Подготовка оптического производства для изготовления круговых шкал (лимбов)
Оглавление
Введение
1 Задание на курсовой проект
2 Технологические процессы изготовления круговых оптических шкал (лимбов)
3 Технологические процессы изготовления фотошаблонов круговых оптических шкал
4 Эскиз и технические требования круговой оптической шкалы
5 Выбор и обоснование выбора технологических процессов изготовления круговой шкалы
6 Ведомость оснащения
7 Технические задания на проектирование рабочих фотошаблонов
8 Технические задания на проектирование фотошаблонов-оригиналов
9 Дополнительная информация
Заключение
Библиографический список
Введение
Круговые шкалы нашли широкое применение в геодезии (теодолит), военном деле, а также применяются для контроля угловых перемещений различных объектов и измерения, регистрации и регулирования параметров техпроцессов.
Целью работы является разработка проекта по изготовлению круговой шкалы с наименьшим количеством дефектов и высокой точностью элементов топологии.
1. Задание на курсовой проект
Разработка проекта по изготовлению круговой шкалы (лимба) 2Т2-1-79 из стекла БК 110 (ГОСТ 3514-76), а также: выбор технологического процесса в соответствии с технологическими требованиями; создание эскиза детали; составление ведомости оснащения; разработка технического задания на изготовление фотошаблона.
2. Технологические процессы изготовления круговых оптических шкал (лимбов)
Круговые оптические шкалы или лимбы могут быть двух типов: геодезические лимбы и кодовые лимбы. Геодезические лимбы представляют собой круговую оцифрованную штриховую шкалу, нанесенную на стеклянную полированную плоскую подложку, имеющую форму кольца. Топология геодезического лимба состоит из темных штрихов, цифр, расположенных около штрихов, знаков (+) и (-), а также других знаков. Так как геодезические лимбы предназначены для визуального наблюдения в приборах, к ним наряду с другими техническими требованиями (угловые и линейные параметры) предъявляются высокие требования по чистоте полированной поверхности (класс чистоты 0-10 с дополнительными более жесткими требованиями) и по дефектности элементов топологии.
Кодовые лимбы (многоразрядные кодовые лимбы и растры) предназначены для работы в приборах с автоматизированным измерением углов. Топология шкалы состоит из чередующихся светлых и темных штрихов, а также других вспомогательных элементов топологии. Подложки кодовых лимбов также представляют собой стеклянную полированную пластину, имеющую обычно форму кольца. Иногда встречаются лимбы, имеющие подложки в виде круга, трапеции и др., а также металлостеклянной сборки. Требования по чистоте полированной поверхности, предъявляемые к кодовым лимбам (II, III и IV классы чистоты), а также по дефектности, более свободные по сравнению с геодезическими лимбами.
На предприятиях оптико-механической промышленности для изготовления лимбов используются механические и фотолитографические способы.
К механическим способам относятся технологические процессы деления алмазным или стальным резцом непосредственно по маскирующему покрытию, например, серебру, деления по защитному лаковому покрытию с последующим нанесением маскирующего хромового или другого покрытия и деления по защитному восковому покрытию с последующим травлением плавиковой кислотой и запуском маскирующего вещества в образовавшиеся рельефные углубления.
Наиболее перспективными и прогрессивными являются фотолитографические способы изготовления оптических шкал. Имеется два основных технологических процесса: фотолитография с последующим химическим травлением хромового маскирующего покрытия (прямая) и обратная фотолитография.
Основные операции технологического процесса прямой фотолитографии: чистка, напыление хромового маскирующего покрытия, нанесение фоторезиста, сушка фоторезистивного покрытия (термообрабтка), экспонирование фоторезистивного покрытия через маскирующее покрытие фотошаблона, проявление фоторезистивного покрытия, полимеризация фоторезистивного покрытия (термообработка), химическое травление маскирующего хромового покрытия через защитное фоторезистивное покрытие, снятие фоторезистивного покрытия, контроль линейных и угловых параметров, контроль чистоты полированных поверхностей и дефектности. Прямая фотолитография является позитивным технологическим процессом, т.е. светлые элементы топологии на лимбе соответствуют светлым элементам на фотошаблоне.
