Сравнение на производителността на ротационните цели със сребърни ръкави с планарните цели

- Jul 12, 2019-

Сравнение на производителността на

Ротационни цели със сребърни ръкави с равнинни цели

 

РЕЗЮМЕ

Тънките сребърни филми се използват като функционален слой в много стекове за топлинно отразяващи приложения. Понастоящем, големи площи за покриване на повърхността се произвеждат чрез отлагане на магнетроновото разпрашаване и често от въртящи се цилиндрични мишени. Вече са добре познати присъщите предимства на въртящата се цилиндрична целева технология над равнинни катоди. Въпреки това, среброто е една от малкото метални мишени, които не са лесно достъпни при въртяща се цилиндрична версия. Причините за това са свързани с цената, механичната якост и обработката.

В тази статия се предлага нов подход за реализиране на Ag ротационни цели, при който цилиндричните втулки са монтирани и прикрепени към задната тръба. Сравняват се и се сравняват няколко цилиндрични конструкции с равнинни цели. Оценяват се параметрите, свързани с процеса и продукта, като стабилност на процеса, скорост на разпрашаване, еднаквост и качество на филма. Обсъдено е влиянието на топлинния товар на плазмата и произтичащите от това термично индуцирани механични напрежения върху изпълнението на целта Ag, както механично, така и на ниво процес. Целите бяха оценени на различни етапи от живота им, за да се определи дали изпълнението е стабилно и може да бъде надеждно прогнозирано.

 

ВЪВЕДЕНИЕ

Среброто се използва известно време като основен инфрачервен отразяващ филм в оптичните покрития. Изключителните присъщи електрически и топлопроводими свойства на среброто гарантират, че сребърните мишени ще се пръскат лесно и са стабилни в повечето типични работни среди. Среброто е произведено и разпръснато основно в равнинна форма, главно поради факта, че производството на сребро се извършва в много по-малки количества от мед, алуминий или титан. Оборудването, което обикновено се използва за получаване на сребро, е много по-малко значимо по обхват и обем от това, което се използва за други търговски материали.



ЕКСПЕРИМЕНТНИ ПРОЦЕДУРИ

Сравнение на дизайни

В съответствие с целите на този експеримент бяха оценени редица различни целеви проекти, за да се разгледат предимствата и ограниченията на всеки проект, основан на това, което потенциалните потребители на технологията ще срещнат при прилагането на сребърни ротационни цели в своите производствени системи.

Бяха оценени четири проекта. Те включват:

  • Ръкави, свързани с индий

  • Механично монтирани втулки

  • Механично монтирани втулки, допълнени с топлопроводима паста

  • Монолитна тръба

Първите три дизайна са монтирани върху стандартна тръба от неръждаема стомана, последната конструкция е изработена изцяло от сребро, без вградена подложна тръба.

Общият външен диаметър на мишената във всеки случай беше 155 mm (6.1 ”) OD. Целевата дължина е 878 mm (~ 35 ').



Търговски атрибути и ограничения

Ротационните системи за прицел имат способността да разпръскват с по-висока скорост, отколкото планарните цели, поради възможността да използват по-висока плътност на мощността. Ротационните характеристики на целта са по-последователни, тъй като ерозията е по-равномерна, изкопаването, наблюдавано по цялата дължина на равнинните цели, е ограничено върху ротационна цел към краищата. Използването също е по-високо за ротационни цели, обикновено над 80%, докато равнинните цели достигат средно около 30% добив. В областта на логистиката и манипулирането, използването на механично монтирани втулки би позволило на крайния потребител да отстрани и замени целевите втулки в рамките на тяхното съоръжение като част от нормалното поддържане на целта. Това дава на клиента по-точни сребърни тежести, изисква по-малко тръби и намалява разходите за доставка.

Свързаните ръкави не предлагат предимствата на управлението, нито могат лесно да бъдат възстановени в рамките на клиентско съоръжение. Те предлагат възможност за повърхностни профили и използване на различни материали, когато това е подходящо за крайното приложение.

Монолитна тръба предлага висока степен на отлагане, лекота на измерване на целевия добив и целево тегло, но има потенциални ограничения в неговата механична способност да обхваща дълги дължини, без да се отклонява и не намалява транспортните разходи за обработка на дълги дължини.


Контроли и измервания

Термичната печалба в мишената е собственост, която най-много притеснява експериментаторите. Интуитивно, дизайнът на ръкава ще има повече проблеми, свързани с разсейването на топлината, отколкото твърдите монолитни части. Преносът на топлина през процепи или чрез свързваща среда също ще се различават по скорост. Поради това е от голямо значение да се измерва коефициента на топлинно усилване в мишената като функция на нарастващите увеличения на приложената сила на разпрашаване. След оценка и отхвърляне на външни оптично базирани техники за измерване на топлина, беше установено, че контактната термодвойка е най-ефективният начин за измерване на топлинното усилване. Конструирана е система, която включва пружинно лостово рамо, за да постави термодвойката в твърд контакт с целта. Контактният товар беше достатъчен, за да се създаде канал за износване във всяка от изпитваните тръби. Фигура 1 илюстрира челна повърхност.

