From the History of Electrospark Material Processing
This article is the continuation of the topic dedicated to the technology of spark erosion machining (also see issues 2-6, 2006 and 1, 2007), which deals with unique plants of special purpose such as plants for net flat incision, plants for 20-25-micromicron slotting in lengthy parts, machines for semiconductor wafers incision, machines ЭХ 1278 for stencils production.
Достижения отечественных специалистов в изготовлении методами электроискровых технологий особо точных деталей и создании соответствующего универсального оборудования для нужд радиоэлектронной промышленности, влияние этих разработок на развитие зарубежных аналогов в 1940–1960-х гг. были достаточно подробно описаны в №№ 2–6/2006 и № 1/2007. Пришел черед рассказать и об уникальных установках специального назначения.
Б. И. Ставицкий, к.т.н., с.н.с., лауреат Ленинской премии,
главный конструктор электроискрового оборудования
электронной промышленности, г. Москва (Россия)
УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗРЕЗАНИЯ СЕТОЧНОГО ПОЛОТНА
Сеточное полотно (рис. 1) изготавливается на специальных сетконавивальных автоматах и представляет собой несколько десятков траверз из вольфрамомолибденовой проволоки Ф 20–30 мкм, уложенных по образующим цилиндрического керна диаметром 1,5–5 мм и скрепленных поперечной навивкой. Навитые керны проходят соответствующую термообработку для спекания витков поперечной навивки с продольными траверзами.
Ранее разрезание сеточного полотна на отдельные сетки производилось вручную при помощи специальных ножей или лезвий бритвы. При этом торцы сеток получались расплющенными и с заусенцами.
Проблема разрезания полотна без заусенцев была решена путем применения электроискрового способа с использованием в качестве электродов-инструментов нескольких постоянно перематывающихся молибденовых проволок Ф 40 мкм. Процесс протекал в дистиллированной воде, подаваемой в зону обработки. Для увеличения производительности разрезание полотна велось одновременно 4 электродами-проволоками.
На рис. 2 представлена электроискровая установка для разрезания сеточного полотна. Она состоит из головки 1, в которой перемещается ползун с блоком скоб 2, приспособления для крепления кернов 3 и стола 4. В столе размещаются электрическая схема и насосная станция. В качестве обрабатывающего электрода используется молибденовая проволока МЧ-II диаметром 40 мкм. Процесс обработки протекает в дистиллированной воде, подаваемой в зону обработки поливом, с сопротивлением 100–500 кОм на 10 мм длины. Для увеличения производительности процесса разрезание полотна ведется одновременно 4 электродами-проволоками.
На рис. 3 показан блок скоб 1, который выполнен ступенчатым. Это позволяет в рабочем положении каждому электроду-проволоке 2 иметь разный угол охвата керна (сечения I-I, II-II и т. д.). Перегибы электродов-проволок относительно обрабатываемого керна обеспечивают полное разрезание сеточного полотна даже в случае сабельности формы керна. Угол его охвата электродами-проволоками различен, причем наиболее удаленный от токоподвода 3 имеет наибольший угол охвата. Подобное увеличение угла вызвано необходимостью обеспечить надежную подачу энергии ко всем искровым промежуткам при окончании разрезания.
Применение этой установки позволило получать сетки практически без следов заусенцев на траверзах с производительностью от 100 до 150 сеток в час.
УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОРЕЗАНИЯ ПАЗОВ ШИРИНОЙ 20–25 МКМ В ДЕТАЛЯХ БОЛЬШОЙ ДЛИНЫ
Двухпозиционная электроискровая установка (рис. 4) была создана специально для изготовления пролетных каналов замедляющих систем ламп обратной волны субмиллиметрового диапазона (рис. 5, 6).
Каналы представляют собой пазы шириной 20–25 мкм, которые прорезаются электродом-проволокой диаметром 15–20 мкм в цельных медных заготовках длиной 25 мм с шагом 40–50 мкм. Число каналов может доходить до 5–6, прорезаемых на лезвии шириной от 0,1 мм до 0,3 мм. Обычно длина каналов составляет 20–25 мм.
После изготовления пролетных каналов в гребенках осуществляется прорезание пазов ЗС ЛОВ электродом-проволокой диаметром 8–12 мкм на установке А207.69 поперек этих каналов (рис. 7). На рис. 8 показан участок замедляющей системы ЛОВ субмиллиметрового диапазона волн с пазами шириной 10 мкм, прорезанных электродом-проволокой Ф 8 мкм на глубину 50 мкм.