Основные операции технологического процесса обратной фотолитографии: чистка, обработка в парах ГМДС (термообработка), нанесение фоторезиста, сушка фоторезистивного покрытия (термообработка), экспонирование фоторезистивного покрытия через маскирующее покрытие фотошаблона, проявление фоторезистивного покрытия, напыление хромового маскирующего покрытия, снятие фоторезистивного покрытия, контроль линейных и угловых параметров, контроль чистоты полированных поверхностей и дефектности. Обратная фотолитография является негативным технологическим процессом, т.е. темные элементы топологии на лимбе соответствуют светлым элементам топологии на фотошаблоне.
Таблица 1. Технические характеристики фотолитографических способов
№ п/пХарактеристикаПрямая фотолитографияОбратная фотолитография1Минимальная ширина элементов топологии, мкм5,01,52Угловая погрешность расположения диаметров осей штрихов (для диаметра шкалы 90 мм), угл. сек.±3±1,53Неравномерность ширины штрихов, мкм1,00,34Неровность края элементов топологии, мкм0,50,25Отклонение ширины элементов топологии шкалы от ширины соответствующего элемента топологии фотошаблона, мкмОт 0 до 2 для светлых элементов топологии±0,36Класс чистоты, ГОСТ 11141II0-10
Характеристики получены при использовании фотошаблонов, имеющих характеристики, указанные в табл. 2.
. Технологические процессы изготовления фотошаблонов круговых оптических шкал
Фотошаблоны можно разделить на два типа:
) Рабочие фотошаблоны - это фотошаблоны, используемые непосредственно в технологических процессах фотолитографии при изготовлении лимбов в операции экспонирование. Они могут быть изготовлены фотолитографическими способами или с помощью генератора изображений.
) Фотошаблоны-оригиналы - это фотошаблоны, используемые для изготовления рабочих фотошаблонов лимбов способами фотолитографии. Они могут быть изготовлены только с помощью генератора изображений.
Фотолитографические способы позволяют изготавливать рабочие фотошаблоны круговых оптических шкал, имеющие характеристики, указанные в табл. 1.
Для изготовления фотошаблонов, как оригиналов, так и рабочих используется генератор изображений модели CLWS-300, в котором для синтеза топологии применяется термохимическая технология записи на пленках хрома. Основное отличие генератора изображений модели CLWS-300 от генераторов изображений, применяемых в микроэлектронной промышленности, заключается в том, что запись топологии производится в полярной системе координат. Это позволяет получать фотошаблоны лимбов, имеющие высокие технические характеристики. В процессе термохимической записи происходит окисление хромового маскирующего покрытия под действием лазерного луча. В результате этого происходит изменение свойств покрытия: скорость травления окисленного покрытия по отношению к специальному травителю уменьшается, что позволяет формировать требуемую топологию.
Основные операции технологического процесса термохимической записи на пленках хрома: подготовка чертежа фотошаблона в Autocad, запись топологии на генераторе изображений на хромированных стеклянных заготовках, травление хромового покрытия в специальном травителе, контроль топологии, контроль линейных и угловых параметров, контроль дефектности. оптический шкала фотошаблон технический
Таблица 2
Технические характеристики термохимической технологии записи на пленках хрома, используемой на генераторе изображений CLWS-300
№ п/пХарактеристикаЗначение1Минимальная ширина элементов топологии, мкм12Угловая погрешность расположения диаметров осей штрихов (для диаметра шкалы 90 мм), угл. сек.±13Неравномерность ширины штрихов, мкм0,24Неровность края элементов топологии, мкм0,15Дефектность хромового покрытияОбеспечивает получение копий, имеющих класс чистоты 0-10
4. Эскиз и технические требования круговой оптической шкалы
Таблица 3
NN зонГраницы зонКоличество точек и допускаемые размерыНа любом ограниченном участкеНа всей зонеВсего точекДиаметром до, ммДиаметром до, мм0.0020.0040.008Всего0.0020.0040.008IØ87.9 - Ø88.9 Ø91.15 - Ø92.111--55--IIØ92.1 - Ø93.3 Ø86.7 - Ø87.922119632IIIØ90.6 - Ø89.4
Требования:
.Разность в ширине штрихов у одной детали не более 0,001 мм.
.Цифры в зеркальном изображении. Направление оцифровки - против часовой стрелки. Цифры - шрифт А по ОСТ - 3-3183-83.
