Обработка многоспектрального сульфида цинка отличается от обработки стандартного ZnS тремя конкретными способами: структура зерен, которая проявляется после горячего изостатического прессования, допускает меньшее усилие резания, требования к качеству поверхности более строгие, поскольку повреждения под поверхностью становятся видимыми во время более длительного цикла полировки, а стоимость материала на один пригодный субстрат значительно выше, что меняет экономику каждого решения об отходах и переработке, принятого на предыдущих этапах. Если применить стандартные параметры процесса CVD ZnS к материалу многоспектрального класса, вы получите заготовки, которые пройдут первичный контроль, но выйдут из строя на этапе окончательной полировки — после того, как большая часть трудозатрат уже будет потрачена.
На этой странице рассматривается, что меняется при изменении класса материала и почему этап резки, в частности, несет больший риск на последующих этапах, чем большинство операций осознают. Для принятия решения с точки зрения оборудования о том, какую режущую машину использовать для материала ZnS в целом, см. Машина для резки оптических элементов из ZnS обзор — на этой странице предполагается, что это решение принято, и основное внимание уделяется технологическому диапазону для многоспектрального класса, специфичному для материала.
Что отличает обработку многоспектрального сульфида цинка от стандартного ZnS
Стандартный CVD сульфид цинка выращивается методом химического осаждения из газовой фазы и используется в том виде, в котором он был осажден. Его окно пропускания охватывает примерно 8–12 мкм — диапазон LWIR, полезный для тепловизионной съемки — и его поликристаллическая структура зерен более грубая, с размерами зерен в десятки микрон и умеренным рассеянием света в видимом диапазоне.
Многоспектральный CVD ZnS начинается с того же процесса осаждения, затем подвергается горячему изостатическому прессованию (HIP) при температурах обычно в диапазоне 900–1000 °C под давлением аргона 100–200 МПа. Эта последующая обработка рекристаллизует структуру зерен до субмикронной однородности, снижает плотность внутренних пустот и расширяет окно пропускания вниз до примерно 0,4 мкм. Материал теперь пропускает видимый свет с приемлемой дымкой и остается прозрачным вплоть до LWIR — отсюда и название “многоспектральный”, охватывающий диапазон от видимого до дальнего инфракрасного излучения в одном субстрате.
Обработка многоспектрального сульфида цинка стоит дороже, чем обработка стандартного ZnS на каждом этапе, из-за трех связанных изменений:
- Измельчение зерен снижает локальную ударную вязкость поверхностного слоя. Мелкозернистая структура, которая обеспечивает оптическую однородность многоспектрального ZnS, также устраняет механизмы остановки трещин по границам зерен, присутствующие в более крупнозернистом материале. Повреждения поверхности легче распространяются во время резки.
- Повреждения под поверхностью становятся видимыми во время полировки. Стандартная полировка ZnS удаляет достаточно материала для достижения оптического качества в диапазоне LWIR и останавливается. Многоспектральная полировка продолжает достигать более низких целевых значений Ra и более тонких субстратов, обнажая слои повреждений под поверхностью, которые были бы отполированы с заготовки стандартного класса.
- Стоимость сырья значительно выше. Многоспектральный CVD ZnS имеет существенную надбавку к стоимости по сравнению со стандартным CVD ZnS на единицу массы, что изменяет допустимый процент брака на каждом этапе обработки.
Результат: тот же процесс резки, который производит пригодные стандартные заготовки ZnS, будет производить многоспектральные заготовки со скрытыми дефектами под поверхностью, которые проявятся только на этапе полировки, когда субстрат уже поглотил большую часть своих производственных затрат.
