Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ требований современного автоматизированного оборудования электронной техники к парам сухого трения 8
1.1 Анализ противоречий между требованиями, предъявляемыми к надежности функционирования и параметрической к надежности вакуумного привода 8
1.1.1 Анализ требований к механизмам сухого трения, работающим в вакууме и контролируемых средах 8
1.1.2 Анализ механизмов, использующих пары сухого трения 26
1.1.3 Анализ противоречий между требованиями, предъявляемыми к вакуумному приводу 33
1.2 Вопросы повышения производительности автоматизированного оборудования электронной техники 34
1.2.1 Анализ влияния надежности на производительность технологического оборудования электронной техники 34
1.2.2 Регулирование надежности функционирования 38
1.2.3 Регулирование параметрической надежности 42
1.3 Теоретические предпосылки регулирования долговечности и надежности приводов автоматизированного оборудования электронной техники 44
1.4 Анализ существующей теории трения 50
Выводы к Главе 1 61
2 Теоретические аспекты сухого трения 63
2.1 Физические основы теории сухого трения 63
2.2 Анализ трения в различных диапазонах покрытия 68
2.2.1 Вязкостная составляющая силы трения 69
2.2.2 Капиллярная составляющая силы трения 70
2.2.3 Адгезионно-вязкостное трение 74
2.2.4 Адгезионное трение 78
2.2.5 Когезионное трение 81
Выводы к Главе 2 87
3 Экспериментальное исследование сухого трения 89
3.1 Методика исследования 89
3.2 Экспериментальное оборудование 94
3.3 Экспериментальные исследования коэффициента трения покоя как функции давления 105
3.3.1 Исследования коэффициента трения покоя в атмосфере воздуха 105
3.3.2 Исследования коэффициента трения покоя в атмосфере азота 111
3.3.3 Исследования коэффициента трения покоя в атмосфере кислорода 113
3.3.4 Исследования коэффициента трения покоя в атмосфере паров воды 117
3.3.5 Зависимость коэффициента трения покоя от числа циклов скольжения 117
3.3.6 Зависимость коэффициента трения покоя от температуры 120
Выводы к Главе 3 127
4 Практическое использование результатов работы 129
4.1 Методика расчета коэффициента «сухого» трения при различных степенях вакуума 129
4.2 Методика расчета потока внезапных отказов механизмов автоматизированного оборудования 130
4.3 Фрикционный вакуумметр 138
Выводы к Главе 4 142
Общие выводы 143
Литература 146
- Вопросы повышения производительности автоматизированного оборудования электронной техники
- Капиллярная составляющая силы трения
- Экспериментальные исследования коэффициента трения покоя как функции давления
- Методика расчета коэффициента «сухого» трения при различных степенях вакуума
Введение к работе
Современное сверхвысоковакуумное (СВВ) технологическое оборудование, оборудование для структурного, физического и химического анализа материалов, космическое и ядерное оборудование невозможно представить без вакуумного привода.
Последние достижения в технологии электронных приборов, такие как переход на 90-нанометровую технологию изготовления чипов, микросхем памяти и микропроцессоров, разработка нового типа электронно-оптических преобразователей, создание микроэлектромеханических систем (МЭМС), включающих микродвигатели, микронасосы, микроредукторы, размеры которых не превышают 500 мкм, стали возможны благодаря применению новейших видов сверх- высоковакуумного оборудования, осуществляющего процессы ионной имплантации, электронно-лучевой и рентгеновской литографии, ионного и плазмохи- мического травления, сборки ФЭП методом переноса и т.д. в едином технологическом цикле в вакууме. При этом на несколько порядков возросли требования к вакууму и его парциальному составу (предельное давление Р < 10"' Па,
рабочий вакуум Рраб = 10" -10" Па, отсутствие углеводородов).