.Ширина линии обводки цифр (0,008±0,002).
.Разность расстояний от штрихов до цифры у одной детали не более 0,015 мм.
.Полная погрешность диаметра круга не более 1. Допускается увеличение погрешности до 1,2.
6.Штрихи наносятся по ОСТ - 3-5220-82.
7.Цифры наносят по ОСТ - 3-2317-71.
.Зоны рассматриваются под увеличением 45х
9.Штрихи и цифры должны удовлетворять требованиям ТУ на деление сеток по ОСТ - 3-6813-93.
.Границы рабочих зон и допускаемые в них дефекты определены в таблице 3.
.Угол между направлением царапин и ближайшим штрихом не должен быть менее 10º.
12.Зоны, не указанные в таблице по чистоте стекла и порокам стекла не нормируются.
13.Дефекты штрихов на указанной длине не нормируются.
.Овальность отверстия В не более 0,05мм.
15.По краю отверстия В допускается до 4 выколок размером до 0,8мм.
16.Тангенциальный клин и радиальный клин не более 2.
17.Место маркировки номера детали должно быть на стороне со штрихами в зоне, ограниченной окружностями диаметром 97 и Г.
.Запуск черный. Состав запуска: олифа натур. ГОСТ 7931-76 60%, сиккатив ГОСТ 1003-73 30%, газовая сажа ГОСТ 7885-77 10%.
19.Технические требования к запуску по ОСТ 3-842-72.
.Смещение средней линии цифровой надписи относительно средней линии нумеруемого штриха не должно превышать 0,03 мм.
5. Выбор и обоснование выбора технологических процессов изготовления круговой шкалы
Для выбора необходимо проанализировать основные технические требования чертежа лимба и соотнести их с техническими характеристиками технологических процессов. Основные технические требования чертежа лимба:
.минимальная ширина элементов топологии;
.угловая погрешность расположения фронтов, осей, диаметров осей штрихов или др.;
.неравномерность ширины штрихов;
.Класс чистоты.
Технические требования лимба: ширина штриха 8 мкм, неравномерность ширины штрихов 2 мкм, угловая погрешность расположения диаметров осей штрихов ±1,2 угл. сек., класс чистоты II.
6. Ведомость оснащения
Ведомость оснащения - это технический документ, содержащий информацию о том, какую оснастку и инструмент необходимо спроектировать и в каком количестве изготовить для того, чтобы можно было изготавливать деталь, изделие или др. Кроме того, ведомость оснащения определяет сроки проектирования и изготовления, подразделения, ответственные за проектирование и изготовление.
Сроки проектирования и изготовления устанавливаются 1-2 месяца от текущей даты в зависимости от сложности оснастки.
Таблица 3
Ведомость оснащения
№ п/пНаименование оснасткиКоличествоПроектированиеСрокИзготовлениеСрокПолучатель1Фотошаблон- оригинал1Цех новой техники23.05 - 10.06Отдел главного оптика10.06 - 10.07Оптическое производство2Рабочий фотошаблон2Цех новой техники23.05 - 10.06Отдел главного оптика10.06 - 10.07Оптическое производство3Оправа для нанесения и проявления фоторезиста2Цех новой техники23.05 - 10.06Цех новой техники10.06 - 10.07Оптическое производство4Оправа для напыления хрома15Цех новой техники23.05 - 10.06Цех новой техники10.06 - 10.07Оптическое производство5Оправа для напыления хрома10Цех новой техники23.05 - 10.06Цех новой техники10.06 - 10.07Оптическое производство6Оправа для контроля3Цех новой техники23.05 - 10.06Цех новой техники10.06 - 10.07Оптическое производство7Кассета20Цех новой техники23.05 - 10.06Цех новой техники10.06 - 10.07Оптическое производство8Технологическая тара10Цех новой техники23.05 - 10.06Цех новой техники10.06 - 10.07Оптическое производство9Кассета для снятия фоторезиста2Цех новой техники23.05 - 10.06Цех новой техники10.06 - 10.07Оптическое производство10Емкость для снятия фоторезиста2Цех новой техники23.05 - 10.06Цех новой техники10.06 - 10.07Оптическое производство
7. Технические задания на проектирование рабочих фотошаблонов
Целью разработки технических заданий является определение допусков на линейные и угловые параметры фотошаблонов лимбов, требований по дефектности, вида изображений (позитивное или негативное, прямое или зеркальное), применяемых заготовок и др. Технические задания, как на рабочие фотошаблоны, так и на фотошаблоны-оригиналы должны содержать следующие сведения:
.Геодезический лимб, который будет изготавливаться способом обратной фотолитографии, имеет темные элементы топологии на светлом фоне, изображение цифр - зеркальное, направление оцифровки - против хода часовой стрелки. В этом случае для рабочего фотошаблона следует указать: изображение фотошаблона зеркальное, негативное, элементы топологии светлые на темном фоне, изображение цифр - прямое, направление оцифровки - по ходу часовой стрелки;
2.Допустимая угловая погрешность расположения диаметров осей штрихов лимба составляет только ± 1,2 угл. сек. В этом случае угловую погрешность следует установить одинаковую для фотошаблона-оригинала и рабочего фотошаблона, и равную ± 1 угл. сек., а рабочие фотошаблоны с требуемой угловой погрешностью следует получать методом отбора из нескольких фотошаблонов;
3.Как правило, наиболее критичными допусками являются допуски на ширину штриха. Поле допусков для лимбов может составлять от 1 мкм (± 0,5 мкм) до 5 мкм и более. Требуемое поле допуска для термохимической технологии записи на пленках хрома (фотошаблон-оригинал) составляет не менее 0,5 мкм. Для рабочего фотошаблона, изготавливаемого способом обратной фотолитографии, допуск необходимо увеличить не менее чем на ± 0,3 мкм. На такое же значение должен увеличиться допуск при изготовлении лимба способом обратной фотолитографии.
Ширина штриха лимба 2Т2-1-79 составляет 8±2 мкм, лимб и рабочий фотошаблон изготавливаются способом обратной фотолитографии. В этом случае допуск для фотошаблона-оригинала составит ± 1,2 мкм.
На чертежах лимбов имеется кроме ширины штрихов много других линейных размеров. Их можно разделить условно на критичные и некритичные размеры. Критичными являются размеры, допуски на которые близки по своим значениям к допускам, которые обеспечивают технологические процессы. Критичными размерами могут быть ширина обводки цифр, ширина обводки знаков, ширина центрировочной окружности и др. Для них распределение допусков для фотошаблонов производится так же, как и для ширины штриха. Допуски на некритичные размеры устанавливаются следующим образом: для рабочих фотошаблонов допуски ужесточаются в 2 раза, допуски для фотошаблонов-оригиналов ужесточаются в 3 раза по сравнению с допусками для лимба. В технических заданиях допуски на критичные размеры надо указывать конкретно для каждого фотошаблона и для каждого размера, ужесточение допусков для некритичных размеров указывается одновременно для всех некритичных размеров. Иногда в чертежах лимбов указываются несимметричные допуски. В этом случае, как для критичных, так и для некритичных размеров необходимо указывать конкретные допуски.
Специфическим линейным параметром является неравномерность ширины штрихов лимба. Как правило, она не бывает меньше 0,4 мкм. Такое значение можно достичь только, если лимб и рабочий фотошаблон изготавливаются способом обратной фотолитографии. В этом случае для рабочего фотошаблона неравномерность ширины должна составлять 0,3 мкм, а для фотошаблона-оригинала - 0,2 мкм. Если значение неравномерности ширины штрихов для лимба составляет 0,3 мкм, то для рабочего фотошаблона и фотошаблона-оригинала следует установить одинаковое значение равное 0,2 мкм, а рабочий фотошаблон с требуемым значением следует получать методом отбора из нескольких фотошаблонов. Ширина штриха лимба составляет 8±2 мкм, лимб и рабочий фотошаблон изготавливаются способом обратной фотолитографии. В этом случае допуск для рабочего фотошаблона ± 1,2 мкм;
4.Требования по дефектности геодезических лимбов можно разделить на два вида: дефекты элементов топологии и дефекты, обусловленные классом чистоты.
Дефекты элементов топологии определяются количеством допустимых разрывов и утолщений и их размеров, которые задаются в единицах толщин элементов топологии.
