Hopean hihattujen pyörivien kohteiden ja Planar-tavoitteiden suorituskyvyn vertailu

- Jul 12, 2019-

Suorituskyvyn vertailu

Hopeahihaiset pyörivät tavoitteet, joissa on Planar-tavoitteet

 

ABSTRAKTI

Ohut hopeakalvoja käytetään funktionaalisena kerroksena useissa pinoissa lämmön heijastavia sovelluksia varten. Tällä hetkellä suurpinta-alaisia päällystyskappaleita tuotetaan magneettisuihkuttamalla ja usein pyörivistä lieriömäisistä kohteista. Pyörivän lieriömäisen kohdeteknologian luontaiset edut tasomaisissa katodeissa ovat jo hyvin tunnettuja. Hopea on kuitenkin edelleen yksi harvoista metallikohteista, joita ei ole helposti saatavilla pyörivässä sylinterimäisessä versiossa. Syyt tähän liittyvät kustannuksiin, mekaaniseen lujuuteen ja käsittelyyn.

Tässä julkaisussa ehdotetaan uutta lähestymistapaa Ag-pyörivien kohteiden toteuttamiseksi, joissa sylinterimäiset holkit on asennettu ja kiinnitetty tukiputkeen. Useita lieriömäisiä malleja verrataan ja vertaillaan tasomaisia kohteita vastaan. Prosessi- ja tuotekohtaisia parametreja, kuten prosessin stabiilisuus, sputterinopeus, tasaisuus ja kalvon laatu, arvioidaan. Keskustellaan plasman lämpökuorman ja siitä aiheutuvien termisesti indusoitujen mekaanisten rasitusten vaikutuksesta Ag-kohteen suorituskykyyn sekä mekaanisesti että prosessitasolla. Tavoitteet arvioitiin niiden elinkaaren eri vaiheissa sen määrittämiseksi, oliko suorituskyky vakaa ja voidaan luotettavasti ennustaa.

 

ESITTELY

Hopeaa on käytetty jo jonkin aikaa pääasiallisena infrapunaheijastavana kalvona optisissa pinnoitteissa. Hopean erinomaiset sähköiset ja lämmönjohtavat ominaisuudet takaavat, että hopeakohteet sputteroituvat helposti ja ovat stabiileja useimmissa tyypillisissä käyttöympäristöissä. Hopea on valmistettu ja ruiskutettu ensisijaisesti tasomaisessa muodossa pääasiassa siksi, että hopean valmistus tapahtuu paljon pienempinä määrinä kuin kupari, alumiini tai titaani. Laitteet, joita tyypillisesti käytetään hopean tuottamiseen, ovat paljon vähemmän merkityksellisiä laajuudessa ja tilavuudessa kuin muut kaupalliset materiaalit.



KOKEMUKSEN MENETTELYT

Suunnittelujen vertailu

Tämän kokeilun tavoitteiden mukaisesti arvioitiin useita erilaisia tavoite- suunnitelmia, joiden tarkoituksena oli selvittää kunkin mallin edut ja rajoitukset, jotka perustuivat siihen, mitä teknologian potentiaaliset käyttäjät voisivat kohdata hopeakiertotavoitteiden toteuttamisessa tuotantojärjestelmissään.

Neljä mallia arvioitiin. Ne sisälsivät:

  • Indium-liimatut hihat

  • Mekaanisesti kiinnitetyt hihat

  • Mekaanisesti asennetut hihat, jotka on lisätty lämpöjohtavalla tahnalla

  • Monoliittinen putki

Kolme ensimmäistä mallia kiinnitettiin ruostumattomasta teräksestä valmistetulle vakioputkelle, viimeinen muotoilu valmistettiin kokonaan hopeasta, eikä siinä ollut mitään tukiputkea.

Tavoitteen ulkoläpimitta oli kussakin tapauksessa 155 mm (6,1 ”) OD. Kohdepituus oli 878 mm (~ 35 ”).



Kaupalliset ominaisuudet ja rajoitukset

Pyörivillä kohdejärjestelmillä on kyky pilata suuremmalla nopeudella kuin tasomaiset kohteet, koska on mahdollista käyttää suurempaa tehotiheyttä. Rotary-tavoitteen suorituskyky on johdonmukaisempi, koska eroosio on tasaisempi, tasoisten kohteiden koko pituudeltaan näkyvä kaivanto rajoittuu pyörivään kohteeseen päihin. Käyttötarkoitus on myös suurempi pyörivien kohteiden osalta, tyypillisesti yli 80%, kun taas tasomaiset tavoitteet ovat keskimäärin noin 30%. Logistiikan ja käsittelyn alalla mekaanisesti asennettujen holkkien käyttö antaisi loppukäyttäjälle mahdollisuuden poistaa ja vaihtaa kohteensa mukaiset holkit osana tavanomaista kunnossapitoa. Tämä antaa asiakkaalle tarkempia hopeapainoja, vaatii vähemmän tukiputkia ja alentaa kuljetuskustannuksia.