Важнейшим требованием к параметрам указанного оборудования является не столько поддержания в нем сверхвысокого вакуума, сколько сохранение технологических поверхностей в ювенильном (чистом, лишенным сорбированного газа) состоянии. В тоже время ювенильная поверхность по своим свойствам резко отличается от просто очищенной (в традиционном понимании) поверхности. Как показывает опыт, ювенильные поверхности при контактировании склонны к схватыванию, что резко снижает надежность механизмов, работающих в сверхвысоком вакууме.
При создании автоматизированных вакуумных линий остро встает проблема надежности механического оборудования, как один из факторов повышения эффективности его эксплуатации. Проблема устранения аварийных отказов механизмов является актуальной в СВВ технологическом оборудовании, поскольку аварийные отказы ведут к длительным (до двух суток) простоям и к потере дорогостоящих полуфабрикатов.
Высокие значения коэффициента трения, нестабильность и непредсказуемость поведения коэффициента трения у механизмов, работающих в сверхвысоком вакууме, является одной из причин сдерживающих развитие автоматизированного сверхвысоковакуумного оборудования.
В космической технике, такой как орбитальные станции, космические корабли, научные спутники и спутники связи, самоходные станции для исследования других планет и др., требования, предъявляемые к надежности привода, особенно высоки, поскольку отказ привода может привести к отказу всего комплекса, стоимость которого исчисляется десятками и сотнями миллионов долларов.
Еще более актуальной является задача предотвращения отказов в вакуумных установках ядерного оборудования (Токамак, ИТЭР и др.) и экспериментальных физических установках, что связано обеспечением экологических требований и безопасностью.
Таким образом, одной из основных проблем при создании и эксплуатации механизмов автоматизированного сверхвысоковакуумного оборудования остается прогнозирование поведения коэффициента трения фрикционных пар этих механизмов в условиях изменяющегося остаточного давления, температуры, состава остаточной среды.
Целью данной работы является повышение производительности и надежности механизмов автоматизированного оборудования путем использования полученных теоретических и экспериментальных результатов по изменению сил и коэффициентов трения в условиях изменяющегося остаточного давления, температуры, состава остаточной среды.
Задачи, решаемые в работе:
создание методики регулирования потока внезапных отказов автоматизированного оборудования, использующего механизмы «сухого» трения;
разработка способов регулирования параметрической надежности автоматизированного оборудования, использующего механизмы «сухого» трения, в частности, разработка средств автоматического измерения параметра «степень вакуума»;
исследование зависимости коэффициента «сухого» трения от давления остаточных газов, влажности;
Исследование зависимости коэффициента «сухого» трения от температуры.
Исследование зависимости коэффициента «сухого» трения от состава окружающей газовой среды.
В соответствии с поставленной целью на защиту выносятся:
Методика расчета коэффициента «сухого» трения как функции коэффициента покрытия, определяемого энергетическими параметрами поверхности, температурой, характером окружающей среды.
Методика экспериментального определения коэффициентов трения- покоя и трения-скольжения в вакууме.
Методика регулирования потока внезапных отказов приводов автоматизированного оборудования при единичном пуске двигателя как функция фрикционных параметров механизма.
Экспериментальные зависимости коэффициента «сухого» трения от температуры, давления окружающей среды, парциального состава остаточных газов, времени нахождения в рабочем состоянии.
5) Конструкция фрикционного вакуумметра, предназначенного для автоматизации параметра «степень вакуума».
Результаты были использованы:
при разработке двух экспериментальных сверхвысоковакуумных стендов в Карловом Университете (Прага, Чехия);
при разработке конструкции фрикционного вакуумметра, предназначенного для автоматизации сверхвысоковакуумного оборудования;
при разработке методики расчета и регулирования потока внезапных отказов механизмов автоматизированного оборудования.
