автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Исследование процесса и разработка установки финишной обработки микроприборов потоком твердых частиц

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ МИКРОПРИБОРОВ ПОТОКОМ

ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

Специальность 05.27.07 - Оборудование производства

электронной техники

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Экз. № А

УГОЛЬНИКОВ Сергей Викторович

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Тимофеев В. Н.

Москва, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение ......................... . . ..................4

1. Обработка поверхности твёрдого тела потоком

твёрдых частиц ................................. 8

1.1. Виды обработки поверхности.........................8

1.2. Обработка различных материалов, состояние поверхности . . ____24

1.3. Используемые модели взаимодействия частиц с поверхностью. Недостатки существующих моделей ..... ............41

Выводы по разделу 1.................................48

2. Динамическое взаимодействие частиц различной конфигурации с поверхностью .....................49

2.1. Динамическое состояние частиц в потоке.................49

2.2. Напряжённо-деформированное состояние поверхностного слоя

при воздействии частиц на поверхность..................58

2.3. Износ частицы при её взаимодействии с поверхностью........75

2.4. Взаимодействие потока частиц с поверхностью.............84

2.5. Температурное поле на поверхности обрабатываемой детали . . . . 86 Выводы по разделу 2........... ........................93

3. Методы исследования, оборудование ................94

3.1. Установка измерения прочности частиц порошков и облоя......94

3.2. Установка измерения динамической твёрдости материалов ..... 99

3.3. Установка измерения динамических характеристик пластин из различных материалов при ударном локальном возбуждении ... 103

3.4. Установка обработки микроприборов потоками твёрдых частиц . . 111

Выводы по разделу 3.............................................118

4. Исследование процесса финишной обработки микро -приборов в пластмассовых корпусах потоком твёрдых частиц...............................119

4.1. Структурные дефекты элементов микроприбора..........119

4.2. Анализ прочности выводов и сцепления облоя с выводами .... 125

4.3. Рельеф поверхности выводов и корпуса микроприбора

после обработки ........... ....................136

4.4. Рекомендации по оптимизации технологического процесса обработки микроприборов потоком твёрдых частиц . . . ........144

Выводы по разделу 4 ---------------------------- . . .............. • • • • 146

Общие выводы ............. ....................147

Литература....................................150

Приложение...................................160

Введение

Обработка поверхности материалов потоком твёрдых частиц является широко используемым технологическим процессом в металлургии, машиностроении, приборостроении. Такой вид обработки позволяет решить ряд задач — очистка поверхности от загрязнения, придание ей декоративного вида, очистка литья, размерная обработка, упрочнение поверхностного слоя и т. д. [1 - 5].

Подобный технологический процесс находит применение в микроэлектронике в производстве микроприборов с пластмассовым корпусом на этапе финишной обработки.

Основная цель процесса - удаление дефектов в виде заусенцев и об-лоя, повышение качества поверхности и декоративных свойств приборов.

Требования к порошкам, используемым в обработке микроприборов -химическая инертность материала порошка, твёрдость частиц выше твёрдости обрабатываемых материалов, размер частиц значительно меньше размера наименьших элементов приборов (<200 мкм), подвергаемых обработке.

Обрабатываемыми элементами прибора являются металлические элементы (вывода) и пластмассовый корпус. Поверхность металлических выводов в исходном состоянии соответствует поверхности листа после прокатки с развитым рельефом, где присутствует большое число структурных дефектов в виде трещин и рисок.

Поверхность пластмассового корпуса микроприбора после прессования имеет сложный рельеф и также не отличается высоким качеством.

Существующий технологический процесс обработки микроприборов обладает рядом существенных недостатков. Он дорогой, малопроизводительный, требует специальных экзотических порошков. Такие порошки представляют собой косточковую крошку от абрикосов с размером частиц

500-2500 мкм. Крупные частицы порошка часто разрушают элементы выводов приборов, поскольку размер этих элементов меньше размера бомбардирующей частицы. Удар массы крупных частиц по прибору приводит к высоким динамическим напряжениям, что в ряде случаев заканчивается разрушением элементов микросхемы.

Качество обработки определяется и структурными изменениями. Так при ударе частицы о поверхность в зоне воздействия формируется очаг пластической деформации с импульсным изменением температуры [40].

В связи с высокой конкуренцией на рынке микроприборов задача снижения стоимости процесса с заметным повышением качества обработки приборов крайне актуальна. Это объясняется и тем, что микроприборы в пластмассовых корпусах являются массовыми, поскольку они дешёвые и их применение чрезвычайно широкое. Следовательно оптимизация технологического процесса — задача, включающая комплекс исследований, в том числе динамики напряжённо-деформированного состояния микроприборов, структурных изменений материалов, механо-физических явлений в зоне взаимодействия бомбардирующей частицы с поверхностью.

На сегодняшний день во многих работах предпринята попытка разработать теорию процесса взаимодействия потока частиц с поверхностью материала [6 - 10]. Однако приемлемой теории, позволяющей понять явление в момент взаимодействия частицы с поверхностью нет, а следовательно нет и подходов к выбору оптимальных режимов обработки.