Свойства материала, влияющие на изменение параметров резки
Свойства, которые меняются при переходе от стандартного к многоспектральному ZnS, не являются теми, которые отслеживаются в большинстве технологических карт. Общая твердость (Кнуп ~160–230 KHN) практически не меняется. Общая ударная вязкость (~0,8–1,0 МПа·м⁰·⁵) меняется лишь незначительно. Материально меняется поведение поверхностного слоя под локальным воздействием:
| Свойство | Стандартный CVD ZnS | Многоспектральный CVD ZnS |
|---|---|---|
| Размер зерна (типичный) | 5–50 мкм | От субмикронного до ~2 мкм |
| Диапазон пропускания | 8–12 мкм | 0,4–12 мкм |
| Рассеяние видимого света | Высокое (полупрозрачное желто-оранжевое) | Низкое (почти бесцветное, как вода) |
| Поведение поверхностных трещин | Сколы по границам зерен | Микротрещины под зернами, менее заметные |
| Типичная надбавка к стоимости сырья | Базовый уровень | Существенная надбавка по сравнению с базовой ценой |
| Целевой показатель удаления при полировке | Стандартный (только LWIR) | Значительно выше (более мелкий Ra, более тонкий конечный) |
Последние две строки имеют значение для учета затрат. Обработка многоспектрального сульфида цинка требует большего удаления материала на этапе полировки, что означает, что любые повреждения под поверхностью от резки имеют больше времени и больше абразивного воздействия, чтобы стать видимыми — либо в виде дымки, которая не проходит проверку в видимом диапазоне, либо в виде микроскопических ямок, которые не проходят тест на адгезию покрытия после нанесения антибликового покрытия.
Для справки о том, как аналогичные соображения по удалению материала при полировке применимы к селениду цинка — родному, но более мягкому ИК-материалу — см. Полировка оптики из селенида цинка руководство по обработке.
Корректировка силы резания и скорости подачи для многоспектрального класса
Изменение параметров при переходе от стандартного ZnS к обработке многоспектрального сульфида цинка не является пропорциональным уменьшением. Некоторые параметры значительно меняются, другие — едва ли.
Wire tension следует умеренно снизить для многоспектральной резки по сравнению с натяжением, используемым для той же геометрии заготовки в стандартном ZnS. Обоснование заключается не в снижении силы резания на уровне объема материала, а в снижении пикового скачка силы при входе и выходе из реза, где мелкозернистая структура многоспектрального материала наиболее уязвима к микротрещинам под поверхностью. На практике это означает, что проволочная пила работает ближе к своему диапазону низкого натяжения для толщины заготовки.
Feed rate требует более значительной корректировки — значительно медленнее, чем скорости подачи стандартного ZnS для той же толщины заготовки. Более медленная подача снижает температуру зоны резания и уменьшает плотность контактных событий на единицу площади субстрата. Оба фактора уменьшают глубину слоя повреждений под поверхностью, который должен быть удален на этапе полировки.
Поток охлаждающей жидкости имеет большее значение, а не меньшее. Мультиспектральный ZnS более подвержен загрязнению из-за повторного осаждения стружки, поскольку его мелкая поверхностная текстура удерживает частицы, которые сбрасывала бы более грубозернистая поверхность стандартного ZnS. Скорость потока водосодержащего охлаждающего вещества обычно должна быть значительно выше, чем при работе со стандартным ZnS, а интервалы фильтрации охлаждающего вещества должны быть короче — измеряемые в рабочих часах, а не в днях непрерывной резки.
Что не меняется: выбор между алмазно-проволочной пилой и внутренней пилой остается таким же, как и для стандартного ZnS — Машина для резки оптических элементов из ZnS анализ оборудования применим к обоим сортам. Многоспектральная обработка сульфида цинка редко оправдывает смену типа станка; она оправдывает перенастройку имеющегося станка.
Существует одна ситуация, когда это руководство не работает. Если ваш процесс резки ранее выполнялся с агрессивными параметрами для максимизации пропускной способности на стандартном ZnS, приведенные выше снижения параметров могут быть недостаточными — вам может потребоваться существенно замедлить процесс в целом, что значительно изменит планирование производства. Операции, которые уже работают со стандартным ZnS при консервативных параметрах, имеют меньше корректировок.
Требования к качеству поверхности для многоспектральной обработки сульфида цинка
Целевые показатели после резки для многоспектральной обработки сульфида цинка более строгие, чем для стандартного сорта, но ужесточение неравномерно по метрикам.
Ra (шероховатость поверхности) Целевые показатели после резки более строгие для многоспектральных, чем для стандартного окна Ra 0,6–1,2 мкм, типичного для стандартных поверхностей ZnS после резки. Более узкое окно имеет значение, потому что стадия полировки должна удалить любую шероховатость поверхности выше конечной целевой Ra — а многоспектральные конечные требования к Ra для приложений в видимом диапазоне значительно тоньше, чем требования для стандартного ZnS только для LWIR.