Figure 1

Фигура 1. Точка на контакт с термодвойки

Всяка мишена беше инсталирана в системата и разпръсквана с нарастваща мощност. Въз основа на моделирането на процесите и обратната връзка с промишлеността бе поставена цел за мощност от 5 kW (при 35-те цели). Това ще осигури търговски жизнеспособна скорост на разпрашаване, за да се увеличи линейната скорост на покритието. С цел да се определи максималната обвивка на производителността, всяка цел се движи с увеличаване на нивата на мощност, за да се идентифицират възможни механизми за отказ при повишени енергийни натоварвания.


Измерване на дъгата

Поведението на дъгата се измерва чрез разработена вътре в системата система. На практика, сребърните мишени не са склонни към искрене поради тяхната висока проводимост и обикновено са разпръснати в метален режим. Преброяването на дъгите за различните конструкции ще подчертае проблемите с електрическата проводимост или плазмената нестабилност.


КОНФИГУРАЦИЯ НА СИСТЕМАТА ЗА ПОКРИТИЕ

Покривна система

За изпитването е използвана еднокамерна система (Фигура 2) със стъклена транспортна система. Целевите тръби се инсталират поотделно и всяка серия от тест се повтаря. Целите бяха управлявани в режим на постоянен ток.

Figure 2

Фигура 2. Малка камера за изпитване


Газов газ и налягане

Използван е аргон за всички тестове с дебит 140 sccm. Налягането в камерата за всички тестове е между 2.0 - 2.3 х 10-3 mbar.


Дебит и температура на водата

Скоростта на потока се измерва за всеки тест заедно с входящите и изходящите температури. Големите промени в температурата на водата биха довели до добър термичен трансфер. Сравняването на различията на всяко ниво на мощност предлага поглед върху топлопредаването през ръкавите към подложната тръба към водата.


Магнитно поле

Типът на магнитния масив за всички тестове беше Bekaert AMBV2.1. Тази регулируема магнитна решетка е типичният дизайн, използван за големи покрития на стъклени покрития, предлагащи успоредна (тангенциална) сила на полето около 500 G върху целевата повърхност и целево използване над 80% в режим DC и AC. Включеният ъгъл между участъците на пистата е между 30 и 35 градуса.



ПАРАМЕТРИ, СВЪРЗАНИ С ПРОЦЕСА И ПРОДУКТИТЕ

Стабилност на процеса

Всяка мишена беше индивидуално инсталирана и оценена при използване на същите условия на отлагане. Следните параметри бяха определени като отправна точка за всички аспекти на експеримента.


Таблица 1. Параметри на процеса

параметър

измерване

Субстрат към изходното разстояние

80 mm

Линейна скорост на субстрата

1 метър за минута

Номер на Passe

10

Измерване на дебелината

34, разположени на 25 mm един от друг


Прозорчето за разпрашаване в този покриващ агент е подобно на типична среда за покриване на стъкло с голяма площ.


Скорост на разпрашаване

Скоростта на разпрашаване се определя чрез измерване на дебелината на покритието на всеки субстрат чрез Dektak IIa и изчисляване на скоростта на разпрашаване на базата на линейната скорост на субстрата и броя на проходите.


Профил на отлагане - еднородност на покритието

Измерването на дебелината беше проведено като се използват 34 отделни субстрата за измерване на равномерността на покритието по цялата ширина


Проводими медии

За двата проекта, в които е включена проводима среда за насърчаване на електрическата и термичната проводимост между целевите втулки и задната тръба, са използвани следните материали:

Свързваща тръба - чист индий - MP 156.6◦C, топлопроводимост (при 85◦C) .78 W / m◦K

Механична с термична паста - Dow Corning DC340 - максимална работна температура - 200◦C, топлопроводимост .42 W / m◦K



РЕЗУЛТАТИ И ДИСКУСИИ

Таблица 2. Специфични скорости на разпрашаване - nm m / min

Ниво на мощност (kW)

Осигурителни

механичен

планина

механичен

w / термична паста

монолитен

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


Таблица 3. Топлинно натоварване - Целева температура на повърхността - .C

Ниво на мощност (kW)

Осигурителни

Механичен монтаж

Механична термична паста

монолитен

1
33.3

260 и се увеличава

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 и се увеличава

-

111,5

89


Таблица 4. Макс. Промяна на температурата на водата - --C -

 

Ниво на мощност (kW)

Осигурителни

Механичен монтаж

Механично / термично минало

монолитен

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


Еднородност на покритието

Всяка изпитвана конструкция показа подобни свойства на покритие от край до край. Субстратите се циклират през 10 преминавания под мишената. Фигура 3 е представителен пример за еднаквост на дебелината по цялата ширина. Формата на кривата съответства на дължината на магнитната решетка. Отпадането в двата края се дължи на крайността на целта. Не са отбелязани явни различия в еднаквостта.

