СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ПОКРЫТИЙ В ОТВЕРСТИЯХ Российский патент 2003 года по МПК C23C14/30 

Изобретение относится к области нанесения покрытий в вакууме, а точнее к нанесению покрытий способом электронно-лучевого нагрева испаряемого материала с одновременным его осаждением на внутренних поверхностях деталей сложной формы.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для нанесения покрытий на внутренние поверхности отверстий металлических деталей, предназначенных для пайки со стеклом или керамикой или керамических деталей, паяемых в отверстиях с металлическими или композитными материалами.

Данный способ может также использоваться для металлизации отверстий в деталях из диэлектрических материалов.

Известно устройство и принцип испарения электронным лучом в вакууме с использованием водоохлаждаемого тигля (З. Шиллер и др. Электронно-лучевая технология, М. , "Энергия" 1980, с.171-172). Недостатками данного технического решения являются низкий коэффициент полезного действия процесса, длительное время предварительного разогрева и низкая скорость осаждения паров на поверхностях деталей сложной формы, их загрязнение материалом тигля, а также наличие условий быстрого радиационного перегрева напыляемых деталей от массивного расплавленного слитка в тигле.

Известно также техническое решение "Электронно-лучевой испарительный модуль", описанное в информационном листке ВИМИ 83-0002. В данном способе испарение металла осуществляется из жидкой ванны с торца стержня, заключенного в водоохлаждаемую цангу с отклонением луча на 90^o. Недостатком способа в решении задачи напыления отверстий является необходимость в применении сложных водоохлаждаемых испарителей. Кроме того, рекомендуемая авторами величина дистанции напыления 0,06...0,065 м не обеспечит высокого КПД использования испаряемого материала и электроэнергии для напыления отверстий.

Известен способ бестигельного испарения металла из жидкой ванны расплава на поверхности массивного слитка, описанный в З. Шиллер и др. "Электронно-лучевая технология", М. , "Энергия" 1980, с.186-187. Этот способ испарения металла состоит в том, что массивный блок испаряемого металла нагревается сфокусированным электронным пучком в точке с отклонением луча на 90^o. Напыляемая поверхность находится над испарителем и отклоняющей системой.

Недостаток известного способа бестигельного вакуумного испарения из жидкой ванны на поверхности массивного слитка заключается в том, что такие элементы деталей, как отверстия покрываются медленно и неравномерно, при этом обязательно применение механизмов перемещения детали по нескольким координатам. При этом коэффициент использования испаряемого материала остается низким из-за удаленности напыляемых поверхностей от источника пара, это же является и причиной того, что полученные покрытия имеют низкую адгезию.

Из известных методов вакуумного испарения наиболее близким по технической сущности является способ выполнения отверстий с их одновременной металлизацией методом лучевого нагрева, описанный в А.С. 213517.

Недостатком данного способа является малая толщина получаемого покрытия, его низкая адгезия и качество нанесенного слоя. Применение прозрачного материала в качестве верхней пластины, препятствующей удалению паров, может быть рассчитано на использование только одного импульса излучения, так как при этом происходит запыление стекла и при следующем импульсе пластина разрушается. Кроме того, электронный луч не может проникать через стекло, как и любой другой материал, без его разрушения к испарителю. Известный способ рассчитан на металлизацию микроотверстий и не может быть использован для прецизионных отверстий с высокой чистотой обработки. Это следует из того, что металлизация отверстий совмещена с их прошивкой, а как известно, при высокой концентрации мощности в луче, необходимой для прошивки, происходит каплевидный перенос металла, что неприемлемо для поверхностей с высоким классом чистоты. Данный процесс металлизации не предназначен для получения прочных покрытий с высокой адгезией, так как использование моноимпульсного нагрева не прогревает напыляемую подложку.

Целью настоящего изобретения является достижение одинаковой толщины напыленного слоя во всех покрываемых отверстиях, повышение адгезии покрытия его качества, увеличение производительности процесса и снижение производственных затрат.

Поставленная цель достигается тем, что электронный пучок направляется перпендикулярно к поверхности массивного испарителя, расположенного горизонтально, непосредственно через покрываемые отверстия.

Детали с покрываемыми отверстиями располагаются на поверхности испарителя, обращенной к электронно-лучевой пушке. Оси отверстий ориентируются перпендикулярно этой поверхности. Отверстия закрываются с двух сторон масками. Маска, прилегающая к испарителю, имеет соосные отверстия, которые обеспечивают поступление паров на покрываемые поверхности. Изменением толщины этой маски и соотношения размеров отверстий в этой маске и детали регулируется распределение толщины покрытия по высоте напыляемого отверстия. Маска, закрывающая деталь со стороны электронного пучка, имеет двойное назначение. Во-первых, она выполняет функцию диафрагмы и ограничивает выход паров наружу из напыляемого объема. Для этого отверстия в ней сделаны минимально необходимыми для прохода через них сфокусированного электронного пучка. Во-вторых, перед напылением детали прогреваются посредством подогрева лучом верхней маски. При этом нижняя маска, обращенная к детали, выполняет функцию теплового барьера, предотвращая отвод тепла в массивный испаритель. Тем самым поддерживается оптимальная рабочая температура детали, необходимая для высокой адгезии покрытия.

