·2600=0,0044928кг=4,4928г=4492,8мг
5) Определениеколичества плат, получаемых из одной подложки, или количества кристаллов,получаемых их одной пластины n.
n=18
6) Определениеколичества материала, необходимого для выпуска годового плана
6.1) определениеколичества подложек или пластин, запущенных на разделение
N1=N/(V2·n),
N1=500000/(0,81·18)=34294,
6.2) определениеколичества заготовок, запущенных на обработку
N2=N1/V1,
N2=34 294/0,78=43967
7) Определение исходноймассы материала
Mи = N2·mΣ,
Mи = 43967·0,0052416=230.457427кг,
8) Определение полезноймассы материала
Mп =(N·m)/n,
Mп =(500000·0,0044928)/18=124,8кг,
9) Определение коэффициентаиспользования материала
Ким = Mп/ Mи,
Ким = 124,8/ 230,457427=0.54153169.