Porovnání výkonů stříbrných plášťových rotačních cílů s planárními cíli

- Jul 12, 2019-

Srovnání výkonu

Stříbrné rotační terče s planárními cíli

 

ABSTRAKTNÍ

Tenké stříbrné fólie se používají jako funkční vrstva v mnoha vrstvách pro aplikace odrážející teplo. V současné době jsou velkoplošné potahové vrstvy vyráběny magnetronovou naprašovací depozicí a často z rotujících válcových terčů. Vlastní výhody rotující válcové cílové technologie nad planárními katodami jsou již dobře známy. Stříbro je však stále jedním z mála kovových cílů, které nejsou snadno dostupné v rotující válcové verzi. Důvody se týkají nákladů, mechanické pevnosti a manipulace.

V tomto dokumentu je navržen nový přístup k realizaci rotačních cílů Ag, ve kterém jsou namontovány válcové objímky a připevněny k nosné trubce. Porovnáno je několik válcových návrhů a srovnává se s rovinnými cíli. Hodnotí se parametry procesu a produktu, jako je stabilita procesu, rychlost rozprašování, stejnoměrnost a kvalita filmu. Je diskutován vliv plazmového tepelného zatížení az toho vyplývajícího tepelně indukovaného mechanického namáhání na cílový výkon Ag, jak mechanicky, tak na úrovni procesu. Cíle byly hodnoceny v různých fázích jejich životnosti, aby se určilo, zda byl výkon stabilní a mohl být spolehlivě předpovězen.

 

ÚVOD

Stříbro se již delší dobu používá jako hlavní infračervená odrazná fólie v optických povlacích. Vynikající inherentní elektrické a tepelně vodivé vlastnosti stříbra zaručují, že stříbrné terče budou snadno rozprašovány a jsou stabilní ve většině typických provozních prostředí. Stříbro bylo primárně vyráběno a naprašováno v planární formě, hlavně díky tomu, že výroba stříbra probíhá v mnohem menších množstvích než měď, hliník nebo titan. Zařízení typicky používané pro výrobu stříbra je mnohem méně významné, pokud jde o rozsah a objem, než je tomu u jiných komerčních materiálů.



EXPERIMENTNÍ POSTUPY

Srovnání návrhů

V souladu s cíli tohoto experimentu byla vyhodnocena řada různých cílových návrhů, aby se prozkoumaly výhody a omezení každého návrhu, které vycházely z toho, jaké potenciální uživatele technologie by se setkaly při zavádění stříbrných rotačních cílů ve svých výrobních systémech.

Byly vyhodnoceny čtyři návrhy. Obsahovaly:

  • Rukávy s pojivem Indium

  • Mechanicky namontované objímky

  • Mechanicky namontované rukávy doplněné tepelně vodivou pastou

  • Monolitická trubka

První tři konstrukce byly namontovány na standardní výrobní trubici z nerezové oceli, poslední provedení bylo vyrobeno výhradně ze stříbra, které neobsahovalo žádnou podložku pro podporu.

Celkový vnější průměr terče byl v každém případě 155 mm (6.1) OD. Cílová délka byla 878 mm (~ 35 ”).



Obchodní atributy a omezení

Rotační cílové systémy mají schopnost rozprašovat vyšší rychlost než planární cíle díky možnosti použít vyšší hustotu výkonu. Výkon rotačního cíle je konzistentnější, protože eroze je rovnoměrnější, rýha pozorovaná po celé délce rovinných terčů je omezena na rotačním terči na konce. Využití je také vyšší u rotačních terčů, typicky nad 80%, zatímco planární cíle dosahují průměrně kolem 30% výnosu. V oblasti logistiky a manipulace by použití mechanicky namontovaných objímek umožnilo koncovému uživateli odstranit a nahradit cílové rukávy v rámci svého zařízení jako součást běžné údržby cíle. To dává zákazníkovi přesnější hmotnost stříbra, vyžaduje méně podkladových trubek a snižuje náklady na přepravu.

Lepené rukávy nenabízejí výhody řízení ani nemohou být snadno přestavěny v rámci zákaznického zařízení. Nabízejí možnost povrchových profilů a použití odlišných materiálů, pokud je to vhodné pro konečnou aplikaci.

Monolitická trubka nabízí vysokou rychlost ukládání, snadnost měření cílového výtěžku a cílové hmotnosti, ale má potenciální omezení ve své mechanické schopnosti překlenout dlouhé délky bez vychýlení a nesnižuje přepravní náklady při manipulaci s dlouhými délkami.


Ovládací prvky a měření

Tepelný zisk v cíli byl největší záležitostí experimentátorů. Intuitivně bude mít design rukávu více problémů týkajících se tepelného rozptylu než pevné monolitické části. Přenos tepla mezerou nebo spojovacím médiem se bude také lišit rychlostí. Proto bylo velmi důležité měřit tepelný zisk v cíli jako funkci postupného zvyšování aplikované rozprašovací síly. Po vyhodnocení a odmítnutí externích optických termických měřicích technik bylo zjištěno, že nejúčinnějším způsobem měření tepelného zisku je kontaktní termočlánek. Byl navržen systém, který obsahuje pružinové rameno páky, aby se termočlánek dostal do pevného kontaktu s terčem. Kontaktní zatížení bylo dostatečné pro vytvoření drážky pro opotřebení v každé z testovaných trubek. Obr. 1 znázorňuje rýhovaný povrch.