Цель работы: Исследование процесса взаимодействия потока твёрдых микрочастиц с поверхностью материала, разработка технологических рекомендаций и оптимизация процесса финишной обработки микроприборов.

Актуальность работы определяется необходимостью повышения качества обработки и снижения её себестоимости.

Новизна исследования заключается в разработке теоретических положений и определения принципов выбора режимов обработки микроприборов, размеров частиц и материала обрабатывающего порошка.

Научное и прикладное значение:

1. Разработана методика выбора размера частиц и её геометрии.

2. Разработана методика анализа разрушения облоя на элементах микроприборов.

3. Разработана методика оценки прочности микрочастиц порошка.

4. Разработана методика оценки температуры в очаге взаимодействия частиц с поверхностью.

5. Разработана более дешёвая технология, основанная на использовании мелкофракционных природных порошков окислов с овальной формой частиц.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования воздействия частиц порошка на поверхность элементов прибора.

2. Результаты исследования состояния поверхности элементов прибора.

3. Результаты исследования свойств порошка в процессе обработки поверхности прибора.

Результаты исследований изложены в диссертации следующим образом. Первый раздел посвящён обработке поверхности твёрдого тела потоком твёрдых частиц. Рассмотрены виды обработки поверхности, обработка различных материалов, состояние поверхности, используемые модели взаимодействия частиц с поверхностью и недостатки существующих моделей.

Во втором разделе исследуется динамическое взаимодействие частиц различной конфигурации с поверхностью. Рассмотрены следующие вопросы: динамическое состояние поверхностного слоя при воздействии

частиц на поверхность, износ частицы при её взаимодействии с поверхностью, взаимодействие потока частиц с поверхностью, температурное поле на поверхности обрабатываемой детали.

В третьем разделе представлены методы исследования и оборудование. Приводятся схемы и описываются принципы действия установок измерения прочности частиц порошков и облоя, измерения динамической твёрдости материалов, измерения динамических характеристик пластин из различных материалов при ударном локальном возбуждении, обработки микроприборов потоками твёрдых частиц.

Четвёртый раздел посвящен изучению процесса финишной обработки микроприборов в пластмассовых корпусах потоком твёрдых частиц. Рассматриваются структурные дефекты элементов микроприбора. Проводится анализ прочности выводов и сцепления облоя с выводами. Исследован рельеф поверхности выводов и корпуса микроприбора после обработки. Даются рекомендации по оптимизации технологического процесса обработки микроприборов потоком твёрдых частиц.

В заключении приведены общие выводы по результатам исследования.

Результаты работы внедряются на А. О. "Ангстрем".

Отдельные положения работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" в 1996,1997, 1998 годах.

По теме диссертации опубликованы 2 статьи.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору Тимофееву Владимиру Николаевичу, а также преподавателям и сотрудникам кафедры "Техническая механика" за помощь во время работы над диссертацией.

1. Обработка поверхности твёрдого тела потоком твёрдых частиц

1.1. Виды обработки поверхности

В настоящее время остается актуальной задача разработки технологии обработки поверхностей различных изделий потоком твёрдых частиц. Это связано с тем, что улучшение качества продукции, повышение её надёжности и долговечности в значительной степени зависят от чистоты поверхностей, как обрабатываемых, так и необрабатываемых. Немалое значение имеет чистота и подготовленность поверхностей для последующих металлических и неметаллических покрытий — как способа улучшения антикоррозионных и других особых свойств деталей [1 - 18].

Обработку поверхности потоком твёрдых частиц применяют практически во всех отраслях промышленности различными методами [14, 19-39].

Очистку металлических деталей, отливок, поковок, используемых в строительстве и производстве строительных материалов осуществляют дробеструйным, гидродробеструйным и дробемётным методами [19, 20, 29, 30, 32]. Целью такой обработки является очистка и подготовка поверхности для нанесения антикоррозионных материалов. После дробеструйной или дробемётной обработки поверхность становится шероховатой с высотой микровыступов в металле до 50 мкм, а в камне 75-100 мкм. Такой рельеф способствует лучшей адгезии с антикоррозионными составами покрытия [31].

В основном обработке подвергаются изделия из стали. Это элементы каркаса зданий и сооружений (колонны, балки, прогоны,

фермы, мосты, башни, эстакады); элементы ограждения (ёмкости, резервуары для воды, нефти, газа); трубы разного назначения; арматура, различные закладные и соединительные части для железобетона, древесины, пластмасс [14, 19, 20, 31].

В литейном производстве применяется дробеструйная или дробе-мётная обработка отливок с целью удаления заусенцев и пригара. Такая обработка обеспечивает достаточно высокую чистоту поверхности и несколько увеличивает ее шероховатость, что способствует росту сцепления покрытия с деталью и повышению стойкости покрытия. При механической обработке отсутствие на деталях пригара и окалины благоприятно сказывается на стойкости режущего инструмента [21 - 32].