Sidotut hihat eivät tarjoa hallinnan etuja eivätkä ne voi helposti rakentaa uudelleen asiakaspalveluun. Ne tarjoavat mahdollisuuden pintaprofiileihin ja erilaisten materiaalien käyttöön, kun se on tarkoituksenmukaista loppusovelluksen kannalta.

Monoliittinen putki tarjoaa korkean laskeuman, tavoitteen saannon ja tavoitepainon mittaamisen helpommin, mutta sillä on mahdollisia rajoituksia sen mekaanisessa kyvyssä ulottua pitkiä pituuksia poikkeamatta eikä alentaa kuljetuskustannuksia pitkien pituuksien käsittelyssä.


Ohjaimet ja mittaukset

Kohteessa suurin huolenaihe oli kohteen lämpötuotto. Intuitiivisesti hihansuunnittelussa on enemmän kysymyksiä, jotka liittyvät termiseen hajaantumiseen kuin kiinteät, monoliittiset osat. Lämmönsiirto aukon läpi tai sidosväliaineen kautta vaihtelee myös nopeudella. Siksi oli erittäin tärkeää mitata kohteen lämpövahvistusta käytetyn sputterointitehon lisäyksen funktiona. Ulkopuolisten optisesti perustuvien lämpömittaustekniikoiden arvioinnin ja hylkäämisen jälkeen havaittiin, että kosketuslämpömittari oli tehokkain tapa mitata termistä vahvistusta. Suunniteltiin järjestelmä, jossa on jousikuormitteinen vipuvarsi, joka tuo termoparin kiinteään kosketukseen kohteen kanssa. Kosketuskuormitus riitti aikaansaamaan kulutusuran jokaisessa testatussa putkessa. Kuvio 1 havainnollistaa maalattua pintaa.

Figure 1

Kuva 1. Termoelementin kosketuspiste

Jokainen kohde oli asennettu järjestelmään ja sputteroitu asteittain kasvavalla teholla. Prosessimallinnuksen ja teollisuuden palautteen perusteella asetettiin 5 kW: n tehokkuustavoite (35: n tavoitteen kohdalla). Tämä antaisi kaupallisesti kannattavan sputterinopeuden päällystimen linjan nopeuden lisäämiseksi. Maksimaalisen suorituskyvyn kirjekuoren määrittämiseksi jokainen kohde ajettiin kasvavilla tehotasoilla, jotta voitaisiin tunnistaa mahdolliset vikamekanismit korotetuissa kuormissa.


Kaaren mittaus

Kaaren käyttäytymistä mitattiin sisäisellä kehitetyllä järjestelmällä. Käytännössä hopeakohteet eivät ole alttiita kaarelle niiden suuren johtavuuden vuoksi, ja ne normaalisti roiskuvat metallimoodissa. Erilaisten mallien kaarien laskeminen korostaisi sähköjohtavuutta tai plasman epävakautta.


JÄRJESTELMÄJÄRJESTELMÄN KONFIGURAATIO

Päällystysjärjestelmä

Testauksessa käytettiin yksikammiojärjestelmää (kuvio 2), jossa oli lasin kuljetusjärjestelmä. Kohdeputket asennettiin yksittäin ja kukin testisarja toistettiin. Tavoitteet toimivat DC-tilassa.

Figure 2

Kuva 2. Pieni testikattekammio


Kammion kaasu ja paine

Argonia käytettiin kaikissa testeissä virtausnopeudella 140 sccm. Kaikkien testien kammion paine oli 2,0 - 2,3 x 10 -3 mbar.


Veden virtausnopeus ja lämpötila

Virtausnopeus mitattiin kullekin testille sekä tulo- että ulostulolämpötilat. Suuret muutokset veden lämpötilassa edellyttäisivät hyvää lämmönsiirtoa. Vertaamalla eroja kullakin tehotasolla saadaan käsitys lämmönsiirrosta hihojen läpi taustaputkeen veteen.


Magneettiruutu

Magneettiryhmätyyppi kaikille testeille oli Bekaert AMBV2.1. Tämä säädettävä magneettiryhmä on tyypillinen muotoilu, jota käytetään suurten lasipinnoitteiden sovelluksissa, jotka tarjoavat rinnakkaisen (tangentiaalisen) kenttävoimakkuuden noin 500 G: n kohdepinnalle ja tavoitteen käyttöasteen yli 80% sekä DC- että AC-tilassa. Rataosien välinen kulma on 30 - 35 astetta.



