СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................5
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕІ1ИЯ 11АЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛА С ДИЭЛЕКТРИКАМИ...............................10
1.1. Технологии получение паяных соединений диэлектриков с металлом.........................................................10
1.2. Физико-химические процессы, происходящие в процессе пайки металла с прозрачным диэлектриком................................14
1.3. Особенности процессов поглощения лазерного излучения металлами........................................................17
1.4. Взаимодействие лазерного излучения с оптически прозрачными диэлектриками....................................................19
1.5. Особенности моделирования теплофизических задач лазерной пайки прозрачных материалов с металлом...........................32
1.5.1. Аналитические и численные методы расчета тепловых полей в материалах.......................................................37
1.6. Выводы и постановка задачи исследования................41
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, ТЕХНОЛОГИИ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ.....................................................42
2.1. Материалы, которые возможно применить для получения паяного соединения...............................................42
2.1.1. Прозрачные диэлектрики...............................42
2.1.2. Припои и активные металлы............................50
2.2. Технология лазерной активной пайки прозрачного материала с меіаллом.........................................................52
2.3. Свойства технологических лазеров.......................54
2.4. Установка для металлизации прозрачного материала.......57
2.5 Гальваническая установка для нанесения меди.............59
2.6. Рентгеноструктурный анализ прозрачных диэлектриков 61
2.7.Спектрофотометри я....................................63
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕ11ИЯ НА ПРОЗРАЧ11ЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ....................................................66
3.1. Сфуктурные исследования полупрозрачных керамических материалов ВК94-1 и ГБ-7, подвергнутых непрерывному лазерному воздействию....................................................67
3.2. Исследование коэффициентов светопропускания различных п розрач н ых диэлектриков.....................................72
3.2.1. Исследование прямого коэффициента пропускания сапфировой пластины.......................................................73
3.2.2. Исследование зависимости интегральною (диффузного) коэффициента пропускания прозрачных диэлектриков от шкмносш мощности лазерною импульса.....................................75
3.3. Измерение зависимости коэффициентов отражения полированного сапфира с титановым покрытием от длины волны..........................................................86
3.3.1. Измерение коэффициента зеркального отражения полированного сапфира с титановым покрытием....................90
3.3.2. Измерение коэффициента диффузно-зеркального отражения сапфира с титановым покрытием..................................91
3.4. Расхождение лазерного излучения прошедшею через прозрачный диэлекфик......................................................93
3.5. Выводы по главе......................................98
ГЛАВА 4. ПОРОГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЗРАЧНЫХ
ДИЭЛЕКТРИКОВ..................................................100
4.1. Определение порога лазерною воздействия на прозрачные диэлектрики...................................................100
3
4.2. Определение порога лазерного воздействия на прозрачные диэлектрики с покрытием.........................................113
4.3. Выводы по главе.......................................118
ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОЙ ПАЙКИ
ПРОЗРАЧ11ЫХ МАТЕРИАЛОВ С МЕТАЛЛОМ...............................119
5.1. Физическая модель активной лазерной пайки прозрачною материала с ме1аллом............................................119
5.2. Тепловая модель плоского многослойною соединения с нелинейными краевыми условиями III-IV - го рода.................120
5.3. Модель оценки критической плотности мощности лазерною воздействия на прозрачный материал..............................126
5.4. Теоретические режимы получения паяных соединений сапфира с металлом........................................................134
5.5. Получение паяного соединения прозрачного диэлектрика с металлом........................................................142
5.6. Выводы по главе.......................................144
Основные результаты и выводы...............................145
ЛИТЕРАТУРА.................................................147
Приложение 1...............................................163
Приложение 2...............................................165
Приложение 3...............................................166
Приложение 4...............................................167
Приложение 5...............................................168
Приложение 6...............................................169
Приложение 7...............................................170
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Прогресс современной техники, требует новых технологий получения прочных соединений диэлектриков с металлами /1/.
Преимуществом соединений, полученных методом пайки, является щадящий температурный режим, в результате которого достигаются температуры ниже температур плавления соединяемых материалов, что позволяет сохранять их юплофизические свойства 121.
Специфическими преимуществами лазерной пайки являются высокая точность, локальность теплового воздействия, пайка материалов может проводиться на воздухе, не требует дорогих и энергоемких вакуумных камер и защитных сред, возможен автоматизированный контроль технологического процесса, а также выполнение прецизионных работ иод микроскопом в чрезвычайно тонком поперечном сечении /3/.
Существует большое число работ /4-14/, посвященных пайке непрозрачных диэлектриков (керамических материалов) с металлами, однако процесс пайки металлов с прозрачной керамикой изучен нсдосгаг очно, что объясняется значительно серьезными трудностями при проведении экспериментов и моделировании тепловых процессов, происходящих при пайке металлов с керамикой. Под прозрачными диэлектриками понимались материалы, основное свойство которых состоит в том, что лазерное излучение с определенной длиной волны, проходит через образец, не нагревая его.
