CC BY
12
УДК 621.791:666.1.037.4
Канд. техн. наук С. В. Олешенко1, канд. техн. наук Р. А. Куликовський2
1 Державний технолопчний ушверситет, м. ЧернИв,
2 Нацюнальний техн1чний ун1верситет, м Запор1жжя
З ВАРЮ ВАН НЯ У ТВЕРД1Й ФАЗ1 В ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОМУ ПОЛ1 ВУЗЛ1В КРЕМН1Й-СКЛО-КРЕМН1Й
Дослiджено особливостi виготовлення вузлiв кремтевих емтсних датчиюв тиску. Розроблено технологiю виготовлення багатошарових вузлiв типу кремнiй-скло-кремнiй за один цикл зварювання, що забезпечуе досягнення рiвномiцностi обох зварних з 'еднань у вузлi.
Вступ
До основних титв датчиков тиску можна вщнести кремшевий емшсний датчик тиску, конструктивна схема якого наведена на рис. 1 [1].
Вш складаеться з двох кремшевих мембран, що з'еднуються мiж собою боросилжатним склом, яке необхiдне для покращення дiелектричних властивос-тей мiж пластинами конденсатора. Датчик мае мета-лiзацiю на протилежних зовнiшнiх поверхнях, необхь дну для його електричного з' еднання з приладами рее-страцп сигналу.
Останнiм часом перспективним способом поеднан-ня кремнш зi склом е спосiб зварювання у твердш фазi, який може здшснюватися в атмосферi повiтря, при не-високих температурах (наприклад, нижче температу-ри плавления евтектики кремнш-алюмшш), з викори-станням незначних зовшшшх зусиль стиснення та з прикладенням електростатичного поля високо! напру-ги, принцип якого зрозумший з рис. 2. В основу про-цесу покладенi нагрiв матерiалiв, поверхнi яких ввдпо-лiрованi, i прикладення високо! електрично! напруги, причому повинна дотримуватися поляршсть: на кремнiй подаеться «плюс», а на скло - «мiнус». Вщмшною особливiстю способу е можлившть його застосування для зварювання матерiалiв, один з яких повинен бути дiелектриком, що включае оксиди луж-них матерiалiв (боросилiкатне скло).
Аналiз дослiджень та публiкацiй
Як вказуеться в [2], всi явища, що вщбуваюгься при зварюваннi кремнiю зi склом, пов'язанi з рухомiстю
2 1 3
ютв натрiю. У процеа електролiзу скла пiд дiею електричного поля в прианоднш областi скла, що безпосе-редньо прилягае до анода, залишаються нескомпен-
соваш заряди анiонiв кисню (Ш20 ^ 2Ыа + О2-), як1 беруть участь в утворенш з'еднання скла з кремшем на основi окислювальних процесiв. До ввд'емного електрода виходять позитивно заряджеш iони + i ней-тралiзуються на поверхнi скла, утворюючи на ньому шар гiдроксиду, який при подальшому зварюваннi з'еднання кремнiй-скло з другою кремшевою мембраною розтравлюе зону зварювання, тобто погiршуе яшсть зварювання [3].
Автори роботи [3] запропонували спосiб поетап-ного зварювання (рис. 3), метою якого е виключення гiдроксидiв натрiю на поверхш скла, що зварюеться, при виготовленш багатошарових вузлiв.
Деталь з нашвпроввдника встановлюють у контактi з деталлю iз лужного скла та розмiшують !х у зварю-вальнiй камера Пстм до деталi з нашвпроввдника при-кладають позитивний потенцiал, а до деталi з лужного скла - ввд'емний. Деталi нагрiвають до температури зварювання i здшснюють iзотермiчну витримку. П1сля зварювання деталi охолоджують, з вшьно! сторони скла механiчною обробкою видаляють шар, перенасичений
Рис. 1. Вузол емнюного датчика тиску:
1 - перша кремшева мембрана; 2 - шар боросилжатного скла; 3 - друга кремшева мембрана
Рис. 2. Схема зварювання в твердш фаз1 в електростатич-ному пол1:
1 - електрод; 2 - кремшева деталь; 3 - скляна деталь; 4 - столик; 5 - нагр1вач; 6 - термопара; ДЖН - джерело живлення нагр1вача; ДВН - джерело високо! напруги
© С. В. Олешенко, Р. А. Куликовський, 2009
70
ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
L
а б
Рис. 3. Принципова схема зварювання багатошарових структур [3]:
1 - перша кремшева мембрана; 2 - боросилжатне скло; 3 - з'еднання кремнiй-скло; 4 - друга кремшева мембрана
лужними елементами, встановлюють у контакт i3 ним другу деталь i3 натвпроввдника, залишаючи ввд'емний потенцiал на скл^ нагрiвають до температури зварювання i здiйснюють iзотермiчну витримку. Шсля зварювання отримане багатошарове з'еднання охолоджу-ють та виймають iз камери.
У роботi вказуеться на досягнення рiвномiцностi на обох границях з' еднань кремнiй-скло-кремнiй за ра-хунок видалення механiчною обробкою шару скла, зба-гаченого на^ем, а також на складнiсть технологи та високий процент вiдбракування виробiв при поетап-ному полiруваннi скла.