В заключении автору хотелось бы выразить признательность П. Репе, Л. Пексе, Т. Грониху, М. Новаковой (сотрудникам кафедры «Электроники и Вакуумной Физики» Карлова Университета, Прага, Чехия) за сотрудничество и весьма значительную помощь при подготовке экспериментов, а также студентам и аспирантам студенческого конструкторского бюро и коллективу кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана за рассмотрение работы и полезные замечания.
1. Анализ требований современного автоматизированного оборудования электронной техники к парам сухого трения
1.1. Анализ противоречий между требованиями, предъявляемыми к надежности функционирования и параметрической к надежности вакуумного привода
Вопросы повышения производительности автоматизированного оборудования электронной техники
Как было отмечено выше, требования к механизмам, приведенные в таблице 6, взаимно конфликтуют. Так, требования по увеличению длины хода в установках молекулярно-лучевой эпитаксии, сборки фотоэлектронных приборов или требования по увеличению числа степеней подвижности в установках промежуточного технологического контроля приводят к увеличению количества механизмов находящихся в вакууме, к усложнению кинематики привода, и, как следствие, к снижению жесткости, точности и увеличению газовыделения. Большие рабочие усилия, требуемые для сборки, ведут к потере точности, а длительный рабочий цикл (до 1 месяца) в установках для выращивания монокристаллов или для сборки ФЭП требует предельно высокой надёжности привода.
Подобные конфликты между параметрами являются теми диалектическими противоречиями, которые стимулируют поиск новых решений. Так появление проблемы трения привело к увеличению исследований, направленных на улучшение различных параметров элементов приводов оборудования электронной техники.
Для разрешения данного противоречия необходимо проанализировать поведение привода при различных условиях эксплуатации, определить зависимость коэффициента трения от внешних условий, выявить влияние коэффициента трения на показатели надежности.
1.2. Вопросы повышения производительности автоматизированного оборудования электронной техники
1.2.1. Анализ влияния надежности на производительность технологического оборудования электронной техники
Производительность оборудования является тем важнейшим его выходным параметром и техническим критерием [76], который позволяет объективно оценивать эффективность принятых конструктивных решений, связанных с разработкой привода как элемента оборудования.
Привод и внутрикамерные механизмы из-за нестабильности своих параметров, низкой надежности сильно влияют на фактическую производительность оборудования, вызывая ее заметное снижение. Близость нестабильных параметров оборудования (в том числе привода) к жестким допустимым значениям снижает параметрическую надежность оборудования; тяжелые условия работы механизмов в вакууме резко сокращают срок службы кинематических пар, снижают надежность функционирования привода и техническую (фактическую) производительность оборудования в целом.
Рассмотрим влияние показателей надежности привода на производительность вакуумного оборудования.
Фактическая производительность ()ф учитывает внецикловые потери времени,- имеющие место при работе реальных установок в условиях производства:
(1.1)
где к - технологическая производительность к=1Лр; Тц - время цикла; - время рабочих ходов цикла, включающее в общем случае время формирования параметров изделия в процессе обработки; - время несовмещенных холостых (вспомогательных) ходов цикла; - внецикловые потери, приходящиеся на один рабочий цикл.
Внецикловые потери оборудования включают потери по инструменту, по оборудованию, по переналадке на другое изделие [73], а также на запуск и остановку оборудования [74] и описываются соответствующими коэффициентами.
Капиллярная составляющая силы трения
Известно, что поверхности реальных тел не являются идеально гладкими. И при соприкосновении таких поверхностей контакт не будет сплошным. Лишь отдельные участки поверхности будут воспринимать приложенную к телам нагрузку. Сумма таких дискретных площадок контакта образует фактическую площадь контакта, которая определяет ту область поверхности соприкасающихся тел, где реализуется их силовое взаимодействие. Поэтому для расчетов коэффициентов трения необходимо знать фактическую площадь контакта.