Figure 1

Obrázek 1. Kontaktní bod termočlánku

Každý cíl byl instalován do systému a rozprášen při zvyšujícím se výkonu. Na základě procesního modelování a zpětné vazby průmyslu byl stanoven cíl zátěže 5 kW (na cíle 35 ”). To by poskytlo komerčně životaschopnou rychlost rozprašování pro zvýšení rychlosti linky potahovače. Aby se určila maximální výkonová obálka, byl každý cíl spuštěn se zvyšujícími se výkonovými úrovněmi, aby se identifikovaly možné mechanismy poruch při zvýšeném výkonu.


Měření oblouku

Chování oblouku bylo měřeno pomocí vlastního systému. V praxi nejsou stříbrné terče náchylné k oblouku v důsledku jejich vysoké vodivosti a jsou normálně naprašovány v kovovém režimu. Počítání oblouků pro různé konstrukce by zvýraznilo problémy s elektrickou vodivostí nebo nestabilitou plazmy.


KONFIGURACE NÁSTROJOVÉHO SYSTÉMU

Nanášecí systém

Pro testování bylo použito jednokomorového systému (obr. 2) se skleněným transportním systémem. Cílové trubky byly instalovány jednotlivě a každá série testů byla replikována. Cíle byly provozovány v režimu DC.

Figure 2

Obrázek 2. Malá zkušební nátěrová komora


Komorní plyn a tlak

Argon byl použit pro všechny testy s průtokem 140 sccm. Tlak v komoře pro všechny zkoušky byl mezi 2,0 - 2,3 x 10-3 mbar.


Průtok vody a teplota

Průtok byl měřen pro každou zkoušku spolu se vstupní a výstupní teplotou. Velké změny teploty vody by znamenaly dobrý tepelný přenos. Porovnání rozdílů na každé výkonové úrovni nabízí vhled do přenosu tepla skrz rukávy do podkladové trubky do vody.


Magnetické pole

Typ magnetického pole pro všechny testy byl Bekaert AMBV2.1. Toto pole s nastavitelným magnetem je typická konstrukce, která se používá pro aplikace ve velkoplošných vrstvách skla a nabízí paralelní (tangenciální) sílu pole kolem 500 G na cílovém povrchu a cílové využití nad 80% v režimu DC i AC. Uložený úhel mezi úseky závodní dráhy je mezi 30 a 35 stupni.



PARAMETRY PROCESŮ A PRODUKTŮ

Stabilita procesu

Každý cíl byl individuálně instalován a vyhodnocován za použití stejných podmínek depozice. Následující parametry byly nastaveny jako výchozí bod pro všechny aspekty experimentu.


Tabulka 1. Parametry procesu

Parametr

Měření

Substrate to Source Vzdálenost

80 mm

Rychlost substrátu

1 metr za minutu

Číslo Passe

10

Měření tloušťky

34, vzdálený od sebe 25 mm


Rozprašovací okno v tomto povlaku bylo podobné typickému velkoplošnému prostředí pro potahování skla.


Rychlost rozprašování

Rychlost rozprašování byla stanovena měřením tloušťky povlaku na každém substrátu přes Dektak IIa a vypočítáním rychlosti rozprašování na základě rychlosti linky substrátu a počtu průchodů.


Profil nanášení - rovnoměrnost nátěru

Měření tloušťky bylo prováděno pomocí 34 samostatných substrátů pro měření stejnoměrnosti povlaku po šířce


Vodivé médium

Pro dva návrhy, které obsahovaly vodivé médium pro podporu elektrické a tepelné vodivosti mezi cílovými objímkami a nosnou trubkou, byly použity následující materiály:

Lepená trubka - čistý indium - MP 156,6 ° C, tepelná vodivost (při 85 ° C) .78 W / m◦K

Mechanická s tepelnou pastou - Dow Corning DC340 - maximální provozní teplota - 200 ° C, tepelná vodivost .42 W / m◦K



VÝSLEDKY A DISKUZE

Tabulka 2. Specifické rozprašovací rychlosti - nm m / min

Výkon (kW)

Lepené

Mechanický

mount

Mechanický

w / tepelná pasta

Monolitické

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


Tabulka 3. Tepelné zatížení - cílová povrchová teplota - ◦C

Výkon (kW)

Lepené

Mechanická montáž

Mechanická tepelná pasta

Monolitické

1
33.3

260 a zvyšuje se

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 a zvýšení

-

111,5

89


Tabulka 4. Max. Změna teploty vody - ◦C -

 

Výkon (kW)

Lepené

Mechanická montáž

Mechanické s tepelnou minulostí

Monolitické

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


Povlakování Uniformity

Každý testovaný design vykazoval podobné povrchové vlastnosti od okraje k okraji. Substráty byly cyklovány přes 10 průchodů pod cílem. Obrázek 3 je reprezentativní příklad stejnoměrnosti tloušťky napříč šířkou. Tvar křivky odpovídá délce magnetického pole. Výpadek na obou koncích je způsoben finititou terče. Nebyly zaznamenány žádné výrazné rozdíly v uniformitě.