На штрихах допускается два разрыва длиной до 0,5 ширины штриха на ограниченном участке 2°30 и утолщения или утоньшение длиной до 1 ширины штриха и шириной до 0,5 ширины штриха на участке ¼ его длины со стороны цифр. Для рабочего фотошаблона эти требования ужесточаются: на весь фотошаблон можно допустить 1 разрыв штриха длиной в 1 ширину штриха и одно утолщение длиной до 0,5 ширины штриха и шириной до 0,25 ширины штриха. Для фотошаблона-оригинала можно также провести дальнейшее ужесточение требований, но технологический процесс термохимической записи на пленках хрома с использованием генератора изображений CLWS-300 в условиях «чистых помещений» позволяет получить практически бездефектное изображение. Поэтому для фотошаблона-оригинала указанное требование выглядит таким образом: дефекты элементов топологии не допускаются.
Требования по дефектам могут относиться к штрихам, цифрам, знакам, буквам и другим элементам топологии. Одним из элементов топологии геодезических лимбов является центрировочная окружность, дефектность которой, как правило, не нормируется, но для рабочих фотошаблонов требования по дефектности центрировочной окружности должны быть определены. Для рабочего фотошаблона на центрировочной окружности допускаются разрывы в количестве 4 шт. длиной не более 10 мкм и утолщения в количестве 4 шт. длиной 5 мкм и шириной до 3 мкм, а для фотошаблона-оригинала дефекты центрировочной окружности не допускаются.
Дефекты, обусловленные классом чистоты полированной поверхности в рабочей зоне шкалы, могут задаваться как в виде конкретного класса чистоты по ГОСТ 11141, так и в виде максимально допустимого количества и размера дефектов, при этом дефекты рассматриваются, как правило, независимо от их происхождения: дефекты стекла или дефекты маскирующего покрытия (темные точки). Из этого следует, что рабочий фотошаблон не должен быть источником дефектов (темных точек), так как полированная поверхность лимба очень часто имеет собственные дефекты и дополнительная дефектность, получаемая от рабочего фотошаблона, которую нельзя устранить, приведет к значительному увеличению количества бракованных деталей. В результате дефектность рабочего фотошаблона будет определяться не требованием по дефектности лимба, а особенностями технологического процесса обратной фотолитографии, а точнее одной из вспомогательных операций: устранение дефектов; которая заключается в удалении хромовых точек методом травления. При устранении темных хромовых точек они обводятся кисточкой специальным защитным составом, после чего производится локальное травление под микроскопом. Для того чтобы можно было обвести точку защитным составом необходимо, чтобы точка находилась от элементов топологии на расстоянии не ближе 30 мкм. Травлением можно устранить любое количество хромовых точек, но значительное их количество может привести к недопустимому увеличению трудоемкости изготовления лимба. Следует учитывать, что темные хромовые точки могут образовываться не только из-за дефектов фотошаблона. Конечно, на рабочем фотошаблоне могут быть дефекты, особенно в случае рабочего (темнопольного) фотошаблона геодезического лимба, изготовленного способом обратной фотолитографии, но их допустимое количество определяется технологом в зависимости от трудоемкости изготовления лимба и от других факторов. В техническом задании необходимо указать количество дефектов на рабочем фотошаблоне. В данном случае, это 4 прозрачных дефекта (прокола). Размеры дефектов на рабочем фотошаблоне имеют диаметры от 1,5 мкм до 5 мкм.