У подальшому автори роботи [4] запропонували спосiб захисту зворотно! сторони скляно! деталi вiд виходу лужних iонiв при зварюваннi з'еднань типу алюмшш-скло-алюмшш. Спосiб здiйснюеться таким чином. Попередньо на поверхню лужного скла, що щдлягае зварюванню пiсля зварювання з металом пер-шо! поверхш, наносять захисний шар дiоксиду крем-нiю. Скло розмiщують мiж поверхнями металiв, здiйснюють стиснення поверхонь, на^вають до температури зварювання та прикладають до них постiйну електричну напругу, полярнiсть яко! змiнюють у про-цесi зварювання. Завдяки нанесенню захисного шару дiоксиду кремнiю запобиаеться вихiд iонiв натрiю на поверхню скла та утворення на ньому шару пдрокси-ду натрiю, який розтравлюе зону з'еднання та знижуе як1сть. Зварювання здiйснюеться за одну технолопч-ну операцiю, що дозволяе пiдвищити продуктивнiсть процесу. Однак, як вказуеться в данш роботi, дана тех-нологiя мае високу варпсть i для використання в про-мислових умовах непридатна.
У роботi [5] при зварювант пари вiконне скло-алю-мiнiева фольга вказуеться на те, що при витримщ вже отриманого з'еднання шд напругою зворотно! поляр-носп при тш же температурi, мiцнiсть з'еднання сутте-во знижуеться в початковий момент часу. При значно-му часi витримки мщтсть для дано! пари матерiалiв i режимiв зварювання знижуеться приблизно на 40 %.
На таке ж зниження мщносп з'еднань при !х вит-римцi пiд напругою зворотно! полярносп вказуеться i в робот [6]. У роботi також вказуеться про утворення лугу на катсда в результат видiлення на ньому лужних металiв i !х реакци з вологою атмосфери.
Отже, ефективною технологiею зварювання вузлiв типу кремнш-скло-кремнш буде така, яка не включа-
тиме в себе операцi!, що призводять до збiльшення собiвартостi робгг i до втрати напiвфабрикатiв у процеа виробництва, та забезпечуватиме утворення зварних з'еднань iз заданим рiвнем службових властивостей.
Мета роботи
Метою ще! роботи була розробка технологи зварювання у твердш фазi вузлiв кремнiй-скло-кремнiй, що дозволяе забезпечити рiвномiцнiсть обох зварних з' еднань у вузлах.
Матерiали та методи дослвджень
Оск1льки матерiал, що використовуеться в датчику, повинен мати ттйну залежшсть мiж вщносною деформацiею та змiною опору в якомога ширшому дiа-пазонi, для виготовлення чутливого елементу викори-стовують напiвпровiдниковий елемент n-типу, котрий мае бшьш лiнiйну характеристику при стисненш, нiж напiвпровiдниковий елемент p-типу [7]. Тому в робоп всi дослщи проводились iз використанням кремнiю, легованого фосфором, марки КЭФ-4,5/0,1, вирiзано-го в кристалографiчнiй площинi (100), осшльки лего-ваний кремнiй n-типу (100) мае найбшьшу чутливiсть [7]. Як боросилтатне скло використовувались труб-чап деталi зi скла «Пiрекс», яке мае максимально на-ближений КТР до КТР кремшю. Шорстк1сть контакт-них поверхонь знаходилась у рекомендованих межах вiд 14 класу (R = 0,025 мкм) до 13 класу (Rz = 0,1 мкм). Для зварювання використовувалась модершзована промислова установка УСЭПВН 4Н. Яшсть зварних з' еднань оцiнювалась за результатами мехашчних вип-робувань методом вщриву кремнiево!' мембрани вiд скла, а також визначенням площi зони з'еднання тсля розрiзання дiелектричного корпуса з боросилтатного скла навпiл. Зйомка зони з'еднання проводилась iз тор-цево! сторони скляно! деталi та на шлiфах на оптич-ному мiкроскопi NEOPHOT-32 за допомогою цифро-во! камери OLYMPUS C-3000Z00M. Визначення площi зони з'еднання здiйснювалось точковим методом за методикою, наведеною в [8].
Результати експерименив
Осшльки вiдомi технологи зварювання багатошарових скло-кремшевих вузлiв мають недолiки внасль док чергування прикладення позитивного та вщ'емно-го потенцiалiв, придатним способом зварювання, що
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2009
71
не потребуе додаткових технолопчних заходiв для за-безпечення рiвномiцностi зварних швiв багатошаро-вого вузла, е прикладення вiд'емного потенцiалу до скла з боково! поверхнi за допомогою хомутових елек-тродiв. Передумовою для цього е використання хомутових електродiв автором роботи [9] для отримання зварних з'еднань трубчатих скляних деталей з мета-лом.
Отримання багатошарового з' еднання типу кремнш-скло-кремнш здшснюеться за схемою, зобра-женою на рис. 4.
