Способ формирования на подложке профильного слоя твердого конденсата из многоатомных частиц

 

Использование: в машиностроении для изготовления деталей машин сложнопрофильной конфигурации, а также в радиоэлектронике преимущественно для изготовления плат сухим методом и микросхем. Сущность изобретения: в технологической зоне осуществляют ускорение частиц, формирующих слой твердого конденсата, до заданной скорости. Перед осаждением частиц на подложку жесткость отдельных участков ее поверхности изменяют, а в процессе осаждения поддерживают в измененном состоянии. Возможно одновременное изменение жесткости слоя наносимого твердого конденсата. Раскрываются наиболее оптимальные с точки зрения технологии методы изменения жесткости на соответствующих участках подложки и слоя конденсата. Описанный выше способ позволяет повысить качество наносимых на подложку профильных покрытий заданной толщины и в значительной степени расширяет область применения вследствие обеспечения высокой точности параметров слоя конденсата как по толщине, так и по конфигурации. 9 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к машиностроению и преимущественно может быть использовано в технологии малотоннажного, точного машиностроения для изготовления деталей сложной конфигурации. Кроме того изобретение эффективно может быть использовано в радиоэлектронике для изготовления плат сухим методом, а также микросхем.

Широко известны способы изготовления профильных деталей, в частности металлокерамических, из мелкодисперсных порошков (являющихся многоатомными частицами), включающие прессование порошков в пресс-формах и последующую их термообработку спекание при высоких температурах (Политехнический словарь под ред. И.И.Артоболевского. М. Советская энциклопедия, 1976, с.382. Порошковая металлургия). Технология получения металлокерамики интенсивно развивается, особенно в области применения сверхмелких порошков. Достигнуты большие успехи в качестве получаемых материалов и точности изготовления изделий.

Основными недостатками вышеописанного способа получения металлокерамики являются необходимость изготовления и применения дорогостоящих пресс-форм сложной конфигурации, а также необходимость длительной термообработки (спекания) при высокой температуре, т.е. известный способ технологически сложен и является высокоэнергоемким. При этом основной сортамент изделий, получаемых этим способом, это изделия, соизмеримые по размерам по трем осям.

Широко применяются также способы получения тонких слоев покрытий при производстве плат сухим методом и методом литографии (Политехнический словарь под ред. И. И. Артоболевского. М. Советская энциклопедия, 1976, с.357, Печатный монтаж).

Данные способы изготовления рассчитаны на тонкие плоские конфигурации, находят применение в узкой области техники. Сухие методы изготовления плат связаны с применением масок при нанесении слоев проводника и изолятора и осуществляются испарением части материала лучом электронов или фотонов.

Недостатком этих способов является узкая область применения, преимущественно в радиоэлектронике.

Прототипом изобретения является способ напыления на подложку многоатомных частиц, разогнанных до скорости, достаточной для адгезии с подложкой, в частности с первоначально сформированным слоем частиц. Частицы выбрасываются через сопло и распределяются по поверхности конденсации. Скорость и температура частиц регулируемые параметры процесса. Распределение частиц по поверхности подложки достигается перемещением сопла (малая точность) или применением масок (высокая точность). Регулирование процесса проводится также температурой подложки (Политехнический словарь под ред. И.И.Артоболевского. М. Советская энциклопедия, 1976, с.308. Напыление).

Ограничения и недостатки известного способа напыления проявляются в производстве точных изделий с использованием масок. Граница маски меняет поток частиц, т.е. толщину покрытия, дает "размытость". При наложении маски непосредственно на поверхность конденсации маска может быть скреплена с основой, быстро разрушается. При использовании частиц в газовом потоке край маски меняет условия потока и конденсации, необходимо изготавливать маски.

В основу изобретения положена задача реализации такого способа формирования на подложке слоя твердого конденсата, при котором исключались бы все вышеописанные недостатки и обеспечивалась возможность получения сложнопрофильных изделий, как плоских, так и объемных при повышении их качества и точности изготовления.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что по способу формирования на подложке профильного слоя твердого конденсата из многоатомных частиц, включающему ускорение частиц в технологической зоне до заданной скорости и последующее их осаждение на поверхность подложки в виде твердого тела, согласно изобретению перед осаждением жесткость отдельных участков поверхности подложки в зоне формирования слоя твердого конденсата изменяют, а в процессе осаждения поддерживают в состоянии измененной жесткости.

Перед осаждением целесообразно изменять температуру многоатомных частиц.

Участки поверхности подложки, предназначенные для конденсации частиц, можно поддерживать в состоянии большей жесткости относительно остальных участков поверхности подложки, а скорость частиц в этом случае следует выбирать из условия обеспечения адгезии при ударе частиц об участки большей жесткости.

Участки поверхности подложки, предназначенные для конденсации частиц, можно поддерживать в состоянии минимальной жесткости относительно остальных участков упомянутой поверхности, а скорость частиц в этом случае следует выбирать из условия отсутствия адгезии при ударе частиц об остальные участки.

Жесткость отдельных участков подложки разумно изменять в едином технологическом цикле с процессом осаждения частиц.

В процессе поддержания в состоянии измененной жесткости отдельных участков подложки допустимо изменять жесткость формируемого слоя твердого конденсата на этих участках.

Жесткость отдельных участков поверхности подложки и/или слоя конденсата изменяют посредством нагрева и/или охлаждения, при этом нагрев соответствующих участков подложки и/или слоя конденсата осуществляют направленным пучком ускоренных частиц, например электронов и/или фотонов, воздействующим на упомянутые участки и/или слой конденсата по меньшей мере с одной стороны подложки.

