RU2024367C1 - Method of electric-isolation treatment of dielectrics - Google Patents

Abstract

FIELD: treatment of parts. SUBSTANCE: ceramic article 5 is placed into microwave field generated by generator 2 between electrodes 1. Under local effect of thermal pulse onto article made of ceramics the temperature of part of the surface increases, which results to local increase in electric conductivity. Absorption and dissipation of microwave field are improved at this part and temperature grows subsequently. Process terminates with local electric discharge and breakage of part of surface of article, marked by thermal pulse. EFFECT: improved efficiency. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к размерной обработке диэлектрических материалов и применяется для создания глухих и сквозных отверстий, резки деталей, создания канавок, уступов и других форм рельефа поверхности на деталях из непроводящих материалов, в частности, изготовленных из конструкционной керамики на основе оксидов металлов, применяемой в машиностроении, электронике и других областях техники. The invention relates to dimensional processing of dielectric materials and is used to create blind and through holes, cutting parts, creating grooves, ledges and other forms of surface relief on parts of non-conductive materials, in particular, made of structural ceramics based on metal oxides used in mechanical engineering, Electronics and other fields of technology.

Известен способ обработки материала пучком заряженных частиц, в котором, подавая импульсный ток или напряжение на четырехполюсный дефлектор, отклоняют пучок заряженных частиц, выходящих из электронной пушки, регулируют положение материала и величину тока или напряжения, чтобы точки падения лучей на материал были расположены на соответствующих местах обработки. A known method of processing material with a beam of charged particles, in which, by applying a pulsed current or voltage to a four-pole deflector, the beam of charged particles exiting the electron gun is deflected, the position of the material and the magnitude of the current or voltage are adjusted so that the points of incidence of the rays on the material are located at appropriate places processing.

Недостатком известного способа является сложность обработки материала за счет необходимости больших токов для создания заданных скоростей обработки. The disadvantage of this method is the complexity of the processing of the material due to the need for high currents to create specified processing speeds.

Известен также способ обработки керамических материалов с помощью подвода к детали потока энергии, например, лазерного излучения, при котором материал, подлежащий уносу, удаляется в результате испарения слоя в месте падения на него сфокусированного лазерного излучения. There is also a known method of processing ceramic materials by applying an energy flux, for example, laser radiation to a part, in which the material to be carried away is removed as a result of evaporation of the layer at the point where the focused laser radiation falls on it.

Этот способ обладает одним существенным недостатком, связанным с тем, что для производства необходимого действия (нагрева и испарения удаляемого материала) используется высоко организованная форма энергии - лазерное излучение. При техническом осуществлении его приходится использовать громоздкое и дорогостоящее оборудование, каковым являются мощные технологические лазеры, так как конструкционные керамики имеют высокую температуру испарения и для их обработки необходима большая мощность в пучке лазера. This method has one significant drawback associated with the fact that a highly organized form of energy, laser radiation, is used to produce the necessary action (heating and vaporizing the material being removed). In the technical implementation, it is necessary to use bulky and expensive equipment, which are powerful technological lasers, since structural ceramics have a high evaporation temperature and for their processing a large power in the laser beam is required.

Наиболее близким техническим решением является способ обработки диэлектриков путем воздействия на обрабатываемую поверхность СВЧ-полем, например, при помещении диэлектрических деталей в СВЧ-резонатор. The closest technical solution is the method of processing dielectrics by exposing the surface to be treated with a microwave field, for example, when placing dielectric parts in a microwave resonator.

Недостатки этого способа связаны с тем, что область воздействия СВЧ-поля на деталь оказывается слишком большой (порядка 1 см в поперечнике). Это не позволяет делать точно расположенные тонкие разрезы и четко очерченные отверстия, т. е. размерная обработка диэлектриков становится невозможной. The disadvantages of this method are due to the fact that the area of influence of the microwave field on the part is too large (about 1 cm across). This does not allow making precisely located thin sections and clearly defined holes, i.e., dimensional processing of dielectrics becomes impossible.