Многие исследователи [83] определяли площадь контакта эмпирически или [28, 78, 110, 122] описывали рельеф поверхности вероятностным законом распределения высот и экспоненциальной автокорреляционной функцией, на основе которых строился расчет площади контакта. Другие исследователи формировали шероховатость тела набором выступов в виде простых моделей, таких как сферические сегменты [16, 28, 40], цилиндры [105], конусы [102, 106], стержни [40], пирамиды [102], эллипсоиды [25].
В данной работе расчет площади контакта определяется на основе реального профиля монокристаллического кремния, полученного на сканирующем туннельном микроскопе СММ-2000Т [118].
Для определения площади контакта использовалась следующая методика. Так как контакт поверхностей происходит по вершинам микронеровностей, покрытых сорбатом, то уменьшение толщины сорбата на поверхности, приводит к уменьшению площади контакта. С помощью ЭВМ было смоделировано уменьшение толщины сорбата на поверхности. Площадь контакта при толщине сорбата -do (где 0 - коэффициент покрытия поверхности сорбатом; d0 - диаметр молекулы) определяется площадью сечения скана исследуемой поверхности на глубине 5 = d0 от вершины самой высокой микронеровности.
Принимая в расчет результаты Ленгмюра [26], который показал, что число монослоев сорбированной воды на стекле в атмосфере, может достигать 50, мы можем видеть, что толщина сорбированного слоя на поверхности может достигать 50-d0 15 нм (d0 « 0,3 нм). В этом случае, вероятность контактирования Р(х) близка к 1.
С другой стороны в вакууме (или при высокой температуре) толщина покрытия уменьшается (например, до к 1 при остаточном давлении Р = 1 Па).
Рассмотрим изменение динамической силы трения постепенно (диапазон за диапазоном) в соответствии с уменьшением толщины суммарного покрытия контактирующих поверхностей.
Экспериментальные исследования коэффициента трения покоя как функции давления
Как было показано в теоретических положениях поведение коэффициента трения при различном вакууме (и как следствие в различных диапазонах покрытия) зависит от значения остаточного давления газов над поверхностью контактирующих тел.
Уже первые результаты [94], представленные на рисунках 3.12а,б, полученные на НПО «Геофизика» на технологической установке (изображенной на рисунке 3.2), показали в целом справедливость разработанных теоретических положений. Эксперименты проводились с кремниевыми образцами последовательно, начиная с давления 10 Па и заканчивая давлением 3,6x10" Па.
На графике можно выделить 4 диапазона давлений, в которых поведение коэффициент трения существенно различаются, что полностью соответствует теоретическим положениям, представленным в Главе 2. Снижение коэффициента трения в диапазоне давлений 10" -10" Па, является отличительной характеристикой поведения коэффициента трения «идеально» гладких поверхностей в отличие от «грубых» поверхностей реальных механизмов.
Для более детального изучения поведения коэффициента трения гладких поверхностей при заранее заданных давлениях были проведены исследования в Карловом Университете на установках, изображенных на рисунках 3.4 и 3.6.
Предварительные результаты исследования, представленные на рисунке 3.13а, показали, что в диапазоне давлений от 105 до 10 Па и в диапазоне давлений от 10"1 до 10"3 Па коэффициент трения покоя убывает. Эксперименты также проводились последовательно, начиная с давления 105 Па и заканчивая давлением.! xl О"3 Па. Результаты исследований, представленные в таблице 11 и на рисунке 3.136, дают более подробную картину изменения коэффициента трения покоя в диапазоне давлений от 10 до 10" Па. Для проведения детального исследований коэффициента трения при различных давлениях, установка откачивалась до предельного давления 10" Па, затем перекрывался клапан УТЗ между вакуумной камерой и системой откачки, и через натекатель УТ1 напускался воздух до заранее заданного давления. После достижения в камере равновесного состояния, проводились измерения коэффициента трения пары кремний-кремний. Затем клапан УТЗ открывался, и камера откачивалась до предельного давления. Через 1-2 часа, проводились повторные измерения коэффициента трения при других давлениях. Давления выбирались в произвольном порядке. При каждом значении давления было проведено от 20 до 100 повторений. В диапазоне дав 5 2
лений от 10 до 10 Па, при напуске газов, давление регулировалось статически, а при давлении меньше 10 Па - динамически.
