Hlavné príčiny, mechanizmy porúch a technické riešenia

Úvod

Pochopenie toho, prečo titánové terče praskajú, si vyžaduje viac než len jednoduché vysvetlenie materiálov. Tento jav zahŕňa komplexnú interakciu tepelného napätia, mikroštruktúry, účinnosti chladenia, kvality lepenia, geometrie terča a parametrov naprašovania.

Tento článok skúma základné mechanizmy praskania titánového terča a poskytuje praktické technické riešenia na maximalizáciu životnosti terča a stability procesu.

Pochopenie stresového prostredia titánového terča

Počas magnetrónového naprašovania energetické ióny nepretržite bombardujú povrch cieľa.

Cieľové skúsenosti:

Lokalizované vykurovanie

Tepelné cyklovanie

Mechanické obmedzenia

Elektromagnetické sily

Zvyškové výrobné napätia

Hoci titán má vynikajúcu pevnosť a húževnatosť pri izbovej teplote, stále môže vyvinúť kritické koncentrácie napätia v podmienkach naprašovania.

Keď tieto napätia prekročia odolnosť materiálu proti lomu, dochádza k praskaniu.

Porucha sa vo všeobecnosti vyvíja v troch fázach:

Akumulácia stresu

Iniciácia trhliny

Šírenie trhlín

Príčina 1: Nadmerný tepelný stres

Najbežnejší mechanizmus zlyhania

Tepelné napätie je zodpovedné za väčšinu prípadov praskania titánového terča.

Počas naprašovania len zlomok vstupného výkonu prispieva k vyvrhnutiu atómu.

Veľké percento sa premení na teplo.

Cieľová povrchová teplota môže byť výrazne vyššia ako teplota nosnej dosky a chladiaceho systému.

To vytvára teplotný gradient:

Horúci povrch ↓ Titánový terč ↓ Chladná oporná doska

Teplejší povrch sa rozťahuje, zatiaľ čo chladnejšia zadná strana expanziu obmedzuje.

V dôsledku toho vzniká vnútorný stres.

Tepelné napätie možno približne určiť pomocou:s=E a DT

kde:

σ=tepelné napätie

E=modul pružnosti

= koeficient tepelnej rozťažnosti

ΔT=teplotný rozdiel

Dokonca aj mierne rozdiely teplôt môžu spôsobiť značné vnútorné napätie v rámci veľkoplošných{0}}titánových terčov.

Typické príznaky

Radiálne trhliny

Obvodové trhliny

Praskanie okrajov

Zlomeniny stredovej čiary

Inžinierske riešenie

Zlepšite účinnosť vodného chladenia

Udržujte rovnomerný prietok chladiacej kvapaliny

Vyhnite sa náhlemu zvýšeniu výkonu

Použite postupné postupné zvyšovanie výkonu

Monitorujte cieľovú povrchovú teplotu

Príčina 2: Slabý cieľ-pre-lepenie podkladovej dosky

Mnoho titánových naprašovacích terčov je spojených s medenými podkladovými platňami pomocou:

Väzba india

Spájkovanie

Difúzna väzba

Lepenie elastomérov

Spojovacia vrstva plní dve dôležité funkcie:

Mechanická podpora

Prenos tepla

Ak je kvalita lepenia nízka, lokálny tepelný odpor sa zvyšuje.

Tieto oblasti sa počas naprašovania stávajú horúcimi miestami.

Ako sa horúce miesta vyvíjajú:

Lokálna expanzia sa zvyšuje

Koncentrácia stresu stúpa

Iniciácia trhliny sa stáva pravdepodobnou

Bežné chyby lepenia

Voids

Delaminácia

Neúplné zvlhčenie

Nerovnomerná hrúbka spoja

Oxidované rozhrania

Detekčné metódy

Ultrazvuková kontrola

Infračervené tepelné zobrazovanie

röntgenové vyšetrenie

Najlepšia prax

Cieľoví výrobcovia by mali pred odoslaním vykonať 100% ultrazvukovú kontrolu väzby.

Príčina 3: Zvyškové napätie z výroby

Titánové terče prechádzajú viacerými výrobnými krokmi:

Vákuové tavenie

Kovanie

Rolovanie

Obrábanie

Žíhanie na zmiernenie stresu

Ak zvyškové napätie zostane zachytené v materiáli, teplo rozprašovania môže aktivovať a zosilniť tieto napätia.