Целью изобретения является обеспечение точности и управляемости процесса электроэрозионного удаления материала с диэлектрических деталей при воздействии на них СВЧ-полем. The aim of the invention is to ensure the accuracy and controllability of the process of electroerosive removal of material from dielectric parts when exposed to a microwave field.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки деталей из диэлектриков, заключающемся в воздействии на обрабатываемый диэлектрик СВЧ-полем, на деталь оказывают также энергетическое воздействие, локализующее зону диссипации СВЧ-поля, до возникновения в ней электрического разряда и последующего эрозионного удаления материала диэлектрика, причем локализующее воздействие осуществляют или ионным пучком в вакууме, или пучком ультрафиолетового излучения, или пучком теплового излучения. This goal is achieved by the fact that in the method of processing parts from dielectrics, which consists in exposing the dielectric to a microwave field to be treated, the component also has an energy effect localizing the zone of dissipation of the microwave field until an electric discharge occurs in it and subsequent erosive removal of the dielectric material, moreover, the localizing effect is carried out either by an ion beam in vacuum, or by a beam of ultraviolet radiation, or by a beam of thermal radiation.

На чертеже показана схема устройства для реализации способа обработки деталей из керамики. The drawing shows a diagram of a device for implementing the method of processing parts from ceramics.

В способе используют свойство высокотемпературных керамик, согласно которому диссипация энергии электрического поля в диэлектрике резко возрастает с увеличением концентрации носителей тока в зоне проводимости диэлектрика. Интенсивная диссипация приводит к локальному нагреву и испарению части материала детали и его удалению с места, подлежащего обработке. Инициирующий импульс энергии и локализующее его "пилотное" воздействие заключается в создании начального количества носителей тока в зоне проводимости диэлектрика в строго локализованном месте обрабатываемой детали. Такое воздействие может осуществляться несколькими способами: в виде теплового импульса, ультрафиолетового излучения или имплантации ионного пучка в поверхностный слой диэлектрика, подлежащего удалению. The method uses the property of high-temperature ceramics, according to which the dissipation of the energy of the electric field in the dielectric increases sharply with increasing concentration of current carriers in the conduction band of the dielectric. Intensive dissipation leads to local heating and evaporation of part of the material of the part and its removal from the place to be processed. The initiating energy pulse and the localizing “pilot” effect consists in creating the initial number of current carriers in the conduction band of the dielectric in a strictly localized place of the workpiece. This effect can be carried out in several ways: in the form of a heat pulse, ultraviolet radiation or implantation of an ion beam into the surface layer of the dielectric to be removed.

Устройство, реализующее способ при использовании в качестве "пилотного" воздействия теплового или ультрафиолетового излучения, содержит электроды 1, источник СВЧ-поля 2, источник теплового импульса 3 (представленный в данном случае в виде лампы накаливания, но можно использовать и лазер малой мощности) и фокусирующей системы 4. Вместо источника теплового импульса 3 в этой схеме может быть использован и источник ультрафиолетового излучения с соответствующей модификацией фокусирующей системы 4. Обрабатываемая керамическая деталь 5 устанавливается между электродами 1 в области СВЧ-поля. Если в качестве "пилотного" воздействия применяется ионный пучок, то процесс ведут в вакуумной камере и вместо источника теплового импульса 3 устанавливают ионную пушку. A device that implements the method when using thermal or ultraviolet radiation as a “pilot” exposure comprises electrodes 1, a microwave field source 2, a heat pulse source 3 (presented in this case as an incandescent lamp, but a low-power laser can also be used) and focusing system 4. Instead of a heat pulse source 3, an ultraviolet radiation source with a corresponding modification of the focusing system can be used in this scheme 4. The processed ceramic part 5 is installed between the electrodes 1 in the microwave field. If an ion beam is used as a “pilot” effect, the process is conducted in a vacuum chamber and an ion gun is installed instead of the heat pulse source 3.

Способ заключается в следующем. The method is as follows.