1
Рис. 4. Експериментальна схема зварювання вузла типу
кремнш-скло-кремнш при прикладенш вщ'емного потенцiалу до скла за допомогою хомутового електроду:
1 - перша кремшева мембрана; 2 - боросилжатне скло;
3 - друга кремшева мембрана
Кремшев1 мембрани встановлюють у контакп 3i скляною деталлю та розм1щують ïx у зварювальнш камера Попм до кремшевих мембран тдводять елек-троди для прикладення позитивного потенщалу, а до боково! поверхш скляно! детал1 - електрод для прикладення вщ'емного потеншалу. З1браний вузол на-гр1ваюгь до температури зварювання i здшснюють 1зо-терм1чну витримку. Шсля не! подають зварювальну напругу на першу кремшеву мембрану i скло, прово-дять зварювання першо! границ кремнш-скло, а пот1м позитивний потеншал перемикають на другу кремше-ву мембрану i проводять зварювання друго! границ кремнш-скло. Шсля зварювання отримане багатоша-рове з' еднання охолоджують та виймають 1з камери.
Розр1зання скляно! детал1 багатошарового вузла навтл, шл1фування та пол1рування поверхонь скла, зйомка кожно! зони з'еднання кремнш-скло дозволили встановити, що формування обох зварних з' еднань вщбуваеться у повному обсяз1.
Цей спос1б дозволяе здшснювати зварювання у твердш фаз1 в електростатичному пол1 з'еднань кремнш-скло-кремнш за один цикл. Запропоноваш температура зварювання Т = 673 К, час, протягом
якого здшснюеться дiя елекгрично1 зварювально1 напруги, t = 60-1200 с, j - шкове значения густини
L J 7 зв 7 J тк J
струму зварювання вщ 10 мкА/мм2 до 50 мкА/мм2 доз-воляють досягти мщносл обох зварних з'еднань кремнш-скло не нижче 12 МПа iз забезпеченням ва-куумно! щiльностi не прше 1-10 10 л.мм.рт.ст.с-1.
Таким чином, на основi проведених дослщжень розроблено нову удосконалену тeхнологiю зварювання у твердш фазi в електростатичному mrai багатошарових вузлiв типу крeмнiй-скло-крeмнiй за один цикл зварювання iз забезпеченням рiвномiцностi обох зварних з'еднань у вузлг
Перелж посилань
1. Pat. 2107472 USA, INT CL3 G01L9/12. Electrostatic Bonded, Silicon Capacitive Pressure Transducer: Pat. 2107472 USA, INT CL3 G01L9/12 / D.S. Wise (USA); United Technologies Corporation (USA-Delaware). -№ 8228253 ; Date of filing 04 Oct 1982 ; Application published 27 Apr 1983. - 3 р.
2. Хоменко Н. Н. Технология и оборудование получения сварно-паяных соединений кремния и ковара со стеклом : дис. ... канд. техн. наук : 05.03.06 / Н. Н. Хоменко. -Чернигов, 1985. - 210 с.
3. Шлифер С. Э. Состояние и перспективы диффузионной сварки в электростатическом поле (ДС в ЭСП) со сменой полярности многослойных структур «стекло-полупроводник» / С. Э. Шлифер, В. М. Косогоров // Тезисы докладов тринадцатой всесоюзной научно-технической конференции «Достижения и перспективы диффузионной сварки». - М., 1990. - С. 17-18.
4. Шлифер С. Э. Диффузионная сварка в электростатическом поле алюминия со стеклом / С. Э. Шлифер,
B. М. Косогоров // Автоматическая сварка. - 1991. -№ 9. - С. 51-53.
5. Таиров В.Н. Физические основы, расчет и применение необратимого электроадгезионного соединения твердых тел / В. Н. Таиров, А. Р. Озолс, Н. С. Пщелко. -Рига : Ин-т орган. синтеза АН Латв. ССР, 1989. - 61 с.
6. Рассказов А. Н. Технология электростатического соединения кремниевой мембраны с металлостеклянным корпусом / А. Н. Рассказов, М. М. Гордиенко, В. М. Косогоров // Достижения и перспективы развития диффузионной сварки. - МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1987.-
C. 119-123.
7. Осипович Л. А. Датчики физических величин / Л. А. Осипович. - М. : Машиностроение, 1979. - 159 с.
8. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография /
C. А. Салтыков. - М. : Металлургия, 1976. - 272 с.
9. Wallis G. Field Assisted Glass-Metal Sealing / G.Wallis,
D.I. Pomerantz // Journal Applied Physics. - 1969. -Vol. 40, №10. - P. 3946-3949.
Одержано 07.07.2009
Исследованы особенности изготовления узлов кремниевых емкостных датчиков давления. Разработана технология изготовления многослойных узлов типа кремний-стекло-кремний за один цикл сварки, обеспечивающая достижение равнопрочности обоих сварных соединений в узле.
The peculiarities of silicon sensors for pressure capacities production are studied. Technology of multi-layered elements of Si-glass-Si type is developed for one cycle of welding, providing achievment of uniform strength of both welded connections in one unit.
