Использование газообразного азота в электронике

Промышленные газы играют важную роль в процессе современного производства электронного оборудования. 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.

В этой статье мы хотим подробнее остановиться на сферах применения инертных газов и как они изменили нашу жизнь.

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.

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.

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.

• 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.

Нашей компанией выполнены десятки проектов по модернизации систем получения  азота высокой концентрации на предприятиях России.

Для наглядности хотим привести примерный расчет экономии при использовании установок с волновым методом пайки в результате снижения образования шлама припоя. При образовании шлама порядка 0,5 килограмма в час сокращение его образования с использованием  азотной среды составляет ~76%. Стоимость одного килограмма бессвинцового припоя - 1600 руб.

Результаты расчетов при условии круглогодичного использования адсорбционного генератора азота приведены в таблице ниже:

Электроника сегодня - это один из ключевых этапов развития и существования современного мира. Полупроводники работают во всех электронных системах мира. В 99% случаев эта работа даже не заметна человеческому глазу. Современная электронная промышленность немыслима без применения  технических газов. С их помощью удается оптимизировать технологии производства, а значит улучшить качество получаемых изделий и производительность всего процесса в целом. Важнейшая цель технического прогресса — делать приборы точнее, качественнее, компактнее, а значит удобнее, дешевле и доступнее. Использование современных методов получения технических  газов позволяет достигать этой цели и двигать технологии вперед.