Figure 3

Obrázek 3. Uniformita s okrajem na hraně (typická)


Omezení každého návrhu

V tomto zkušebním režimu výsledky ukazují, že cíl s mechanickým pouzdrem nebyl vhodným designem, zvýšení cílové teploty bylo okamžité a dramatické. Stejný cíl, když je používán ve spojení s vodivou pastou, pracoval mnohem lépe, ale při zvýšeném výkonu, pasta se stala více tekutou a plakala z mezer mezi rukávy a rukávy, což způsobovalo obloukové události. Snížení objemu pasty v důsledku úniku také snižuje schopnost přenosu tepla cíle. Postupem času by se to projevilo ve zvyšování cílových teplot a snížení efektivního cílového života. Lepený cíl vykazoval dobrý výkon až do 7,5 kW. Nicméně, když byl cíl poprvé spuštěn na 10kW, část indiové vazby selhala. Výkon po tomto byl nevyrovnaný nad 5 kW. Jak bylo očekáváno, monolitická trubka poskytla nejlepší celkový výsledek. Monolitický cíl poskytoval dobrý výkon na všech úrovních výkonu.


Mechanické namáhání

Tepelný zisk v nepojené trubce byl dostatečný k tomu, aby způsobil lineární expanzi trubkových objímek. Tolik, že svařený kroužek byl deformován (viz obrázky 4 a 5). Testování této trubky bylo v tomto bodě omezeno. Žádná z ostatních konstrukcí trubek nevykazovala žádné rozpoznatelné mechanické namáhání, které by bránilo cílovému chování.

Figure 4

Obrázek 4. Deformovaný svařovaný pojistný kroužek bez objímek


Arcing

Rychlost oblouku byla měřena pro každou cílovou konfiguraci. Oblouk byl problém pouze pro trubku obsahující vodivou pastu. Když se vodivá pasta zahřála a začala prosakovat mezerami v rukávech, byla zaznamenána vysoká rychlost oblouku. Jinak byl oblouk pozorován pouze tehdy, když byl termočlánek uveden do kontaktu s trubkou.


Interpretace výsledků - implikovaná provozní obálka

Figure 5

Obrázek 5. Deformovaný svařovaný pojistný kroužek s objímkami

Pro každou zkoušku běžel monolitický cíl chladněji a poskytoval konzistentně vysokou rychlost rozprašování. Nebyly zjištěny žádné problémy, které by naznačovaly, že 10kW je horní mez tohoto návrhu.

Dobře fungovaly i mechanicky upevněné rukávy doplněné vodivou pastou. Zajištění a kontrola pasty bylo problémem a vyžadovalo by zlepšení designu, aby se zajistilo, že pasta je stabilní po celou dobu životnosti trubice. Ačkoli tato návrhová konfigurace zaznamenala nejvyšší rozprašovací rychlost, změny v testování to činí méně významným. Je možné, že cílové vytápění mohlo přispět ke zvýšení rychlosti rozprašování.

Podobně cíl spojený s indiem splňoval požadavek na výkon 5 kW stanovený pro komerční životaschopnost. Rovněž vykazoval nestabilní přenos tepla při 10 kW, po kterém byla snížena celistvost vazby a cíl by již nepracoval konzistentně při nastavení výkonu větším než 7,5 kW. Vzhledem k tomu, že tento test byl zrychlen, není v tomto okamžiku možné určit, jaká by byla povaha integrity vazby pro prodlouženou činnost při nastavení výkonu 5 až 7,5 kW. Vliv cílové hmotnosti a topografie povrchu může mít vliv, protože cíl je v průběhu času erodován. Indium taje při 156,6 ° C. Teplota povrchu až 7,5 kW byla nižší než teplota tání, nad 7,5 kW byla teplota nad 200 ° C. Jakékoli změny v objemu dodávané vody nebo teplotách, a to i na krátkou dobu, by mohly způsobit spontánní selhání vazby.


ZÁVĚR

Prakticky bylo vyhodnoceno několik různých návrhů. Toho bylo dosaženo použitím typických depozičních technologií s snadno dostupným hardwarem. Bylo prokázáno, že potenciální zvýšení depozičního výkonu je největší pro cíle, které poskytovaly nejlepší rozptyl tepelných účinků plazmy. Klouzání na výkonu pouzdra bylo velmi omezené, možnými faktory, které přispívaly, byla excentricita v podkladové trubce a nedostatek vodivosti podél délky k přídržným kroužkům. Návrhy rukávů s koherentním teplosměnným médiem pro vyplnění mezer mezi ID cílové objímky a OD nosné trubky fungovaly dobře. Každý z těchto konceptů bude těžit ze zlepšení výběru média, těsnějších tolerancí a montáže. Optimalizace v těchto oblastech povede k vyššímu a konzistentnějšímu výkonu.