Теплофизические процессы в условиях высокоэнергетического воздействия достаточно хорошо изучены теоретически на модельных задачах /15-22/, однако, при этом недостаточно теоретических исследований, максимально приближенных к юхнологии. Особые сложности возникают при моделировании теплофизических процессов,
5
происходящих при воздействии импульсного лазера на материал.
Большинство выполненных исследований сосредоточено на рассмотрении широко распрос(раненных конструкционных маюриалов, поэтому построение физико-матемашческой модели пайки максимально приближенной к технологии является актуальной задачей.
Целыо диссертационной работы является разработка и обоснование возможности применения способа лазерной активной пайки прозрачного диэлектрика с металлом, при лазерном нагреве зоны пайки через прозрачный диэлектрик, а также исследование условий, при которых возможно формирование контакта прозрачный диэлектрик-металл.
Паяные соединения 1акою класса используются в микроэлектронике, электроюхнике, вакуумной технике, теплотехнике и других отраслях промышленности.
Методологической основой работы явился проведенный анализ научно-технической литературы по проблемам получения паяных соединений, применение современного оборудования и стандартных методик исследования свойств материалов, а также теплофизические представления о процессах пайки, основанные на классических теориях теплофизики и термомеханики.
Достижение указанной цели реализовано путем решения следующих научно-практических задач:
1. определение оптических свойств прозрачных диэлектриков в видимой и ближней ИК-области;
2. исследование порогов разрушения прозрачных диэлектриков;
3. разработка метода оценки порогов разрушения прозрачною диэлектрика при лазерном воздействии;
6
4. построение физической и математической модели лазерной пайки прозрачного материала с металлом для определения оптимальных режимов лазерного воздействия.
Научная новиша работы состоит в следующем:
♦ предложен способ получения паяных соединений лазерным излучением через прозрачный диэлектрик с металлом;
♦ предложена математическая модель лазерной пайки прозрачного материала с металлом для многослойных плоских образцов;
♦ определены коэффициенты отражения от границы прозрачный диэлектрик - металлизирующее покрытие в видимой и ближней ИК-области;
♦ исследованы пороги и характер разрушения различных типов плоских прозрачных диэлектриков при прохождении через них лазерною излучения с фокусировкой на покрытии, нанесенного на нижнюю поверхность прозрачного образца.
Основные положения выносимые на защиту.
1. Разработан способ лазерной активной пайки через прозрачный диэлектрик с металлом, отличающийся от известных технологий спецификой фокусировки лазерного излучения.
2. Предложено граничное условие II 1-рода для матемаюческой модели лазерной пайки плоскою прозрачного диэлектрика с мегаллом, с внуфеиним источником тепла, расположенною на границах слоев прозрачный диэлектрик - металл.
3. Разработана на основе термоупругой модели методика оценки порогов разрушения прозрачного диэлектрика в процессе лазерного воздействия при пайке.
7
4. Установлено, что при лазерном воздействии механизм разрушения прозрачных диэлектриков (сапфир, ВК100-1, А-100) аналогичен механизму разрушения стекол.
Практическая ценность и реализация рсзу.чыаюв. Проведенные экспериментальные исследования оптических характеристик прозрачных диэлектриков при лазерном воздействии дополняют теорию физики взаимодействия высококонпентрированных источников энер! ИИ с веществом.
Найденные пороговые характеристики и оптические свойства прозрачных диэлектриков необходимы при разработке технологических режимов пайки прозрачных материалов с металлом.
Разработанная методика определения пороговых значений лазерною воздействия может быть использована для различных прозрачных материалов.
Предложенная математическая модель будет полезна при моделировании и расчете технологических режимов лазерной пайки прозрачною диэлектрика с металлом. Возможность моделировать процессы при разной длительности и форме лазерною импульса, при изменении материала и его геометрии позволяет существенно упростить процесс поиска оптимальных режимов пайки.
Результаты исследований оптических характеристик прозрачных диэлекгриков при лазерном воздействии могут быть использованы в учебном процессе при чтении дисциплины «Технология лазерной обработки материалов», а также при подготовке курсовых и дипломных рабо1 студентов инженерно-физических специальностей.