На графике можно выделить диапазоны давлений, с различным поведением коэффициента трения покоя. Так в диапазоне давлений от 103 до 103 Па коэффициент трения убывает. Таким образом, этот диапазон давлений можно рассматривать как капиллярно-вязкостную область трения, где, согласно теоретической модели, когда с уменьшением давления уменьшается количество монослоев сорбата на поверхности, и, следовательно, уменьшается коэффициент трения. При толщине сорбата равного двум монослоям, что соответствует давлению в камере
1(Г Па, мы получаем минимум коэффициента трения. Затем коэффициент трения возрастает и достигает максимума при давлении 10 Па. Эта область давлений характеризуется областью адгезионно-вязкостного трения, когда количество монослоев меньше двух и коэффициент трения достигает максимума при толщине сорбата, равного одному монослою. При дальнейшем уменьшении давления, количество сорбированных молекул уменьшается, следовательно, уменьшается коэффициент трения, эту зависимость мы можем увидеть на графике в диапазоне давлений меньше
Методика расчета коэффициента «сухого» трения при различных степенях вакуума
По полученным экспериментально значениям угла наклона оправки с образцами, при котором образец начинал скольжение, можно определить коэффициент трения по известной формуле
(4.1)
Однако для точного определения коэффициента трения необходимо использовать откорректированную формулу, учитывающую влияние различных составляющих на коэффициент трения:
где а - угол наклона оправки с образцами, - вязкостная составляющая силы трения, Гст Реп - тангенциальная и нормальная составляющие капиллярной силы трения, соответственно, т - масса образца, g - ускорение свободного падения, Р— сила, приложенная к скользящему телу.
В наших экспериментах тело самопроизвольно начинало скольжение, поэтому = 0.
Для определения составляющих (вязкостная, капиллярная, адгезионная, когезионная) силы «сухого» трения необходимо знать коэффициент покрытия так как эти составляющие присутствуют только в определенных диапазонах коэффициента покрытия, который можно определить, используя изотермы адсорбции (2.1)-(2.6):
Если коэффициент покрытия @ 2 (область низкого и среднего вакуума), то трение происходит в капиллярно-вязкостной области и коэффициент трения будет определяться по формуле:
В высоком вакууме, когда коэффициент покрытия 1 & 2, трение происходит в адгезионно-вязкостной области и для расчета коэффициента трения необходимо учесть, что ЕСп = 0, = 0, однако появится сила ГАу- адгезионно-вязкостная составляющая силы «сухого трения», которая направлена в туже сторону, что и ГСп- Окончательно, для адгезионной-вязкостной области, коэффициент трения рассчитывается по формуле:
В области сверхвысокого вакуума - в области адгезионного трения, когда @хсн 1 необходимо учесть, что между телами будут действовать адгези онные нормальные силы поэтому выражение для расчета коэффициента трения запишется в следующем виде: е = (4.5)
Если коэффициент покрытия меньше критического значения 0сн, то эта область когезионного трения (ультравысокий вакуум) и контактирование двух тел будет происходить по ювенильным поверхностям. Поэтому для расчета коэффициента трения необходимо учесть силы межмолекулярного взаимодействия «твердое тело-твердое тело» РСн Окончательно формула для расчета коэффициента трения запишется в следующем виде:
Выражение для определения потока внезапных отказов, как было показано выше, включает с одной стороны несколько параметров оцениваемого механизма (среднее значение силы сопротивления, коэффициента трения, их дис Персии, как функции температуры, давления, наработки), а с другой стороны параметры используемого электродвигателя (среднее значение пускового момента двигателя, частота вращения), которые определяют вероятность отказа при пуске двигателя.