PROSESSI JA TUOTTEEN LIITTYVÄT PARAMETRIT

Prosessin vakaus

Kukin kohde asetettiin yksilöllisesti ja arvioitiin käyttäen samoja kerrostusolosuhteita. Seuraavat parametrit asetettiin lähtökohdaksi kokeilun kaikille osa-alueille.


Taulukko 1. Prosessin parametrit

Parametri

mittaus

Substraatti lähdeetäisyydelle

80 mm

Alustan linjan nopeus

1 metri minuutissa

Passeen lukumäärä

10

Paksuuden mittaus

34, sijoitettu 25 mm: n välein toisistaan


Tämän päällystimen roiskutusikkuna oli samanlainen kuin tyypillinen suuri pinta-alainen lasipinnoitusympäristö.


Sputterinopeus

Sputterin nopeus määritettiin mittaamalla päällysteen paksuus kullakin substraatilla Dektak IIa: n kautta ja laskemalla sputterin nopeus substraatin linjan nopeuden ja läpivientien lukumäärän perusteella.


Pinnoitusprofiili - päällysteen yhtenäisyys

Paksuuden mittaus suoritettiin käyttäen 34 erillistä substraattia päällysteen tasaisuuden mittaamiseksi leveyden poikki


Johtava media

Kahdessa mallissa, jotka sisälsivät johtavan väliaineen sähkö- ja lämpöjohtokyvyn edistämiseksi kohdeholkkien ja tukiputken välillä, käytettiin seuraavia materiaaleja:

Sidottu putki - Puhdas indium - MP 156,6◦C, lämmönjohtavuus (85 ° C: ssa) .78 W / m◦K

Mekaaninen lämpöpastalla - Dow Corning DC340 - suurin käyttölämpötila - 200 ° C, lämmönjohtavuus .42 W / m◦K



TULOKSET JA KESKUSTELUT

Taulukko 2. Sputterin ominaisarvot - nm m / min

Tehotaso (kW)

Tullivarastossa

Mekaaninen

asentaa

Mekaaninen

w / terminen tahna

yhtenäinen

1
27 27 29 27
2.5 70 - 70 70
3,8 - - 108 -
5 135 - 140 140
7,5 198 - 202 200
10 - - 268 254


Taulukko 3. Lämpökuorma - kohdepinnan lämpötila - ◦C

Tehotaso (kW)

Tullivarastossa

Mekaaninen kiinnitys

Mekaaninen w / terminen tahna

yhtenäinen

1
33,3

260 ja kasvavat

32-34,5

32
2.5 44 -

42-44,3

38.8
3,8 - -

46,5-52,2

-
5 59.5 -

61 - 65,9

51
7,5 90 - - 63
10

> 200 ja kasvavat

-

111,5

89


Taulukko 4. Maks. Veden lämpötilan muutos - ◦C -

 

Tehotaso (kW)

Tullivarastossa

Mekaaninen kiinnitys

Mekaaninen w / terminen menneisyys

yhtenäinen

1 0,4 0,5 1 1,5
2.5 1,5 - 2.5 1.8
3,8 - - 2.5 -
5 2,4 - 3.0 3
7,5 6,4 - - 4.5
10 6.3 - 5,7 4.7


Pinnoitteen yhtenäisyys

Jokainen testattu malli osoitti samanlaista reunojen ja reunojen päällystysominaisuuksia. Substraatit ajettiin läpi 10 kulkea kohteen alapuolella. Kuvio 3 on edustava esimerkki paksuuden yhtenäisyydestä leveyden poikki. Käyrän muoto vastaa magneettiryhmän pituutta. Pudotus molemmissa päissä johtuu kohteen tarkkuudesta. Selkeitä eroja yhtenäisyydessä ei havaittu.

Figure 3

Kuva 3. Edge to Edge Coating Uniformity (tyypillinen)


Jokaisen mallin rajoitukset

Tässä testijärjestelmässä tulokset osoittavat, että mekaanisesti hihattu kohde ei ollut sopiva rakenne, tavoitelämpötilan nousu oli välitön ja dramaattinen. Sama kohde, kun sitä käytetään yhdessä johtavan tahnan kanssa, toimi paljon paremmin, mutta kohotetuilla tehokuormituksilla tahna muuttui nestemäisemmäksi ja itki ulos holkki-holkki-aukkoihin, jotka aiheuttavat kaaren tapahtumia. Pastan tilavuuden vähentäminen vuotamisen vuoksi myös vähentää kohteen lämmönsiirtokykyä. Ajan myötä tämä ilmentäisi kohonneissa kohdelämpötiloissa ja vähentäisi tehokasta kohde-aikaa. Sidotun kohteen suorituskyky oli hyvä 7,5 kW asti. Kuitenkin, kun kohde ajettiin ensin 10 kW: iin, osa indium-sidoksesta epäonnistui. Suorituskyky sen jälkeen oli epävakaa yli 5 kW. Kuten odotettaisiin, monoliittinen putki antoi parhaan kokonaistuloksen. Monoliittinen kohde antoi hyvän suorituskyvyn kaikilla tehotasoilla.


