气体扩散对除气过程的影响

《气体扩散对除气过程的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn气体扩散对除气过程的影响倪国荣胡海洪杭州万东电子有限公司（310004）E-mail（ni3kai@sina.com）摘要：工程材料包含的大量微小孔隙不仅提供了气体存放的空间，同时成为气体迁移的路径。气体可以通过孔隙形成的通道，从工件逸出，或从周边进入内部。由浓度差引起的气体迁移受菲克定律控制，其浓度分布可用扩散方程进行计算。对边界条件和初始条件作了一些适当假定后，对无限大平板、无限长圆柱和实心圆球的除气求解了扩散方程。利用求得的解，计算了放气速率和残留气体总量，对除气过程的主要工艺参数进行了讨论。厚度较大的工件进行除气时，由于工

2、件内部深处的气体扩散到工件表面需要较长时间，必须充分考虑气体扩散过程对除气速率的限制。为了取得同样的除气质量（气体残留率）所需的除气时间与工件尺寸的平方成正比。讨论了除气时工件温度分布对残余气体浓度分布的影响。计算了厚1mm和1cm的无限大铁平板除气的松弛时间。关键词：扩散，除气过程1.引言高真空装置，无论是器件还是设备，内部不能有较大的放气源，这对不带真空泵的器件更显重要。因而，必须通过除气除去工件在冶炼过程或存放在大气环境中吸收到内部的气体，以免这些气体缓慢地释放到真空中，使真空度明显下降，导致器件失效。除气过程和气体在材料里的扩散过程有密切关系。本文将就这些问题进行探讨

3、。2.气体在固体中的扩散2.1菲克定律工程技术上实际采用的固态材料，除了因特殊要求而采用的少数单晶体材料外，绝大多数材料是多晶体（如多数金属材料和各种陶瓷）或玻璃态物质，它们由巨量形状不规则的微粒组成，同时也包含了同等数量充满气体的孔隙。气体的来源可能是在金属冶炼时下溶解在液态金属中，也可能是因为材料本身是由粉末压制加工而存留的（例如粉末冶金产品和陶瓷制品），还有可能是长期暴露在大气中气体向材料内部扩散所致。材料内部的气体可以通过分布不规则的孔隙通道才能到达材料表面。反之，外部气体也1可以通过这些孔隙进入材料内部。1即使是单晶体材料，气体也能由外向内或由内向外扩散，因为纵然是

4、完整无暇的晶体，晶格中原子之间也是有空隙的，气体分子能透过这些空隙进行扩散。广泛用于半导体器件制造的扩散工艺就是利用这个效应实现向晶片有控制的掺杂，形成PN结的。所以，即使用单晶材料制作外壳或内部工件，同样发生气体的扩散过程。-1-http://www.paper.edu.cn用字母“A”代表材料内部的气体，字母“B”代表构成工件（零部件的统称，下同）材料。假定，气体A不会和材料B发生化学反应，材料B自身也不发生产生或消耗气体A的化学反应。因而，工件内部的气体A含量发生的变化，或是从内部穿过外表面逸出而减少，或是因从周边环境通过孔隙进入工件内部而增加；不会因化学反应而增加或减

5、少。用G表示部件所占据的空间区域,S是区域G的表面，P是G中的一点，P∈G。P点气体A在时3刻t的摩尔浓度（mol/m）为N（P,t）。假定材料B的是均匀的，处处具有相同的温度和微观结构，DAB在G内处处相等，气体A的迁移仅仅是由于浓度差引起的。描述扩散现象的基本定律为菲克第一定律：对于由两组分A和B组成的混合物，在无总体流动时，由于浓度梯度引起的扩散通量JA等于扩散系数与浓度梯度的乘积，其数学形式为：J=−D∇N（1-1）AABA式中，扩散通量是空间某点组分A的流量密度，是矢量，其方向为组分A的流动方向；DAB表示组分A在组分B里的扩散系数，∇是哈密顿算子，∇NA是组分A在

6、该点的浓度梯度，也是矢量；负号表示扩散通量的方向与梯度方向相反。组分A在组分B里浓度分布随空间、时间发生的变化服从菲克第二定律：在无总体流动和化学反应时，组分A在组分B里的浓度分布函数N（P,t）满足扩散方程：∂N=DΔN（1-2）AB∂t式中，Δ是拉普拉斯算子。方程（1-2）既可用来分析气体从工件内部逸出的过程，也可用来分析气体从周边环境中渗入工件的过程。究竟发生哪种过程，取决于工件所处的环境和初始状态，用数学语言来说，就是初始条件和边界条件，只有确定了初始条件和边界条件，才能求出定解。2.2气体扩散过程的数学分析假定工件在瞬间里温度达到某一温度T，G以外空间迅速被抽到很高

7、的真空度。采用初始条件和边界条件如下：1)初始条件：N（P,0）=N0，即工件内部气体A的初始浓度处处相等。对于长时间“浸泡”在基本稳定的环境中的工件，这一条件是基本满足的。22)边界条件：NS=常数,即工件外表面A分子浓度为恒定，这要求真空系统的抽气速率足够大，能将工件放出的气体及时抽走；工件表面的气体A分子浓度恒定：在绝对真空中为0，而在高真空、超高真空里是一个很小的常数。绝对真空实际上是不可能的，任何强大的真空泵，其能达到的真空度都有一个极限。在极限真空下，空间存在着微量气体，空间气体的分子不断撞