CC BY
106
но-технической конференции студ., маг., асп. и молодых ученых «Техника xxi глазами молодых ученых и специалистов» Тула: ТулГУ 2012. С. 380
2. Поставка научного оборудования для лабораторий и промышленных компаний [сайт]. [2013]. URL: http://standa.vicon-se.ru/ (дата обращения: 01.08.2013).
Веневцев Алексей Юрьевич, аспирант, ассистент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет.
IMPROVEMENT DEVICES FOR ELECTROCHEMICAL PROCESSING OF
SEMICONDUCTOR MATERIALS USING PULSE-ROUND-ROBINSCHEME
A. Y. Venevtsev
The paper presents the results of an experimental improvement of electrochemical systems for the possibility of electrochemical micromachining of semiconductor materials. Material selection of the necessary equipment, developed specific software to install, especially taking into account the conductivity of monocrystal silicon.
Key words: micromachining, ultrashort pulses voltage, electrochemical machining, experimental device, monocrystalline silicon, semiconductor materials.
Venevtsev Alexey Yurievich, post graduate, assist, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9.047
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМЫ ТОКА ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ В ДИАПАЗОНЕ
ЧАСТОТ 10 Гц - 1 МГц
В.В. Любимов, С.Н. Веневцева
В статье отображена разработанная методика измерения токов в диапазоне частот 100 Гц - 1 МГц при электрохимической обработке. Описан процесс изготовления электродов-инструментов, а так же приведены результаты исследований.
Ключевые слова: электрохимическая обработка, импульсная обработка, плотность тока, сверхмалые зазоры.
Достоинствами электрохимической обработки (ЭХО) являются возможность обработки материалов без приложения механических усилий, высокая эффективность процесса, практическое отсутствие износа электрода-инструмента, низкая шероховатость обработанной поверхности (Яа < 0,13 ^ 1,52 мкм) [1,2], а так же минимальное влияние на физикомеханические характеристики поверхностного слоя обработанной заготовки, незначительная зависимость производительности процесса от механических свойств обрабатываемого материала.
Электрохимическая обработка на современных станках осуществляется на малых торцевых (10...20 мкм) и боковых(20..40мкм) межэлек-тродных зазорах, что позволяет в большинстве случаев не осуществлять трудоемкую итерационную коррекцию формы и размеров рабочей части инструмента в процессе отработки технологии.
Разрешающая способность при копировании регулярного рельефа с торца электрода-инструмента на деталь, в отдельных случаях, находится в субмикронном диапазоне и достигает величин 5...10 мкм.
На данный момент точность обработки ограничена 10 - 20 мкм, при этом при традиционном методе ЭХО плотность тока не более 50 А/см , а при импульсной ЭХО плотность от 1000 А/см2. Это и является основным недостатком электрохимической размерной обработки на сегодняшний день, причем повышение точности возможно самыми разнообразными методами, от применения импульсно-циклических схем до применения в качестве электролита газожидкостных смесей.
Анализ путей повышения точности электрохимической обработки показывает, что исследования проводятся в различных направлениях изменения свойств технологической системы. В конкретном случае, это может быть осуществлено различными приёмами: применением импульсов технологического напряжения, использование различных кинематических характеристик электродов, пульсирующей подачей электролита, секционированием катодов, применением рабочих межэлектродных сред с высокими локализующими свойствами, и т. п. [5].
На сегодняшний день проблема повышения точности электрохимической обработки решается в нескольких направлениях:
- совершенствование существующих схем ЭХО;
- создание принципиально новых схем ЭХО.
Создание новых схем создает большие предпосылки к решению проблем точности электрохимической обработки. Существующие схемы характеризуются прерыванием основных параметров во времени, в пространстве, что позволяет обеспечивать последовательно-прерывистый характер съема материала анода. Исходя из этого, можно сделать вывод, что наиболее перспективными являются схемы ЭХО на сверхмалых межэлек-тродных зазорах с применением ультракоротких импульсов напряжения с применением специальной кинематики движения катода. Однако электрохимическая обработка на таких режимах малоисследована. Исследование процесса электрохимической обработки, с точки зрения длительности импульсов и межэлектродных зазоров, посвящены работы Любимого В.В., Сундукова В.К., Захаркина С.И. и д.р. [2, 3. 5]. Схематичное изображение областей исследования и применения электрохимической обработки на сверхмалых МЭЗ приведены на рис. 1.
Область межэлектродных зазоров от 5 до 1 мкм, при длительностях импульсов напряжения 10-1000 нс недостаточно исследована, однако есть
предпосылки, согласно которым уменьшение межэлектродного зазора до микрометровых значений и использование ультракоротких импульсов напряжения должно обеспечить переход на качественно новый уровень электрохимической обработки. Именно поэтому исследования данной области является чрезвычайно актуальной задачей.