Меюды, основанные на базовых положениях теории математического моделирования, расчета и анализа на ЭВМ тепловых процессов при лазерной пайке, были разработаны в рамках научною фата (А» 02-02-
8
17812) РФФИ «Физико-химические процессы, про I екающие в ме галлокерамическом соединении при воздействии лазерного излучения»; исследования оптических свойсгв прозрачных диэлектриков и способ лазерной пайки металла с прозрачными диэлектриками реализованы в рамках грантов Министерства образования РФ: «Развитие научной школы в области обработки материалов высококонцентрированными источниками энергии в Амурском государственном университете» и «Постановка и совместное решение задач с подвижными границами и термоупру!ости для многослойных материалов при лазерном воздействии»
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на пятой региональной научно-практической конференции «Молодежь XXI века шаг в будущее» (г. Благовещенск, 2004 г.); на региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (г. Владивосток, 2003 - 2005 г.г.); на VI региональной научной конференции по физике: фундаментальные и прикладные исследования, образование (г. Благовещенск, 2006 г.) и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, общих выводов, списка использованных источников (166 наименования).
Работа с приложениями выполнена на 174 страницах, содержит 23 таблицы, 56 рисунков, 7 приложений.
9
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛА С ДИЭЛЕКТРИКАМИ
1.1. Технологии получение паяных соединений диэлектриков с металлом
В настоящее время в современной технике применяется ряд способов получения вакууч-плотного соединения металла с диэлектриком (керамика, стекло, т.д.). Сравнительные характеристики способов получения таких соединений приведены в таблице 1.1 /1/.
Таблица 1.1
Сравнительные характеристики способов получения паяных соединений дюіектриков с металлом
. Пайка с предварительной металлитацией керамики
Преимущества массовое производство, непрерывный
производственный процесс, применим д 1я разтичных типов керамики.
Недостатки4 мноюстуненчатость, высокая температура вжигания пасты, возможна деформация керамики, вжитаннс изменяет цвет керамических материалов, изменение
ли) юктричсских свойств керамики, сложная тсхнолотия приготовления наст.
Техно югическ ие
особенности:
закрепление порошков тутоплавких металлов в смсси с активизирующими добавками производится в
восстановительной среде при 1373 - 1923 К и точке росы 283-308 К. При лом качество метадлизационпого слоя тависит от степени химического взаимодействия фаз, миграции аеклофазы керамики в метал тизациоппый слой и адгезии выбранною металлизационного состава при данных условиях закрепления
10
Продолжение таблицы 1.1
2. Пайка активными металлами
Преим щсства: просто I а Техиоюрические особенности процесс
и легкость выполнения, прочное соединение. Недостать и' растекание припоя но поверхности трудно ограничивай, и контролировать При рафабо!ке конструкции необходимо принимать во внимание капиллярные явления. пайки необходимо проводить в вакууме 1 3 103 Па или в среде инертною та и, кроме того, 9 ІКЛР диэлектрика и металла должны быть ближи во всем диапазоне температур получения паяного соединения. •
3. Пайка глазурями и стсклоприпоями ]
Преимущества: возможность и »отопления многоштырьковых керамических ножек* и миниатюрных МКУ. Недостатки. низкая механическая прочность и радиационная стойкость, применяется в основном для крепления внутри ламповых деталей. Техиоюрические особенности: получение | стсклоприиосв сводится к приготовлению 1 шихты, варке и измельчению стеклообразной . массы в порошок. Припой варят в корундовых ( или платиновых тиглях. После осветления! 1 массы жидкий стеклоприпои выливают в холоди) ю воду. Затем гранулы припоя размалывают в фарфоровых или яшмовых ( барабанах. Из тонкоизмсльченною порошка' стсклоприпоя изготавливают припойиые кольца ^ 1 путем прошивания, прессования или ! прокаливания лепты и последующей 1 штамповки.
Пайка неметатлизированного диэлектрика вызывает трудности при производстве паяных соединений, так как расплавленный припой не смачивает прозрачные диэлектрики. Например, краевые углы смачивания жидких припоев на поверхности алюмооксидной керамики могут составля I ь около 110... 130° /23/.
її
Продолжение таблицы 1.1
4. Пайка под давлением с помощью твердых припоев
Преимущества: простота 1ехш>юрические особенности•
технологическою цикла, включающая в соединения твердых материалов
образуются путем нагрева их до определенной температуры с использованием присадочного' металла имеющего температуру!
I
ликвидус и ниже температуры
себя три основные операции: подюювка поверхностей, сборка МКУ и пайка.
Недостатки: применим только для отдельных конструкций. Относительно большое время выдержки расплавленного припоя приводит к растворению в припое . солидус соединяемых материалов компонентов конструкционною материала ! Присадочный металл распределяется ' и 1ем самым )х>дшаег ее адюлно к между бппко расположенными окислам керамики. Наличие припоя поверхностями соединения '
приводит к следующим общим недостаткам , капиллярным эффектом.
I I
приведенных выше методов: а)
возникновению дополнительных !
механических напряжений; б) снижению рабочей температуры МКУ.