Mekaaniset jännitykset

Lämpövahvistus ei-sitoutuneessa putkessa oli riittävä putkisolujen lineaarisen laajenemisen aikaansaamiseksi. Niin paljon, että hitsattu suojarakenne deformoitui (katso kuviot 4 ja 5). Tämän putken testaus supistettiin tässä vaiheessa. Mikään muista putkikuvioista ei osoittanut mitään havaittavia mekaanisia rasituksia, jotka haittaavat kohteen käyttäytymistä.

Figure 4

Kuva 4. Deformoitu hitsattu kiinnitysrengas ilman hihnoja


kipinöintiä

Kaarenopeus mitattiin kullekin kohdekokoonpanolle. Arcing oli ongelma vain putkelle, joka sisälsi johtavan tahnan. Kun johtava tahna kuumeni ja alkoi itkeä hihojen aukkojen läpi, havaittiin suuri kaarenopeus. Muuten kaarevuus nähtiin vain silloin, kun termopari saatettiin kosketukseen putken kanssa.


Tulosten - implisiittisen operatiivisen kirjekuoren tulkinta

Figure 5

Kuva 5. Deformoitu hitsattu kiinnitysrengas, johon on asennettu hihat

Jokaista testiä varten monoliittinen kohde juoksi kylmempään ja antoi jatkuvasti korkean roiskeenopeuden. Mitään ongelmia ei ilmennyt, mikä osoittaisi, että 10kW on tämän mallin yläraja.

Myös sähköä johtavalla tahnalla varustetut mekaanisesti kiinnitetyt hihat toimivat hyvin. Tahnan säilyttäminen ja valvonta oli ongelma, ja se edellyttäisi suunnittelun parantamista sen varmistamiseksi, että tahna on vakaa koko putken käyttöiän ajan. Vaikka tämä suunnittelukonfiguraatio tallensi suurimman sputterinopeuden, testauksen vaihtelut tekevät tästä vähemmän merkittävän. On mahdollista, että kohdekuumennus voi olla edesauttanut lisääntynyttä ruiskutusnopeutta.

Samoin indium-sidottu tavoite täytti kaupallisen elinkelpoisuuden asettaman 5 kW: n tehovaatimuksen. Se osoitti myös epävakaa lämmönsiirtoa 10 kW: lla, minkä jälkeen sidoksen eheys väheni ja kohde ei enää toimisi johdonmukaisesti yli 7,5 kW: n tehoasetuksella. Koska tämä testi kiihdytettiin, tässä vaiheessa ei ole mahdollista määrittää, mikä sidoksen eheys olisi luonteeltaan pitkäaikainen käyttö tehoasetuksella 5 - 7,5 kW. Kohdemassan ja pinnan topografian vaikutuksella voi olla vaikutusta, kun kohde on heikentynyt ajan mittaan. Indium sulaa 156,6 ° C: ssa. Pintalämpötila 7,5 kW: iin asti oli alle sulamispisteen, yli 7,5 kW: n lämpötila oli yli 200 ° C. Mahdolliset muutokset vesihuollon tilavuudessa tai lämpötiloissa, jopa lyhyessä ajassa, voivat aiheuttaa spontaanin sidosvirheen.


YHTEENVETO

Useita eri malleja arvioitiin käytännössä. Tämä toteutettiin käyttämällä tyypillisiä laskeutumistekniikoita, joissa oli helposti saatavilla oleva laitteisto. Osoitettiin, että laskeutumiskyvyn potentiaalinen kasvu on suurin kohteissa, jotka tuottivat parhaan mahdollisen plasman lämmitystehojen hajoamisen. Holkin suorituskyvyn liukuminen oli hyvin rajallinen, mahdolliset vaikuttavat tekijät olivat epäkeskisyys taustaputkessa ja johtamattomuus pitkin pituutta pidätysrenkaille. Hihamallit, joissa on johdonmukainen lämmönsiirtoväliaine, joka täyttää kohdeholkin ID: n ja taustaputken OD: n väliset aukot, toimi hyvin. Jokainen näistä käsitteistä hyödyttää keskipitkän valinnan parannuksia, tiukempia toleransseja ja kokoonpanoa. Optimointi näillä alueilla johtaa parempaan ja johdonmukaisempaan suorituskykyyn.




Pari:Ei Seuraava:Haihdutus ja sputterointi