Рис. 1. Области исследования ЭХО на СММЭЗ:
1 - область исследований Сундукова В.К.[3]; 2 - область исследований Любимовым В.В.[2]; 3 - область исследований Захаркина С.И.[5];
4 - исследуемая нами область
Однако переход на сверхмалые зазоры имеет существенные ограничения, которые в основном связаны с эвакуацией продуктов реакций, а так же с наступлением диффузионных ограничений [6]. Все это связанно с ограниченным объемом электролита.
Как известно, после подачи импульса напряжения на электроды происходит преобразование электронной проводимости металла в ионную проводимость раствора электролита в двойных электрических слоях. При этомформа тока (рис. 2) отображает процесс электрохимической реакции, которая следующих составляющих:^ течение тока Фарадея, направленное на растворение материала заготовки, и іс- емкостного тока через конденсатор, который эквивалентен двойному электрическому слою на границе металл-электролит.
Рис. 2. Форма импульса токапри ЭХО[1\:
1 - область емкостного тока; 2 - область фарадееского тока;
3 - обратная полуволна тока
Выделение газа на катоде, зашламление и нагрев электролита пропорциональны плотности протекающего тока. Именно поэтому необходимо изучение формы импульса тока для выявления оптимальных областей протекания фарадеевского тока. Это обеспечит возможность перехода на сверхмалые межэлектродные зазоры и уменьшение, или даже снятие, связанных с этим ограничений.
Для решения задачи по изучению формы тока при электрохимической обработке в диапазоне частот от 10 Гц до 1 МГц была спроектирована специальная установкаи изготовлены электроды-инструменты (ЭИ) с различной площадью рабочей поверхности.
При этом был принят во внимание тот факт, что емкость двойного электрического слоя (ДЭС) пропорциональна площади обработки. Из этого следовало, что изменение площади поверхности электрода инструмента будет значительно влиять на общую форму тока из-за изменения кривой емкостного тока. Исходя из вышесказанного, были изготовлены электроды-инструменты с заранее определенными геометрическими параметрами, приведенными в таблице. Для исключения влияния краевых эффектов боковые части электродов инструментов были изолированы.
Геометри ческие характеристики ЭИ
№ ЭИ Площадь обработки,см2 Диаметр рабочей части, мм Емкость ДЭС, мкФ Шероховатость рабочей частиЯа, мкм
1 0,01 1,13 0,2 0,041
2 0,05 2,52 1 0,098
3 0,1 3,57 2 0,086
4 0,5 7,98 10 0,091
5 1 11,28 20 0,093
Электроды-инструменты изготовлены из электротехнической меди М1 ТУ 48-0814-105-2000. Изоляторы боковых поверхностей изготовлены из ABC пластика марки 0445Е ТУ2214-159-05766801-2011.
Необходимость полировки рабочей поверхности электродов инструментов возникла вследствие исследования электрохимической обработки на сверхмалых зазорах, что подразумевало использование межэлек-тродных зазоров от 1 мкм и более. Соответственно шероховатость рабочей части ЭИ после точения была соизмерима с МЭЗ и могла повлечь получение некорректных результатов. Для получения шероховатости рабочей части на порядок меньшей величины межэлектродного зазора было применено электрохимическое полирование в растворе1200 г/л ортофосфорной кислоты и 120 г/л хромового ангидрида. Режимы полирования были следующими: рабочая температура 22°С, анодная плотность тока ~ 40А/дм , выдержка 1 мин. При этом использовался генератор импульсов со следующими характеристиками: частота импульсов 1 МГц, коэффициент заполнения 30%.
Схема разработанной установки для проведения исследований формы тока приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема установки для проведения исследований:
1 - источник импульсов напряжения; 2 - токовый шунт;
3 - система позиционирования ЭИ; 4 - электрод-инструмент;
5 - заготовка; 6 - персональный компьютер для сбора информации и управления системой позиционирования; 7 - осциллограф
Для проведения экспериментов использовалось следующее оборудование:
осциллограф АКИП-4115/4А с полосой пропускания 100 МГц; источник импульсов с частотой до 5 МГц, амплитудой до 20 В, мощностью 200 Вт в постоянном режиме и до 2 кВт в импульсном режиме (при длительности более 300 кГц и коэффициенте заполнения менее 3 %);
система позиционирования электрода-инструмента с точность до 400 нм;
профилограф-профилометр KosakaLab. SurfcorderSE 1700а-39 сраз-решениемдо 0.005 мкм.
Для снятия осциллограмм тока был применен токовый шунт.Выбор величины сопротивления шунта производился компромиссно по нескольким критериям:
с точки зрения влияния на измеряемую цепь и мощности, рассеиваемой на самом шунте (особенно при измерении больших токов) величина сопротивления должна быть как можно меньше;
с точки зрения уровня сигнала и соотношения сигнал/шум сопротивление шунта нужно увеличивать.