Керамическая деталь 5, помещенная в СВЧ-поле, созданное генератором между электродами 1, практически не поглощает энергию из него. Однако электропроводность керамик на основе окислов металлов экспоненциально увеличивается с ростом температуры. При локальном воздействии теплового импульса на деталь из керамики температура участка поверхности увеличивается, что ведет к локальному увеличению электропроводности ее из-за увеличения количества носителей тока в поверхностном слое керамики. Это приводит к увеличению поглощения и диссипации СВЧ-поля в этом участке и дальнейшему росту его температуры. При определенных условиях процесс становится саморазгоняющимся и заканчивается локальным электрическим разрядом и разрушением в результате него участка поверхности детали, первоначально "помеченного" тепловым импульсом. The ceramic part 5, placed in the microwave field created by the generator between the electrodes 1, practically does not absorb energy from it. However, the electrical conductivity of ceramics based on metal oxides exponentially increases with temperature. With a local influence of a thermal pulse on a ceramic part, the temperature of the surface portion increases, which leads to a local increase in its electrical conductivity due to an increase in the number of current carriers in the surface layer of ceramics. This leads to an increase in the absorption and dissipation of the microwave field in this region and a further increase in its temperature. Under certain conditions, the process becomes self-accelerating and ends with a local electric discharge and the destruction as a result of it of the part of the surface of the part, originally "marked" with a thermal pulse.

Такой способ эффективен при обработке керамик на основе оксидов металлов, например оксидов алюминия и циркония. У ряда диэлектриков зависимость электропроводности от температуры выражена не очень сильно, и в этом случае более эффективно использовать в качестве "пилотного" воздействия пучок ультрафиолетового излучения. Это излучение целесообразно применять при обработке металлокерамик. При "пилотном" воздействии ультрафиолетового излучения на подлежащий удалению участок керамики это излучение поглощается примесными ионами и прочими дефектами кристаллической решетки (или при достаточной энергии квантов излучение возбуждает электроны валентной зоны диэлектрика) и тем создает пространственно выделенный начальный участок керамики с повышенной диссипацией СВЧ-поля. Далее процесс идет аналогично возбуждению тепловым импульсом. This method is effective in the processing of ceramics based on metal oxides, for example, aluminum and zirconium oxides. For a number of dielectrics, the temperature dependence of electrical conductivity is not very pronounced, and in this case it is more efficient to use a beam of ultraviolet radiation as a “pilot” effect. This radiation is advisable to apply in the processing of cermets. During the “pilot” action of ultraviolet radiation on the ceramic section to be removed, this radiation is absorbed by impurity ions and other defects of the crystal lattice (or with sufficient quantum energy, the radiation excites the electrons of the valence band of the dielectric) and thereby creates a spatially separated initial ceramic region with increased microwave field dissipation. Further, the process proceeds similarly to excitation by a thermal pulse.

Удобной заменой ультрафиолетового воздействия в случае обработки керамик, применяемых при создании элементов электронной техники, служит "пилотное" воздействие ионным пучком на керамику, осуществляемое в вакууме. Точность образования рельефа на деталях в этом случае получается наибольшей, а достигаемые размеры элементов рельефа - наименьшими. При ионном "пилотном" воздействии имплантированные ионы и созданные ими в диэлектрике носители тока служат теми начальными носителями тока, благодаря которым возникает начальная диссипация электрического поля в керамике, а затем вступает в действие тепловой саморазгон диссипации в "помеченном" ионами участке. A convenient replacement for the ultraviolet effect in the case of processing ceramics used to create elements of electronic equipment is the "pilot" ion beam action on ceramics carried out in vacuum. The accuracy of the formation of the relief on the details in this case is the highest, and the achieved dimensions of the relief elements are the smallest. Under the ionic “pilot” action, the implanted ions and the current carriers created by them in the dielectric serve as the initial current carriers due to which the initial dissipation of the electric field in the ceramic occurs, and then the thermal self-acceleration of dissipation in the ion-labeled region comes into effect.