Figure 3

Фигура 3. Еднородност на покритието към ръба на ръба (типично)


Ограничения на всеки дизайн

При този режим на изпитване резултатите показват, че целта на механично затворените краища не е подходяща, увеличаването на целевата температура е незабавно и драматично. Една и съща мишена, когато се използва в комбинация с проводима паста, работи много по-добре, но при повишени енергийни натоварвания, пастата става по-течна и ще плаче от пролуките от ръкав към ръкав, причинявайки дъгови събития. Намаляването на обема на пастата поради изтичане също намалява способността за пренос на топлина на целта. С течение на времето това ще се прояви в увеличаване на целевите температури и намаляване на ефективния целеви живот. Свързаната цел показа добра производителност до 7,5 kW. Обаче, когато целта беше първа пробег до 10kW, част от връзката на индий се провали. Изпълнение след това е хаотично над 5 kW. Както може да се очаква, монолитна тръба осигурява най-добрия цялостен резултат. Монолитна цел осигурява добро представяне на всички нива на мощност.


Механични напрежения

Топлинното усилване в несвързаната тръба е достатъчно, за да предизвика линейно разширение на тръбните втулки. Толкова много, така че завареният пръстен за задържане се деформира (виж фигури 4 и 5). Изпитването на тази тръба беше ограничено на този етап. Нито една от другите конструкции на тръби не показва никакви забележими механични напрежения, които биха възпрепятствали поведението на целта.

Figure 4

Фигура 4. Деформиран заварен задържащ пръстен без ръкави


искрене

Скоростта на дъгата се измерва за всяка от целевите конфигурации. Издухването е проблем само за тръбата, включваща проводима паста. Когато проводимата паста се нагрява и започва да плаче през пролуките в ръкавите, се забелязва висока скорост на дъгата. В противен случай, дъгата се вижда само когато термодвойката е влязла в контакт с тръбата.


Интерпретация на работната обвивка, която е свързана с резултатите

Figure 5

Фигура 5. Деформиран заварен задържащ пръстен с монтирани втулки

За всеки тест, монолитната цел се движеше по-хладно и осигуряваше постоянно висока скорост на разпрашаване. Не бяха открити проблеми, които да показват, че 10kW е горната граница за този дизайн.

Механично монтираните втулки, допълнени с проводима паста, също се представят добре. Задържането и контрола на пастата е проблем и изисква подобрение на дизайна, за да се гарантира, че пастата е стабилна през целия живот на тръбата. Въпреки че тази конфигурация на дизайна записа най-високата скорост на разпрашаване, разликите в тестовете правят това по-малко значимо. Възможно е целевото нагряване да е допринесло за повишена скорост на разпрашаване.

По същия начин мишената, свързана с индий, отговаря на изискванията за мощност от 5 kW за търговска жизнеспособност. Той също така показа нестабилен топлообмен при 10 kW, след което целостта на връзката беше намалена и целта нямаше да работи последователно при мощност, по-голяма от 7,5 kW. Тъй като този тест е ускорен, не е възможно на този етап да се определи какъв характер ще бъде целостта на връзката за продължителна работа при мощност от 5 до 7,5 kW. Ефектът от целевата маса и топографията на повърхността може да има ефект, тъй като целта се ерозира с течение на времето. Индийът се топи при 156,6 ° С. Температурата на повърхността до 7.5kW е по-малка от точката на топене, след 7.5kW температурата е над 200 ° C. Всяка промяна в обема или температурата на подаване на вода, дори и за кратък период от време, може да причини спонтанна повреда на връзката.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Няколко различни проекта бяха оценени по практичен начин. Това беше постигнато при използване на типични технологии за отлагане с лесно наличен хардуер. Беше доказано, че потенциалното увеличение на производителността на отлагане е най-голямо за цели, които осигуряват най-доброто разсейване на топлинните ефекти на плазмата. Ефектът на приплъзване на ръкава беше много ограничен, като възможните фактори, допринасящи за това, бяха ексцентрицитет в задната тръба и липсата на проводимост по дължината на задържащите пръстени. Конструкциите на ръкавите с кохерентна топлопренасяща среда за запълване на празнините между идентификационния номер на целевата втулка и OD на задната тръба, работят добре. Всяка от тези концепции ще се възползва от подобренията в избора на среда, по-строги толеранси и монтаж. Оптимизацията в тези области ще доведе до по-висока и по-последователна производителност.




Един чифт:Не Следваща:Изпаряване и разпрашване