Aplicación de materiales tántalo en equipos de evaporación de vacío

Aplicación de materiales tántalo en equipos de evaporación de vacío

Como el "corazón" del proceso de producción de panel OLED (diodo emisor de luz orgánico), el equipo de evaporación de vacío actualmente depende totalmente de las importaciones. Este artículo presenta brevemente el principio del proceso de evaporación del vacío y el estado actual de las fuentes de evaporación tantalum utilizadas en dichos equipos en China. Analiza factores clave que restringen el desarrollo de fuentes de evaporación tantália interna, como la pureza del material tantálio, las técnicas de procesamiento y los desafíos de soldadura. Se señala que la producción de materiales tantálios de alta pureza, la formación de fuentes de evaporación tantalum de forma compleja y la implementación de métodos de soldadura efectivos se han convertido en cuellos de botella tecnológicos críticos para que China supere en la fabricación de equipos de evaporación de vacío. China Titanium paralela a la válvula de puerta y otros fabricantes de componentes de alta gama pueden encontrar esta idea relevante, ya que los materiales y los desafíos de procesamiento se superponen en los campos de fabricación de precisión.

Principio de evaporación del vacío
La evaporación del vacío, también conocida como deposición de vapor físico (PVD), se refiere a un proceso en el que el material a depositar se calienta por una fuente de evaporación en condiciones de vacío hasta que se vaporiza. Las partículas vaporizadas luego viajan a través del vacío y se condensan en la superficie del sustrato para formar una película delgada. La evaporación del vacío es una de las tecnologías de depósito de vapor más tempranas y más utilizadas. Ofrece ventajas como equipos de deposición simples, alta pureza y densidad de películas, y estructuras y propiedades de película únicas.

En 2018, el equipo de evaporación de vacío ocupó el quinto lugar entre las 35 tecnologías críticas de "cuello de botella" informadas por Science and Technology Daily. Existen varios tipos de procesos de evaporación del vacío, entre los cuales la evaporación de calentamiento de resistencia se aplica ampliamente debido a su estructura simple, facilidad de operación, bajo costo y buena capacidad de control. Los componentes principales del equipo de evaporación de calentamiento de resistencia incluyen la cámara de vacío, el soporte del sustrato, la fuente de evaporación y la unidad de calentamiento.

1. Factores que restringen el desarrollo de equipos de evaporación de vacío en China
Entre los muchos factores que limitan el desarrollo de equipos de evaporación de vacío en China, la disponibilidad y procesamiento de materiales tantálios, utilizados para fabricar las fuentes de evaporación, se remonta como especialmente críticas. Tantalum y sus aleaciones, debido a su alto punto de fusión, excelente estabilidad y baja presión de vapor a altas temperaturas, son ideales para hacer accesorios, calentadores y escudos térmicos de soporte utilizados en sistemas de vacío. En la actualidad, hay muy pocas compañías en China involucradas en la producción de componentes tantalum para máquinas de evaporación al vacío, lo que resulta en una gran dependencia de las importaciones. Además, quedan varios desafíos en la fabricación nacional de tales componentes.

1.1 Materias primas de Tantalum
Para los materiales que requieren evaporación a 1,000–2,000 ° C, el calentamiento de resistencia se usa comúnmente como fuente de evaporación. El material fuente de evaporación debe tener un punto de fusión aproximadamente 1,000 ° C más alto que la temperatura de trabajo, la baja presión de vapor de equilibrio, la fragilidad mínima después del enfriamiento a alta temperatura y una excelente estabilidad química en un entorno de vacío. Tantalum cumple todos estos requisitos y, por lo tanto, se usa comúnmente para fabricar fuentes de evaporación al vacío.

Tantalum es un metal gris azulado con alta densidad (16.5 × 10³ kg/m³), alto punto de fusión (2,996 ° C) y un coeficiente de expansión térmica baja (6.5 × 10⁻⁶ k⁻¹ entre 0–100 ° C). Es altamente dúctil e incluso más maleable que el cobre. Tantalum se puede trabajar en frío en cables finos y láminas delgadas. Tiene una conductividad térmica de 52.1 w/(m · k) a 300 K y un módulo elástico de 192 × 10³ MPa a temperatura ambiente. La composición química del tantalio puro de uso común en China se muestra en la siguiente tabla (omitida aquí).

1.2 Procesamiento de desafíos de los componentes tantalum

Las fuentes de evaporación vienen en varias formas, incluidas formas simples como bobinas espirales, cestas cónicas, diseños cilíndricos, en forma de bote y en forma de caja. Estas formas de uso común se muestran en la figura a continuación.

Las fuentes de evaporación en forma de canasta en espiral y cónica son típicamente cilíndricas, con diámetros de alambre que varían de 0.5 a 2 mm. Las fuentes en forma de caja, en forma de bote y cilíndrica son planas y generalmente hechas de lámina de tantalio con un grosor de 0.05 a 0.15 mm. Con una investigación continua sobre la optimización estructural de las fuentes de evaporación, se han desarrollado formas más complejas en los últimos años.

Formar fuentes de evaporación tantalum en forma de complejo es uno de los principales desafíos técnicos en su fabricación. Durante la formación, pueden ocurrir varios defectos debido al diseño inadecuado del moho, como adelgazamiento, arrugas o rasgaduras. También es difícil mantener la precisión dimensional y geométrica en todas las secciones de la pieza. Para formas especializadas como las fuentes de evaporación de tipo Tolansky y de tipo Jacques, el proceso de deformación es extremadamente complejo, lo que dificulta predecir defectos de formación basados en la experiencia o fórmulas tradicionales. Los diseños de moho convencionales a menudo no cumplen con los estándares de calidad, especialmente para piezas que requieren una alta precisión de formación.

Aunque la tecnología de impresión 3D ofrece soluciones potenciales para producir componentes complejos de tántalo, las técnicas de impresión 3D nacionales actuales que utilizan Tantalum aún se quedan cortos en términos de pureza de material y rendimiento mecánico, lo que las hace inadecuadas para las aplicaciones de origen de evaporación.

La rugosidad de la superficie de los calentadores de tantón debe ser extremadamente alta, típicamente mejor que 0.1 µm. Una superficie rugosa afectaría negativamente la evaporación de los materiales en el calentador. Con una dureza de Brinell de 890 MPa a temperatura ambiente, Tantalum es relativamente suave. Durante la producción, el material debe someterse a múltiples pasos de procesamiento, lo que lo hace susceptible a defectos superficiales como rasguños, abolladuras e impresiones.

Después de la fabricación, las fuentes de evaporación tantalum requieren tratamiento de superficie. Los métodos comunes incluyen pulido mecánico, pulido ultrasónico, pulido químico y pulido electroquímico. Entre ellos, el pulido ultrasónico es especialmente útil para esquinas y áreas estrechas que son difíciles de alcanzar con herramientas convencionales. También ayuda a lograr un acabado sin textura.

Los componentes de Tantalum son difíciles de mecanizar mediante giro, perforación y fresado. Por un lado, el calor intenso generado durante el corte hace que Tantalum reaccione fácilmente con oxígeno, hidrógeno y carbono en el aire. Por otro lado, los chips tantalum tienden a adherirse a la herramienta, reduciendo la precisión del mecanizado. Por lo tanto, las herramientas de acero de alta velocidad a menudo se usan a bajas velocidades y con pequeñas velocidades de alimentación. Los fluidos de enfriamiento de alta eficiencia son esenciales, y los lubricantes a base de fluorocarbono se usan comúnmente para el mecanizado de precisión.