Специальные промышленные газы высокой чистоты, смеси и электронные газы - все они играют чрезвычайно важную роль для высокопродуктивной и бесперебойной работы самых различных устройств. Жидкокристаллические системы, солнечные батареи, платы различных технологических устройств (от высокоточных измерительных приборов и смартфонов до спутников), и даже полупроводники - все это невозможно получить без применения промышленных газов.
Получение сверхтонких слоев кремния
В производстве жидких кристаллов, фотоэлектрических преобразователей, солнечных панелей требуется кремний.
Кремний - неметалл, второй по распространенности химический элемент в земной коре (после кислорода). Свободный кремний получается при прокаливании мелкого белого песка (диоксида кремния) с магнием. В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы). Элементарный кремний в монокристаллической форме является полупроводником. В этом и заключается его основное применение в электронике.
Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики. Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления зеркал лазеров.
Тонкие слои кремния применяются в интегральных микросхемах. Чтобы получить достаточно тонкие слои, используют химические реакции с осаждением паров газов. Даже микронная шероховатость на слое кремния способна испортить работоспособность микросхемы, поэтому процесс нанесения такого слоя происходит с помощью сверхчистых инертных газов.
Выращивание кристаллов
Азот участвует в очистке и продувке для избавления от кислорода при производстве полупроводников. Это необходимо, чтобы не происходило окисление их кислородом воздуха. В свою очередь кислород применяется именно для окисления кремния в тех местах, где этого требует технологический процесс производства полупроводников. При этом получается защитная оксидная пленка, состоящая из диоксида кремния.
Пайка в инертной среде
Качество и надежность производимой продукции напрямую зависит от обеспечения оптимальных условий работы технологического оборудования. По аналогии с использованием азота в лазерной резке (ссылка на статью), газообразный сверхчистый азот используется и в процессе пайки (волновой, селективной и пайки оплавлением).
Основные преимущества пайки в атмосфере азота - уменьшение окисления и улучшение смачиваемости паяемых поверхностей. Аналогично лазерной резке, до недавнего времени пайка происходила в воздушной среде. Сейчас, благодаря возможности получения сверхчистого газообразного азота из воздуха, концентрацией от 99.999% и выше непосредственно на предприятии, стало возможным отказаться от использования воздуха, заказов дорогостоящего жидкого азота и обслуживания собственных криогенных станций.
Как результат:
- Расширяется технологическое окно процесса, что позволяет уменьшить зависимость от паяемости контактных площадок
- Уменьшается образование оксидных пленок и снижается образование “перемычек” припоя
- Увеличивается поверхностное натяжение (за счет уменьшения окисления), что создает условия для улучшения смачивания и растекания припоя
- Появляется возможность использования флюсов с меньшей активностью, чем во время пайки “на воздухе”
- Сокращается использования шлама, что позитивно сказывается на сокращении времени работы и периодичности обслуживания оборудования. Расход материалов снижается в 5-7 раз.
Выполнение операций пайки в азотной среде снижает затраты на технологические материалы, обслуживание оборудования и устранение дефектов (процент дефектов готовых изделий значительно снижается) позволяет уменьшить себестоимость, что совершенно точно увеличивает конкурентоспособность предприятия.
Но есть нюанс: стоимость систем, позволяющих вести пайку в азотной среде, в среднем на 20% дороже систем, позволяющих работать в воздушной среде. Но достаточно произвести расчеты с учетом экономии на обслуживании, использовании основных и дополнительных материалов, процента брака и становится понятно, что в долгосрочной перспективе организация (или модернизация) более современного технологического процесса с использованием азота более привлекательна.
Если подходить к вопросу модернизации технологического процесса комплексно, что включает в себя переход с закупки газообразного баллонного азота (включая все расходы на логистику, использования человеческого труда на разгрузку/погрузку), либо отказ от использования собственной криогенной станции (которая в 95% случаев требует колоссальных затрат на постоянную модернизацию и обслуживание, а также содержание штата сотрудников для работы на ней), то становятся очевидными преимущества установки на предприятии собственной независимой адсорбционной азотной станции для получения газообразного азота высокой концентрации.