Поэтому, как правило, предварительно материал металлизируют для последующего нанесения припоя.
Для получения, паянные соединений прозрачных диэлектриков с металлом выбрали метод активной лазерной пайки, так как она имеет преимущества по сравнению с другими способами получения паяных соединений. Имеющиеся способы получения паяных соединений диэлектриков с металлами мноюстадийны и энерюемки, так как существует необходимость проведения технологического процесса в защитной атмосфере (вакуум или инертная восстанавливающая среда). Большинство промышленных технологий основано на многократном
нагреве, что приводит к значительному увеличению общею времени пайки и снижению механической прочности узла /3/.
Продолжение таблицы 1.1
5. Іермокомирессиониая сварка
Преимущества Техно югические особенности: процесс
технологический цикл состоит из двух ! сварки керамики с метлами осуществляется
основных операций - сборки узла и сварки, высокие механическая
следующим образом: смариваемые детали из керамики и металла после соответствующей прочность и термостойкость. 'подготовки контактных поверхностей
I
Недостатки: очень высокие ' (шлифовка, очистка) собирают в специальные
требования к предварительной оправки и помещают в печь, где нагревают до
|
очистке, применим только к: требуемой температуры 1273-1573 К и
I
определенным конструкциям, давлении 10-13 МПа, а затем к ним
металлические детали нодкертаются прикладывают сжимающую натружу из значительной деформации. Наличие расчета 1.6 - 2.0 кт/мм2. После определенной
оправки образует дополнительные [ механические напряжения
приводящие к трещинам в спае.
выдержки температура снижается. При температуре 473 - 523 К сжимающая нагрузка снимается.
6. Электроннолучевая технология
Преимущества малая ’ Техноюгические особенности: пайка
трудоемкость, невысокие требования к производится в специальных камерах при поверхности, высокая коррозионная давлении порядка 10 - 10* мм. рт. ст При стойкость сварных соединений по. соответствующей фокусировке летпронното сравнению с паяными луча системой з тектростагичсских и
Недостатки наб подается .электромагнитных линз можно получип» папы 1енне металлом керамики, что . площадь отливною пятна нагрева, равную 107 ухудшает ее иючяциоииые свойства, ' см2. Скорость патрона и охлаждения и шатия в высокая стоимость оборудования (процессе пайки не должна превышать 50-150
' К/мин.
13
Продолжение таблицы 1.1
7. Лазерные технотогии
Ппеимушестса: высокая Техно югические особенности'
автоматизация технолої ического соединяемые материалы проходят1
процесса, сокращение предварительную обработку и очистку
технологических операций, і контактирующих поверхностей ,
отсутствие требований к вак)умной (шлифование, огжиі, травление) а затем
I И1 иене, возможность изготовления собираіоіся в узел. Наличие хорошею
мноюштырьковых и миниатюрных контакта между соединяемыми матсриачами ,
соединений, отсутствие защитных и является одним из ьчавных требований. І
инертных сред. Зазор величиной КГ* м уже не позволяет
Недостатки' высокая получить соединение
стоимость оборудования. 1 1 !
1.2 Физико-химические процессы, происходящие в процессе пайки металла с прозрачным диэлектриком
Согласно современным представлениям неразъемные соединения неметаллических диэлектрических материалов (керамики, стекла, и т.д.) с металлами осуществляется в результате топохимической реакции, которая протекает в три этапа. Па первом этапе происходит смачивание твердой поверхности жидкой фазой и образование физического контакта атомов этих поверхностей. На втором этапе образуются активные центры, атомы переходят из сосюяния физической адсорбции в сосюяние химической адсорбции (хемосорбции). На фетьем этапе развиваются химические реакции и диффузионные процессы, приводящие к образованию прочной межатомной связи, протекающие сначала на активных первичных центрах, а затем на всей поверхности.
ы
Рис. 1.1 Изменение потенциальной энергии атомов в трехэганном
процессе
и - потенциальной энергии атомов; К - расстояние между атомами; кривая 1 - характеризует изменение энергии адсорбции; кривая 2 -характеризует изменение энергии хемосорбции; А - точка перехода в состоянии хемосорбции; ЕЛ - энергия перехода от адсорбции к хемосорбированному состоянию
Вследствие диффузионных процессов реакции могут проIекать также в объеме соединяемых материалов. Деление процесса образования связи между неметаллическим диэлектрическим материалом с металлом на этапы, не совсем правомочно. Так как в процессе образования связи, данные этапы могут развиваться как независимо друг от друга, так и одновременно /24,25/.
Ишенсние потенциальной энер!ии аюмов в трехэтапном процессе представлено на (рис. 1.1). Первоначально процесс развиваекя по
15
- Київ+380960830922