Для получения покрытия одинаковой толщины во всех покрываемых отверстиях электронный пучок разделяется в соответствии с их количеством равномерно по мощности и наводится через отверстия верхней маски на центры напыляемых отверстий в плоскости поверхности испарителя.

Для пояснения изобретения ниже описан пример осуществления способа со ссылками на чертеж, который изображает схему осуществления способа электронно-лучевого напыления.

Способ нанесения вакуумных покрытий осуществлен следующим образом: корпус герметичного электроразьема из титана для пайки со стеклом контактных штырей в отверстиях предварительно покрывался коваром для обеспечения растекания стеклянного изолятора. Покрытие наносилось одновременно на все паяемые отверстия диаметром 2,5 мм и высотой 6 мм. Для этого детали устанавливались в камере электронно-лучевой установки.

Массивный испаритель из ковара 1 являлся основанием оснастки. Деталь 2, собранная соосно с нижней маской 3 из молибдена, поджималась верхней маской-диафрагмой 4 к испарителю 1. Отверстия диафрагмы располагались соосно напыляемым отверстиям детали.

Производился предварительный нагрев детали воздействием расфокусированного электронного пучка на поверхность верхней маски 4, изготовленной из молибдена. По достижении температуры 600^oС луч 5 фокусировался, разделялся и наводился в отверстия верхней маски, производилось напыление ковара из всех ванн расплава 6 одновременно. В течение 1 минуты осаждалось покрытие толщиной 20 мкм. Мощность в луче при напылении не превышала 150 Вт, при больших значениях происходил перегрев детали до температуры выше 700^oС с возникновением взаимной диффузии титана и ковара и образованием сплава, препятствующего в дальнейшем получению паяного соединения. Отводу избытков тепла способствовали массивная верхняя маска и испаритель через контакт с нижней маской.

Ведение процесса при температуре 600-700^oС способствовало высокой адгезии покрытия и нанесению его на удаленную от источника верхнюю часть отверстия. Этому же способствовал и дополнительный нагрев пара, проходящим через него электронным пучком.

Предложенный способ нанесения вакуумных покрытий в отверстиях по сравнению с лучшими аналогичными методами позволяет получить покрытия широкого спектра материалов в отверстиях деталей, изготовленных из металла или диэлектрика, экологически чистым методом с высокой производительностью.

Способ позволяет также автоматизировать технологию, что дает возможность осуществлять металлизацию множества отверстий деталей, например печатных плат, крупными сериями.

Выполнение способа нанесения вакуумных покрытий описанным выше образом обеспечивает возможность пайки титановых деталей со стеклом с получением спаев высокой прочности и стабильности геометрических размеров. Вследствие этого становится возможным получение нового качества выпускаемой продукции, в частности высоких электроизоляционных свойств электроразъемов.

Испытания предложенного способа нанесения вакуумных покрытий показали, что достигнута производительность получения покрытий, недостижимая известными ранее методами.

Изобретение относится к области нанесения покрытий в вакууме, а точнее к нанесению покрытий способом электронно-лучевого нагрева испаряемого материала с одновременным его осаждением на внутренних поверхностях деталей сложной формы. Электронный пучок направляют перпендикулярно к поверхности массивного испарителя, расположенного горизонтально, непосредственно через покрываемые отверстия. Детали с покрываемыми отверстиями располагают на поверхности испарителя, обращенной к электронно-лучевой пушке. Оси отверстий ориентируют перпендикулярно этой поверхности. Отверстия закрываются с двух сторон масками. Маска, прилегающая к испарителю, имеет соосные отверстия, которые обеспечивают поступление паров на покрываемые поверхности. Маска, закрывающая деталь со стороны электронного пучка, выполняет функцию диафрагмы и ограничивает выход паров наружу из напыляемого объема. Для этого отверстия в ней сделаны минимально необходимыми для прохода через них сфокусированного электронного пучка. Технология способа позволяет повысить производительность и стабильность наносимого слоя. 1 ил.

Способ нанесения вакуумных покрытий в отверстиях, включающий электронно-лучевой нагрев в вакууме массивного испарителя сфокусированным электронным пучком с осаждением испаряемого материала, при котором детали с покрываемыми отверстиями располагают на поверхности испарителя, а электронный пучок, разделенный равномерно по количеству отверстий, направляют вдоль их осей перпендикулярно к поверхности испарителя, отличающийся тем, что покрываемые отверстия закрывают с двух сторон масками, обеспечивающими проход луча и ограничивающими выход паров.