Výsledkom môže byť spontánne praskanie, aj keď sa prevádzkové podmienky javia ako normálne.

Typické zdroje

Ťažká práca za studena

Nadmerné zníženie valcovania môže spôsobiť značné zvyškové napätie.

Nesprávne tepelné spracovanie

Nedostatočné žíhanie zanecháva vnútornú deformačnú energiu v mikroštruktúre.

Agresívne obrábanie

Operácie hlbokého rezania môžu vyvolať povrchové napätie v ťahu.

Prevencia

Vákuové žíhanie-na zmiernenie stresu

Riadené plány kovania

Optimalizované parametre obrábania

Meranie zvyškového napätia

Príčina 4: Abnormálna štruktúra zŕn

Mikroštruktúra hrá hlavnú úlohu v spoľahlivosti cieľa.

Titánové terče s-jednotnou štruktúrou zŕn často vykazujú zníženú odolnosť voči tepelnej únave.

Problémy s hrubými zrnami

Veľké zrná vytvárajú:

Anizotropná expanzia

Nerovnomerná deformácia

Koncentrácia napätia na hranici zŕn

Problémy so zmiešanou veľkosťou zŕn

Kombinácia jemných a hrubých zŕn spôsobuje lokalizovaný nesúlad napätia počas zahrievania.

Tento nesúlad urýchľuje tvorbu trhlín.

Ideálna titánová cieľová štruktúra

Vysokokvalitné{0} terče na naprašovanie zvyčajne obsahujú:

Jemné rovnoosé zrná

Rovnomerné rozloženie zrna

Nízka intenzita textúry

Minimálne inklúzie

Tieto vlastnosti podporujú rovnomerné rozloženie tepla a rozptyl napätia.

Príčina 5: Kyslíková a intersticiálna kontaminácia

Titán je mimoriadne citlivý na intersticiálne prvky:

Kyslík

Dusík

Vodík

Uhlík

Spomedzi nich je obzvlášť kritický kyslík.

Keď sa koncentrácia kyslíka zvyšuje:

Sila sa zvyšuje

Znižuje sa ťažnosť

Lomová húževnatosť klesá

Cieľ sa stáva krehkejším.

Dokonca aj komerčne čistý titán sa môže stať náchylným na praskanie, ak nie sú správne kontrolované hladiny kyslíka.

Príklad

CP titánový stupeň 1:

Vyššia ťažnosť

Lepšia odolnosť voči prasklinám

CP titánový stupeň 4:

Vyššia pevnosť

Nižšia húževnatosť

Pre aplikácie naprašovania vyžadujúce vysokú odolnosť proti tepelným cyklom sú všeobecne preferované nižšie triedy kyslíka.

Príčina 6: Príliš vysoká hustota výkonu

Mnoho zlyhaní cieľa sa vyskytuje, keď sa používatelia pokúšajú maximalizovať rýchlosť ukladania.

Zvyšujúca sa hustota výkonu zvyšuje:

Iónové bombardovanie

Povrchová teplota

Tepelné gradienty

Za kritickým prahom dochádza k lokalizovanému prehriatiu.

Výstražné znamenia

Časté iskrenie

Abnormálne kolísanie napätia

Odfarbenie

Nadmerná hĺbka eróznej drážky

Odporúčaný prístup

Namiesto dramatického zvyšovania výkonu:

Optimalizujte dizajn magnetického poľa

Zlepšite uniformitu plazmy

Zvýšte účinnosť chladenia

Použite väčšie cieľové rozmery

Príčina 7: Nerovnomerná erózia a tvorba pretekárskej dráhy

Magnetrónové naprašovanie prirodzene vytvára charakteristický erózny vzor známy ako pretekárska dráha.

Ako prskanie pokračuje:

Niektoré oblasti sa stenčujú

Rozloženie tepla sa stáva nerovnomerným

Mechanická tuhosť klesá

Zvyšný materiál musí niesť zvyšujúce sa tepelné a mechanické zaťaženie.

Trhliny často vznikajú v blízkosti:

Hlboké erózne zóny

Okraje pretekárskej dráhy

Tenké zvyškové časti

Preventívne opatrenia

Otočte magnetické zostavy

Optimalizujte dizajn magnetu

Sledujte hĺbku erózie

Vymeňte terče pred dosiahnutím kritickej hrúbky

Príčina 8: Tepelná únava počas opakovaných cyklov spúšťania{1}}Stop

Mnoho výrobných zariadení prevádzkuje systémy naprašovania prerušovane.