СТАНОК ДЛЯ РАЗРЕЗАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
Как уже упоминалось в предыдущих статьях, впервые электроискровой способ для обработки полупроводников был применен в СССР в 1959 г. (зарубежные публикации, посвященные его использованию для этих целей, появились позже).
Промышленность ранее уже освоила ряд технологических приемов, позволяющих обрабатывать полупроводниковые материалы, — например, алмазную резку дисками с внутренней режущей кромкой, фотолитографическое гравирование, ультразвуковое долбление и др. Однако эти способы обладают рядом существенных недостатков. Даже при разрезании весьма тонкими алмазными дисками (толщиной до 0,22 мм) отходы составляют от 50 до 80 %. Чрезвычайно высокая хрупкость или малые размеры некоторых интерметаллических полупроводников (SiC, GaP и т. д.) требуют виртуозных технологических приемов при вырезании из них механическими методами кристаллов, строго ориентированных относительно кристаллической решетки.
Задача существенно облегчилась с применением электроискрового способа обработки полупроводниковых материалов. В некоторых случаях, например, при выделении активной области на переходах мощных транзисторов, она успешно конкурирует с фотолитографическим способом, отличаясь от него простотой и высокой точностью процесса.
Как известно, полупроводниковые материалы отличаются монокристаллическим строением, отсутствием пластичности и чрезвычайно высокой хрупкостью и ранимостью поверхности. Это обстоятельство приводит к образованию лунок специфической формы, изображенных на рис. 9 (см. тж. № 6/2006 нашего журнала).
На рис. 10 показана схема устройства для обработки плоской поверхности электродом-проволокой. Горизонтальный вращающийся стол-карусель с вакуумным прижимом обработан с высокой точностью по плоскости. Электрод-проволока перематывается и совершает небольшие возвратно-поступательные движения в плоскости стола и перпендикулярно к направлению перемотки, в результате чего появляется возможность проводить размерную обработку плоскопараллельной пластины с высокой точностью.
На рис. 11–12 представлены фотографии микроструктур поверхностей кремния и германия, обработанных электроискровым способом на вращающемся столике.
На рис. 13 показан электроискровой станок ЖК.94.10 для разрезания полупроводниковых пластин германия в струе деионизованной воды электродом-проволокой диаметром 0,03–0,06 мм. Вода подается автоматически через электромагнитный кран только во время обработки. Столу с размещенным на его поверхности обрабатываемым материалом можно задавать необходимый угол наклона и перемещать его в горизонтальной плоскости по 2 направлениям. Станок также снабжен реле глубины. Проволока натягивается с помощью электродвигателей АДП-262, включенных в тормозном режиме. Каждый двигатель регулируется независимо, что позволяет работать как 1, так и 2 проволоками разного сечения и материала.
СТАНОК ЭХ1278 ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРАФАРЕТОВ
На рис. 14 показан внешний вид электроискровой установки ЭХ1278 для изготовления трафаретов, которая была спроектирована на базе координатного стола универсального измерительного микроскопа УИМ-21. Координатный стол обеспечивает легкость хода, отклонение от прямолинейности траектории движения не превышает в продольном направлении 1 мкм, поперечном — 2 мкм. Максимальное значение неперпендикулярности траектории движения продольного и поперечного ползунов, равное ±10", тщательной юстировкой доводится до ±4", что составляет ±1 мкм на длине хода 50 мм.
Схема изготовления трафаретов на установке ЭХ1278 приведена на рис. 15. В заготовке вырезается отверстие при подаче проволоки 5 через направляющее устройство 3. Далее этой же проволокой вырезается необходимый профиль отверстия путем перемещения детали относительно электрода-проволоки в плоскости, перпендикулярной направлению его движения. Постоянное положение рабочего участка проволоки обеспечивается направляющими 3 и 2.
При обработке отверстия проволока подается роликами 4 и 7 в режиме регулирования межэлектродного промежутка. После формообразования отверстия она захватывается пинцетом, пропускается через направляющую 2 и наматывается на катушку 1, которая перематывает проволоку с постоянной скоростью. Натяжение проволоки производится электродвигателем, на который установлена приемная катушка 6. Перемещение детали в соответствующих направлениях создает сложный профиль отверстия. Затем проволока отрезается, и процесс повторяется.
Таким образом, на одной установке совмещено изготовление отверстия для введения электрода-проволоки и получение заданного контура отверстия. При этом проволока оказывается автоматически введенной в отверстие, что позволяет получить узкую щель без расширяющейся части. Наименьший размер щели определяется диаметром электрода-проволоки и составляет 60 мкм.
Продолжение следует.