Изменение жесткости отдельных участков поверхности подложки можно также осуществлять посредством воздействия на них химическими реагентами путем изготовления подложки из ткани с волокнами различной жесткости или путем изготовления подложки с переменной толщиной или из различных материалов.

Сущность изобретения состоит в использовании физических следствий процесса взаимодействия ускоренной многоатомной частицы с подложкой, а именно явлений перехода кинетической энергии частицы в упругую и тепловую энергию, что существенно зависит от жесткости частицы и подложки. Жесткость способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации. Если скорость частицы достаточна для ее пластической деформации при встрече с подложкой, то происходит увеличение площади контакта при сближении атомов до уровня межатомных расстояний кристаллической решетки, возникает межатомное взаимодействие адгезия. В ходе сближения частицы и подложки происходит заполнение неровностей контактных поверхностей до уровня остаточной пористости в несколько процентов. Если жесткость мала, а деформация упруга, то сила взаимодействия частицы и подложки может быть недостаточной для пластической деформации, адгезия в этом случае не происходит, частица "отскакивает" от подложки.

Сцепление может быть достигнуто увеличением жесткости либо значительным уменьшением сопротивления деформации частицы и/или подложки, например нагревом или заменой материалов.

На практике необходимо соблюдать следующее условие для осуществления процесса: для наиболее энергетичной частицы упругая энергия при ударе в зоне нежелательной конденсации должна поглощать кинетическую.

Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод: упругость системы частица подложка выбирается из условия поглощения энергии, равной работе упругой и пластической деформаций для частицы, падающей на жесткий участок подложки.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

В технологической зоне установки для формирования на подложке профильного слоя твердого конденсата из многоатомных частиц (порошков) осуществляют ускорение последних до заданной скорости, например, струей сжатого воздуха. В зоне траектории перемещения частиц устанавливают подложку, на поверхности которой осуществляется формирование слоя твердого конденсата из материала ускоренных частиц. Перед осаждением частиц на подложку жесткость отдельных участков ее поверхности изменяют, а в процессе осаждения поддерживают в измененном состоянии. Изменение жесткости обеспечивается различными методами, а именно путем нагрева или охлаждения, переменной толщиной, путем использования различных по физическим свойствам материалов, химическим воздействием и т.д.

Если подложку сделать из материалов с различной жесткостью в упругой области деформации например часть из стали, часть из резины, то частицы конденсируются только на жесткой части подложки.

Если источником нагрева локально разогpеть однородную подложку, то снижается упругость и частица "влипает" в подложку. На соседнем участке с достаточной упругостью частица "отскакивает".

Если подложка прозрачна для фотонов и/или электронов, то в их пучке могут быть подогреты частицы, идущие на определенное место подложки, получается осадок на траектории луча. Возможен подогрев лучом со стороны движения частиц.

Имеется много приемов обеспечения изменения жесткости подложки: использование ткани, разных материалов, напечатанного покрытия, переменная толщина и т.п.

Отметим возможность применения химических агентов для изменения жесткости и адгезионной способности поверхности. Химическое воздействие может включать выключать адгезию и использоваться с арсеналом других приемов.

Пример конкретного исполнения. В качестве подложки был использован крупноячеистый композит из стеклоткани на эпоксидной связке. Напыление проводилось порошком алюминия крупностью 50-100 мкм при разгоне воздухом нормальной температуры до скорости 150-200 м/с. В результате на квадратных ячейках, образованных стеклонитью в направлении напыления (под углом около 45^о), наращивался ячеистый профиль высотой до 5 мм со стенками толщиной, равной диаметру нити.

Созидательное широкое использование жесткости вводит дополнительный параметр технологического процесса и управления, обеспечивает преимущества предлагаемого способа относительно прототипа: повышает точность напыления; увеличивает динамику, обеспечивает программируемость процесса возможностью применения лучевого нагрева; позволяет применять печатные методы подготовки подложки; создает возможность для управления толщиной осадка нагревом, химическим воздействием; создает возможность использования "текстильных" подложек.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НА ПОДЛОЖКЕ ПРОФИЛЬНОГО СЛОЯ ТВЕРДОГО КОНДЕНСАТА ИЗ МНОГОАТОМНЫХ ЧАСТИЦ, включающий ускорение частиц в технологической зоне до заданной скорости и последующее их осаждение на поверхность подложки, отличающийся тем, что на рабочей поверхности подложки формируют участки с различной жесткостью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед осаждением изменяют температуру многоатомных частиц.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что осаждение ведут со скоростью частиц, обеспечивающей адгезию частиц на участках с большей жесткостью.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что осаждение ведут на участках с меньшей жесткостью и со скоростью частиц, обеспечивающей отсутствие адгезии частиц на остальных участках.

5. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что участки с различной жесткостью формируют в процессе осаждения частиц.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что на участках, обеспечивающих адгезию частиц, изменяют в процессе осаждения жесткость формируемого слоя твердого конденсата.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что формирование участков с различной жесткостью ведут путем термообработки подложки и/или слоя твердого конденсата преимущественно направленным пучком ускоренных частиц, воздействующим по меньшей мере на одну сторону подложки или слоя твердого конденсата.

8. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что участки с различной жесткостью формируют путем воздействия на них химическими реагентами.

9. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что участки с различной жесткостью формируют путем изготовления подложки из ткани с волокнами различной жесткости.

10. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что участки с различной жесткостью формируют путем изготовления подложки с переменной толщиной или из различных материалов.