Чжо Янян1, В.Н. Масловский2, К.М. Моисеев3

1–3 МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, Россия)
 

Постановка проблемы. Размерная электронно-лучевая обработка (ЭЛО) керамических материалов является перспективной и имеет ряд преимуществ относительно механической и лазерной обработки. Однако ее практическая реализация затруднена в связи с большой вариативностью режимов и параметров ЭЛО, а также относительно небольшим количеством исследований.

Цель. Провести численное моделирование электронно-лучевой размерной обработки керамических подложек, проанализировать влияние ее режимов на параметры получаемых отверстий.

Результаты. Проведено моделирование процесса электронно-лучевой обработки подложек из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC) в программном комплексе Ansys. Выбран тип источника теплового воздействия электронного луча. Проанализировано влияние начальной температуры обработки 20, 400 и 800°С на напряжение образца, а также влияние тока обработки и длительности импульса на диаметр и глубину отверстий. Определено, что для минимальных значений тока пучка 1 мА и минимальной длительности импульса 5 мс, обеспечиваемых электронно-лучевой пушкой ЭЛТА-60.15ДП, температура в зоне обработки повышает температуру испарения керамики за время 30 мкс при любой начальной температуре, при этом напряжение в образце при повышении начальной температуры с 20 до 800°С уменьшается в 3,5 раза. Показано, что ток обработки и длительность первого импульса более существенно влияют на диаметр получаемых отверстий, чем на их глубину.

Практическая значимость. При моделировании определены параметры ЭЛО, критически влияющие на возможность обработки керамических материалов, – длительность импульса и ток пучка. На основании полученных результатов предъявлены требования к параметрам электронно-лучевой пушки, наиболее подходящей для такой обработки.

Чжо Янян, Масловский В.Н., Моисеев К.М. Численное моделирование электронно-лучевой размерной обработки керамических подложек // Наукоемкие технологии. 2022. Т. 23. № 4. С. 5−13. DOI: https:// doi.org/10.18127/j19998465-202204-01

1. Кондратюк Р. LTCC – низкотемпературная совместно обжигаемая керамика // Наноиндустрия, 2011 № 2. С. 26.
2. Перцель Я.М., Яковлев А.Н. Преимущества использования технологии низкотемпературной керамики для реализации радиоэлектронных устройств // Современные технологии. 2012. № 8. С. 16–17.
3. Симин А., Холодняк Д. Многослойные интегральные схемы СВЧ на основе керамики с низкой температурой обжига // Компоненты и технологии. 2005. № 5.
4. Абрамова Е., Пахомов Н., Перцель Я. Исследование технологии изготовления многослойных печатных плат СВЧ с применением жидкокристаллических полимеров // Современная электроника. 2014. № 5. С. 16–18.
5. Khoong LE., Tan Y.M., Lam Y.C. Overview on fabrication of three-dimensional structures in multi-layer ceramic substrate. Journal of the European Ceramic Society. 2010. № 30(10). P. 1973–1987.
6. Zhuo Y., Liang M., Moiseev K. M., et al. Possibilities of the Electron-Beam Machine «LUCH» for Dimensional Microprocessing of Glass and Ceramic Materials. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. 2020. V. 781. № 1. P. 012014.
7. Бурдовицин В.А., Климов А.С., Окс Е.М. О возможности электронно-лучевой обработки диэлектриков плазменным источником электронов в форвакуумной области давлений // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. № 11. С. 61–66.
8. Медовник А.В., Бурдовицин В.А., Климов А.С. и др. Электронно-лучевая обработка керамики // Физика и химия обработки материалов. 2010. № 3. С. 39–44.
9. Климов А.С., Медовник А.В., Юшков Ю.Г. и др. Применение форвакуумных плазменных источников электронов для обработки диэлектриков. 2017.
10. Koste W.W. Electron beam processing of interconnection structures in multi-layer ceramic modules. Metallurgical Transactions. 1971. № 2(3). P. 729–731.
11. Пермяков Г.Л., Трушников Д.Н., Беленький В.Я. и др. Численное моделирование процесса электронно-лучевой сварки с продольной осцилляцией луча на основе экспериментально определенной формы канала проплавления // Сибирский журнал науки и технологий. 2015. № 16(4).
12. Rai R., Palmer T.A., Elmer J.W. et al. Heat transfer and fluid flow during electron beam welding of 304L stainless steel alloy. Weld. J. 2009. V. 88. № 3. P. 54–61.
13. Moarrefzadeh A. Finite-Element simulation of electron beam machining (EBM) Process. International Journal of Multidisciplinary Sciences and Engineering. 2011. № 2.
14. Galati M., Iuliano L. A literature review of powder-based electron beam melting focusing on numerical simulations. Additive Manufacturing. 2018. V. 19. P. 1–20.
15. Кузнецов Г.Д., Кушхов А.Р. Физика взаимодействия ускоренных ионов, электронов и атомов с веществом: ускоренные электроны: Учеб. пособие. М.: Изд. Дом МИСиС. 2012. 97 с.