Рассмотрим способ обработки деталей из керамики, например, на основе окиси алюминия. Деталь помещали в СВЧ-поле с напряженностью в несколько десятков кВ/см. Для возникновения саморазгоняющейся диссипации СВЧ-мощности температура предварительного нагрева участка поверхности детали тепловым воздействием (пучком теплового излучения) должна составлять около 600-700^оС. Объем материала детали удаленного разрядом, возникшим в результате саморазгона диссипации СВЧ-мощности, определяется размером площадки, на которую воздействовали концентрированным потоком тепловой энергии, и глубиной прогрева керамики. Площадь поверхности, с которой удален материал, составляет 10^-3-1 см² при глубинах около 5-25 мкм.Consider a method for processing ceramic parts, for example, based on aluminum oxide. The part was placed in a microwave field with an intensity of several tens of kV / cm. For the occurrence of the self-power dissipation microwave preheating temperature portion of the workpiece surface thermal effect (thermal radiation beam) should be about 600-700 ^C. The amount of material items remote discharge, arising as a result samorazgona microwave power dissipation is determined by the size of the site on which exposed to a concentrated flow of thermal energy, and the depth of heating of ceramics. The surface area from which the material is removed is 10 ⁻³ −1 cm ² at depths of about 5–25 μm.

Типичные значения длин волн ультрафиолетового излучения для фотостимулирования диссипации СВЧ-мощности составляют менее 2500

в случае керамик на основе окиси алюминия, имеющей центры окраски. В зависимости от интенсивности облучения детали ультрафиолетовым излучением изменяют скорость эрозионного удаления материала.Typical UV wavelengths for photostimulating microwave power dissipation are less than 2500

in the case of ceramics based on alumina having color centers. Depending on the intensity of irradiation of the part with ultraviolet radiation, the rate of erosive removal of the material is changed.

Рабочая энергия ионов составляет около 10-20 кэВ, выбранная из условия проникновения ионов в диэлектрик при имплантации, а скорость эрозионного удаления, аналогичного случаю воздействия ультрафиолетового излучения, прямо пропорциональна плотности потока ионов, падающих на участок поверхности, подлежащий удалению. Воздействие ионным пучком представляется особенно удобным для обработки керамических деталей в микроэлектронике. The working energy of the ions is about 10-20 keV, selected from the condition of the penetration of ions into the dielectric during implantation, and the rate of erosion removal, similar to the case of exposure to ultraviolet radiation, is directly proportional to the density of the flux of ions incident on the surface area to be removed. Exposure to an ion beam seems especially convenient for processing ceramic parts in microelectronics.

Способ позволяет вести размерную обработку деталей с высокой производительностью. В зависимости от режимов обработки можно регулировать точность получаемых на керамической детали размеров (например, диаметров отверстий, ширины и глубины канавки и т. п.) в пределах достижимых для механической обработки конструкционных металлов. The method allows for dimensional processing of parts with high performance. Depending on the processing conditions, it is possible to adjust the accuracy of the dimensions obtained on the ceramic part (for example, hole diameters, groove width and depth, etc.) within the limits of structural metals achievable for machining.

Применение способа для обработки керамик позволяет исключить использование дорогостоящего алмазного инструмента и оборудования на основе мощных технологических лазеров. The use of the method for processing ceramics eliminates the use of expensive diamond tools and equipment based on powerful technological lasers.

Claims (4)

1. СПОСОБ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ, заключающийся в воздействии на заготовку СВЧ-полем, отличающийся тем, что обрабатываемый участок поверхности заготовки подвергают энергетическому воздействию, локализующему зону диссипации СВЧ-поля, до возникновения локального электрического разряда. 1. METHOD FOR ELECTROEROSION TREATMENT OF DIELECTRICS, which consists in exposing the workpiece to a microwave field, characterized in that the treated surface area of the workpiece is subjected to an energy action localizing the zone of dissipation of the microwave field until a local electric discharge occurs. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что энергетическое воздействие осуществляют ионным пучком в вакууме. 2. The method according to p. 1, characterized in that the energy effect is carried out by an ion beam in vacuum. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что энергетическое воздействие осуществляют пучком ультрафиолетового излучения. 3. The method according to p. 1, characterized in that the energy effect is carried out by a beam of ultraviolet radiation. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что энергетическое воздействие осуществляют пучком теплового излучения. 4. The method according to p. 1, characterized in that the energy impact is carried out by a beam of thermal radiation.