Для светлопольного фотошаблона-оригинала геодезического лимба, с помощью которого способом обратной фотолитографии будут изготавливаться рабочие фотошаблоны, темные точки не допускаются, так как если они образуются, то их можно устранить травлением, а если они находятся очень близко к элементам топологии, фотошаблон бракуется.;
5.Для изготовления рабочих фотошаблонов способом обратной фотолитографии используются заготовки ППХ127х127А после снятия хромового покрытия, если диаметр лимба не превышает 100 мм;
6.Способы изготовления лимбов, а также других оптических шкал, регламентируются отраслевым стандартом ОСТ3-3312-76. Способ изготовления лимба - способ обратной фотолитографии Ф9И;
7.В чертежах многих лимбов имеется требование указывать порядковый номер детали и дату изготовления. Это требование не распространяется на фотошаблоны. Для фотошаблонов в технических заданиях необходимо указать следующее требование: маркировать фотошаблон и указать дату его изготовления. Маркировка и указание даты изготовления необходимы для идентификации фотошаблонов в процессе аттестации и работы с ними. Маркировка представляет собой шифр фотошаблона, который присваивает конструктор-проектировщик фотошаблонов, состоящий из собственно самого шифра фотошаблона и шифра лимба;
.В чертежах лимбов обязательно имеются требования к характеристикам хромового маскирующего покрытия. Это требования к отражению покрытия и пропусканию или плотности покрытия. Требование к отражению хромового покрытия лимба обеспечивается нанесением на поверхность лимба после изготовления шкалы антиотражающего покрытия и, следовательно, в эскизе и технических требованиях не указывается. Пропускание хромового покрытия 5 % при плотности 1,5. Требование к пропусканию хромового покрытия должно быть указано в эскизе и технических требованиях лимба, так как пропускание обеспечивается его толщиной, которая влияет на технологические свойства покрытия и точность изготовления шкалы. Требование к пропусканию хромового маскирующего покрытия фотошаблонов определяется только технологиями фотолитографии. Это требование является одинаковым для рабочих фотошаблонов и фотошаблонов-оригиналов: пропускание хромового покрытия t £ 1 % для длин волн от 0,4 до 0,7 мкм.
.Неровность края элементов топологии лимба и рабочего фотошаблона 0.2 мкм, а фотошаблона-оригинала - 0.1 мкм. Данные определяются по техническим характеристикам процесса фотолитографии и процесса термохимической записи на пленках хрома. Неровность края указывается в соответствии со значением генератора изображений CLWS-300 из таблицы 2 и составляет 0,1 мкм.
8. Технические задания на проектирование фотошаблонов-оригиналов
1.Фотошаблон-оригинал имеет прямое и позитивное изображение элементов топологии;
.Для фотошаблона-оригинала и рабочего фотошаблона, и равную ± 1 угл. сек., а рабочие фотошаблоны с требуемой угловой погрешностью следует получать методом отбора из нескольких фотошаблонов;
.Допуск для фотошаблона-оригинала составит ± 0,6 мкм;
.Для фотошаблона-оригинала дефекты элементов топологии не допускаются;
.Для изготовления фотошаблонов-оригиналов используются пластины прецизионные хромированные ППХ127х127А;
.Способы изготовления лимбов, а также других оптических шкал, регламентируются отраслевым стандартом ОСТ3-3312-76. Способ изготовления лимба - способ обратной фотолитографии Ф9И;
.Маркировать фотошаблон и указать дату его изготовления;
.Пропускание хромового покрытия τ≤1 % для длин волн от 0,4 до 0,7 мкм;
.Неровность края указывается в соответствии со значением генератора изображений CLWS-300 из таблицы 2 и составляет 0,1 мкм.
9. Дополнительная информация
В чертежах лимбов, как правило, имеется требование паспортизации наиболее важных параметров. Одним из таких параметров обычно является угловая погрешность расположения штрихов. Паспортизация заключается в фиксировании конкретного значения параметра в сопроводительном документе (паспорте). Также в паспорте указывается номер лимба и дата изготовления. В технических заданиях на изготовление фотошаблонов требование паспортизации не указывается, так как фотошаблоны проверяются по всем требованиям чертежа в центральной измерительной лаборатории, по результатам измерений заполняется паспорт фотошаблона.
Часть технических требований чертежей лимбов заканчиваются фразой: обеспечивается инструментом. Инструментом для лимба является рабочий фотошаблон, а инструментом для рабочего фотошаблона является фотошаблон-оригинал. Смысл фразы «обеспечивается инструментом» состоит в том, что указанный параметр можно не проверять у лимбов, а проверять в процессе аттестации фотошаблонов.
Заключение
В данной работе произведен выбор технологического процесса (метод обратной фотолитографии) для изготовления круговой шкалы лимба 2Т2-1-79 и приведены аргументы в пользу оптимальности данного метода. В соответствии с техническими требованиями составлено техническое задание на проектирование фотошаблона. Чертеж с эскизом детали и технологическими требованиями прилагается.
Библиографический список
1.Кручинин Д.Ю. Подготовка оптического производства для изготовления круговых шкал (лимбов) / Д.Ю. Кручинин. Екатеринбург. : ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2008. 24 с.