Každý cyklus podriaďuje cieľ:

Ohrev ↓ Expanzia ↓ Chladenie ↓ Kontrakcia

Po stovkách alebo tisíckach cyklov vznikajú mikroskopické únavové trhliny.

Tieto trhliny postupne rastú, až kým nedôjde ku katastrofálnej poruche.

Tento jav je podobný tepelnej únave pozorovanej v lopatkách turbín a výmenníkoch tepla.

Stratégie zmierňovania

Obmedzte zbytočné odstávky

Implementujte riadené vykurovacie rampy

Vyhnite sa rýchlemu ochladzovaniu

Príčina 9: Cracking vyvolaný zahrnutím-

Ne{0}}kovové inklúzie sú nebezpečnými iniciátormi trhlín.

Potenciálne inklúzie zahŕňajú:

častice TiO₂

Karbidy

Nitridy

Oxidové zhluky

Pri tepelnom namáhaní sa inklúzie správajú odlišne od okolitej titánovej matrice.

Nesúlad vytvára lokalizované koncentrácie stresu.

Trhliny často vznikajú na inklúznych rozhraniach.

Výrobné požiadavky

Prémiové titánové terče by sa mali vyrábať s použitím:

Pretavovanie vákuovým oblúkom (VAR)

Topenie elektrónovým lúčom (EBM)

Prísne postupy kontroly inklúzie

Analýza zlyhania prasknutého titánového terča

Keď terč praskne, mala by sa systematicky skúmať hlavná príčina.

Typický pracovný postup analýzy porúch zahŕňa:

Vizuálne vyšetrenie

Všimnite si:

Smer trhliny

Miesto trhliny

Vzor erózie

Metalografická analýza

Vyhodnotiť:

Veľkosť zrna

Obsah inklúzie

Mikroštrukturálne abnormality

Fraktografia

Analýza SEM odhaľuje, či zlyhanie bolo:

Tepelná únava

Krehký lom

Zlomenina-indukovaná inklúziou

Kontrola dlhopisov

Skontrolujte:

Voids

Delaminácia

Poruchy tepelného rozhrania

Preskúmanie procesu

Preskúmať:

História napájania

Výkon chladenia

Frekvencia oblúka

Cieľový pomer využitia

Ako vysoko-kvalitné titánové ciele znižujú riziko prasknutia

Najspoľahlivejšie titánové naprašovacie terče majú niekoľko vlastností:

Výrobcovia schopní kontrolovať tieto faktory dôsledne poskytujú dlhšiu cieľovú životnosť, lepšiu stabilitu depozície a nižšie náklady na vlastníctvo.

Záver

Prasknutie titánového terča je zriedkavo spôsobené jediným faktorom. Vo väčšine prípadov je výsledkom interakcie tepelného napätia, kvality spojenia, mikroštruktúry, zvyškového napätia, kontaminácie a podmienok procesu.

Pre používateľov naprašovania sú základnými krokmi zlepšenie dizajnu chladenia, optimalizácia hustoty výkonu a monitorovanie erózie cieľa. Pre výrobcov terčov je výroba vysoko čistých titánových terčov s jednotnou mikroštruktúrou, nízkym zvyškovým napätím a spoľahlivým spojením kľúčom k zabráneniu predčasného zlyhania.

Keďže systémy naprašovania pokračujú v pohybe smerom k vyššej hustote výkonu a väčším formátom terča, pochopenie základných príčin praskania terča sa stáva čoraz dôležitejším. Dobre skonštruovaný titánový terč nie je len spotrebným materiálom,-je kritickým komponentom, ktorý priamo ovplyvňuje kvalitu filmu, stabilitu procesu a efektivitu výroby.

O Autorovi

Ako špecializovaný výrobca titánových naprašovacích terčov a pokročilých PVD materiálov dodávame titánové terče s vysokou{0}}čistotou, terče z titánovej zliatiny, terče zo zliatiny Ti-Al, zirkóniové terče, chrómové terče a prispôsobené lepené zostavy pre polovodiče, displeje, optické povlaky a priemyselné PVD aplikácie. Náš inžiniersky tím podporuje zákazníkov výberom cieľového materiálu, technológiou spájania, optimalizáciou mikroštruktúry a službami analýzy porúch.

Kontaktujte teraz