Исходя из вышесказанного, был спроектирован и изготовлен токовый шунт из 10тонкопленочных, прецизионных резисторов, включенных параллельно, номиналом 1,66 Ом каждый, т.е. полное сопротивление шунта составило 0,165 Ом. Для исключения паразитной индуктивности использовались резисторы форматаSMD 2512 мощностью по 5 Вт и точностью
0,05%.
Для апробирования методики исследования токовых импульсов электрохимическая обработкавыполнялась со следующимиусловиями: электролит 10% №0; электрод-инструмент № 1; амплитуда напряжения 12 В; межэлектродный зазор 5 мкм; длительность импульса 4 мс; частота следования импульсов 10 Гц.
Данные режимы были использованы для оценки достоверности полученных результатов (рис. 4) с уже имеющимися данными в других рабо-тах[4, 5].
Рис. 4. Экспериментальная форма тока
346
Сравнение осциллограмм показало, что наблюдаемая форма и плотность тока полностью совпадает с результатами аналогичных экспериментов, выявленных в работах [4, 5]. Данный факт говорит о правильной сборке и настройке установки для измерения формы тока в диапазоне от 100 Гц до 1 МГц. На основе проведенных исследований разработана методика регистрации и измерения формы импульсов тока при электрохимической обработке.
Дальнейшие исследования формы импульсов тока будут прово-дитьсядля электродов инструментов с различными площадями рабочей части. Так же будут проведены исследования для различных режимов обработки в следующих диапазонах:
частота следования импульсов: от 100 Гц до 1 МГц;
скважность: от 2 до 100;
величина межэлектродного зазора: от 30 до 1 мкм;
концентрацияэлектролитаКаС1: 1 - 20%.
Таким образом, обоснована и приведена методика исследования процесса электрохимической обработки на сверхмалых межэлектродных зазорах при длительностях импульса 10 Гц - 1 МГц.
Получены экспериментальные результаты по регистрации и изучению формы импульса тока при электрохимической обработке.
Списоклитературы
1. Rajurkar, K.P. Microand nano machining by elecrto-physical and chemical processes / K.P. Rajurkar , G. Levy, A. Malshe et. al. // Annals of CIPR.-2006. - V. 55, -№ 2. - P. 643-666.
2. Смирнова Т.А. Электрохимическоемикроформообразование осесимметричных деталей: дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2007, 143 с.
3. Сундуков В.К. Исследование некоторых вопросов повышения технологических показателей импульсной электрохимической обработки на малых межэлектродных зазорах;дис. к.т.н.: Тула, 1978, 217 с.
4. Любимов В.В. Теория и методы размерной электрохимической обработки металлических пленок в многослойных разнокомпонентных системах;дисс....д.т.н.: Тула, 1983. 413 е.
5. Захаркин С.И. Электрохимическая размерная обработка при сверхмалых межэлектродных зазорах;дис..к.т.н.: Тула, 2002, 154 с.
6. Дамаскин Б.Б., Петрий О. А. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высш. школа, 1975. 416.
7. Kenney JA, Hwang GS (2005) Electrochemical machining with ultrashort voltage pulses: modelling of charging dynamics and feature profile evolution. Nanotechnology 16:S3 09-S313.doi:10.1088/0957-4484/16/7/001
Любимов Виктор Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой ЭиНТ, lvv400@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
Веневцева Светлана Николаевна, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH METHODS IN CURRENT FORM ELECTROCHEMICAL PROCESSING IN
THE FREQUENCY RANGE 10 HZ - 1 MHZ
V. V. Lyubimov, S.N. Venevtseva
The article displayed developed method of measuring currents in the frequency range of 100 Hz - 1 MHz in electrochemical processing. Describes the process of fabrication of the electrode tool, as well as the results of research
Key words: electrochemical machining, pulse treatment, the current density, ultrasmall gaps.
Lyubimov Victor Vasilievich, doctor of technical science, professor, manager of department ENT, lvv400@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Venevtseva Svetlana Nikolaevna, postgraduate student, baranovasvetlana@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Universit
УДК 621.9. 047
ФОРМИРОВАНИЕ МЕДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЯХ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ
М.С. Саломатников, В.В. Любимов
Рассмотрены преимущества использования металлизированных полимерных структур, полученных методом быстрого прототипирования, для создания объектов различного назначения. Произведена систематизация полимерных объектов по типу структуры поверхностей. Разработана методика формирования медных покрытий на поверхности полимерных структур, методами химического и гальванического осаждения. Приведены результаты экспериментальных исследования формирования медных слоев на поверхности полимерных изделий.
Ключевые слова: покрытие, проектирование, прототипирование, полимерные волокна, металлизация, осаждение, меднение, структура поверхности.
В современных условиях быстроизменяющегося рынка и спросов потребителей возникает необходимость в создании новых высококачественных изделий, производство которых бы занимало минимальные экономические и временные затраты, по сравнению с традиционными методами обработки, например, резанием, прессованием, литьем и т.д.