В машиностроении обработка поверхностей деталей потоком твёрдых частиц осуществляется с целью устранения дефектов на поверхности, повышения твёрдости поверхностного слоя, создания микрорельефа при подготовке поверхности к нанесению покрытия. Для такой обработки используются дробеструйные, гидродробеструйные, гидропневмодробеструйные и дробемётные методы. Данная обработка обеспечивает повышение износостойкости, сопротивления усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей на 20-50% [30]. Наиболее часто обрабатывают потоком твёрдых частиц тяжелонагруженные детали машин и механизмов, от работоспособности которых зависят надёжность и долговечность изделий в целом. Так, например, в автомобилестроении дробеструйной и дробемётной обработке подвергаются детали сложной конфигурации (пружины, рессоры, шатуны, лопатки), которые невозможно обрабатывать другими методами [29, 33, 34, 37, 40, 56, 57, 59].

В приборостроении и производстве изделий электронной техники обработка поверхностей деталей потоком твёрдых частиц применяется в

основном для подготовки поверхности к нанесению покрытия, маркировки, придания поверхности соответствующего внешнего вида, что способствует повышению коррозионной стойкости деталей [3,7, 11, 12, 13].

В машиностроении, как и в приборостроении, используются детали, изготовленные из пластмасс. Такие детали также подвергаются обработке потоком твёрдых частиц с целью удаления заусенцев, облоя, литников [41, 42].

Для удаления глянца с поверхности пластмассовых деталей, что обеспечивает требуемую адгезию лакокрасочного покрытия, используют дробеструйную обработку [50].

Из указанных выше методов обработки наиболее широко используются два основных — дробеструйная и дробемётная очистка, отличающиеся способом сообщения скорости твёрдым частицам [29, 30, 32]. В дробемётных установках частицы приобретают требуемую скорость в аппаратах метательного (роторного) типа, а в дробеструйных установках — в аппаратах струйного типа, использующих энергию сжатого воздуха [27, 29, 30, 32].

Частным случаем дробеструйного являются гидродробеструйный и гидропневмодробеструйный методы. Источником кинетической энергии в этих случаях выступают жидкость и газ с жидкостью соответственно [30, 40, 43].

Дробемётная и дробеструйная очистки близки по технологическому назначению, но отличаются по эксплутационным показателям: энергоёмкости, степени механизации и производительности оборудования, условиям труда, конструктивной сложности оборудования [28 - 34].

В энергетическом отношении дробеструйная очистка значительно уступает дробемётной. Для сообщения заданной скорости 1 кг дроби в дробеструйном аппарате требуется в 8-12 раз больше энергии, чем в

дробемётном, вследствие низкого КПД компрессоров, питающих заводскую магистраль сжатым воздухом, потерь в подводящих трубопроводах и главное, неполного использования энергии воздушного потока в сопле. По производительности дробеструйные аппараты также уступают дробемётным [29].

Дробемётные аппараты не только не требуют, но даже не допускают участия оператора в процессе очистки, т. е. в принципе являются автоматами. Эксплуатация дробеструйных аппаратов практически невозможна без оператора, вынужденного находиться непосредственно около зоны очистки, для которой характерны повышенный уровень шума и запыленность воздуха, близкая к предельно допустимой по санитарным нормам [29, 30].

Достоинства дробеструйной очистки по сравнению с дробемётной состоят в относительной простоте и более высокой эксплуатационной гибкости оборудования. Дело в том, что дробемётные установки помимо собственно дробемётного аппарата обязательно имеют комплекс устройств для циркуляции дроби в системе (бункер-сборник, элеватор, промежуточные транспортёры), а также устройства для перемещения деталей относительно факела дроби (подвесной транспортёр в камере непрерывного действия, вращающийся стол на тележке или тележку на поворотном круге в камере периодического действия) [30, 32].

В дробеструйных установках перечисленные элементы могут отсутствовать, что упрощает конструкцию, снижает их стоимость и высвобождает производственную площадь. Эти достоинства во многих случаях оказываются решающими, в особенности для мелких и средних цехов с небольшим годовым объёмом производства [30].

В данной работе нас будет интересовать только дробеструйная обработка поверхности твёрдого тела потоком твёрдых частиц. Под

твёрдыми частицами будем понимать химически инертные в условиях технологического процесса металлическую дробь, песок, кварцевый песок, порошки из микросфер, порошки из косточковой крошки [44 - 49].

Рассмотрим оборудование для обработки деталей потоком твёрдых частиц. Установки для обработки состоят из дробеструйного аппарата с механизмом подачи деталей под струю частиц и вспомогательных устройств (циклонов, систем вентиляции, фильтров). Так как никакой разницы в конструкции и принципе действия между аппаратами, работающими на дроби, металлическом и кварцевом песке, порошке из косточковой крошки нет, то все они в дальнейшем для краткости будут называться дробеструйными [29, 30].

Дробеструйные аппараты преобразуют потенциальную энергию сжатого воздуха, поступающего из цеховой пневмомагистрали, в кинетическую энергию потока твёрдых частиц. В промышленности распространены аппараты двух систем: всасывающей и нагнетательной [29-31].

В аппаратах всасывающей системы (рис. 1.1) струя воздуха, поступающего из магистрали 5 в смесительную камеру 4, создает разряжение как в камере, так и в