TTV (общий допуск по толщине) для заготовки диаметром 50 мм более строго ограничено для многоспектральных, чем допустимый диапазон 8–15 мкм для стандартного сорта. TTV, который не соответствует спецификации, является не только затратами на резку — он требует полного дополнительного цикла шлифовки для исправления, и этот цикл шлифовки несет собственный риск повреждения под поверхностью на многоспектральном материале.
Глубина слоя повреждения под поверхностью — это метрика, которую большинство операций не измеряют, но должны. Стадия полировки должна удалить по крайней мере глубину повреждения под поверхностью, введенного во время резки, прежде чем будет обнажена “истинная” поверхность материала. Если резка вводит больше повреждений под поверхностью, чем было предусмотрено бюджетом удаления при полировке, время цикла значительно увеличивается, а выход соответственно падает.
Зона сколов по краю требования строже для многоспектральных, потому что требование пропускания в видимом диапазоне означает, что дефекты края создают измеримое рассеянное освещение. Допустимая зона сколов от края подложки значительно меньше для многоспектральных, чем для стандартного ZnS только для LWIR.
Не каждое приложение требует качества поверхности многоспектрального сорта. Если ваше конечное использование — только визуализация LWIR, а подложка будет установлена по краю, где внешние 2 мм скрыты за рамкой, требования к краю в видимом диапазоне просто не применяются. Многоспектральная обработка сульфида цинка при этих более строгих целевых показателях стоит затрат только тогда, когда приложение фактически использует видимый диапазон.
Охлаждающая жидкость, крепление и особенности обращения
Помимо параметров силы и подачи, три фактора обращения имеют большее значение для многоспектральной обработки сульфида цинка, чем для стандартных работ.
Химия охлаждающей жидкости должна быть на водной основе с нейтральным pH. Многоспектральный ZnS более чувствителен к кислотным или щелочным остаткам охлаждающей жидкости, которые избирательно травят на границах мелких зерен и производят поверхностную дымку, которую трудно удалить только механической полировкой. Стандартный ZnS допускает более широкий диапазон химии охлаждающей жидкости; многоспектральный — нет.
Материалы крепления имеют значение по той же причине, что и выбор оборудования. Любая контактная поверхность крепления, которая может оставлять следы металлического переноса — зажимы из углеродистой стали, неокрашенные алюминиевые приспособления — создает загрязнение, которое проявляется как сбои при проверке в видимом диапазоне на стадии полировки. Многоспектральные крепления должны использовать исключительно контактные поверхности с тефлоновым покрытием или из нержавеющей стали.
Обращение между операциями требует большей дисциплины, чем стандартный ZnS. Заготовки не должны лежать на поверхностях стола без крышки — частицы из воздуха оседают на свежесрезанной поверхности и встраиваются на стадии полировки. Стандартная практика — перемещать многоспектральные заготовки непосредственно в закрытые лотки для переноса после резки и по возможности сокращать время переноса до шлифовки до 4 часов. Режим отказа от длительного хранения без крышки трудно обнаружить до тех пор, пока полировка не обнажит слой загрязнения.
Сайт Процесс двусторонней шлифовки окна ZnSe руководство охватывает аналогичную дисциплину обращения для подложек из селенида цинка, где соображения чувствительности материала пересекаются с многоспектральным ZnS.
Последующее влияние: почему качество резки определяет стоимость полировки
Экономическое обоснование строгой многоспектральной обработки сульфида цинка на стадии резки заключается не в первую очередь в уровне брака на самой стадии резки. Брак при резке дорог, но исправим — потерянный материал — это одна заготовка. Брак при финальной полировке, после завершения всей обработки и предварительной полировки, стоит материала плюс примерно 60–80% трудозатрат на готовую деталь.
Повреждение под поверхностью, введенное во время резки, невидимо сразу. Оно становится видимым во время расширенного цикла полировки, который требует многоспектральный — значительно более длительной последовательности полировки на полировальном круге для каждой поверхности по сравнению со стандартным ZnS только для LWIR. Если резка вводит больше повреждений под поверхностью, чем было рассчитано бюджетом удаления при полировке, слой повреждения обнажается в середине полировки, после того как оператор уже вложил значительные трудозатраты на финишную обработку.
Множитель стоимости дефекта, обнаруженного при финальной полировке по сравнению с резкой, значительно больше для многоспектральных, чем для стандартного ZnS. Эта асимметрия оправдывает консерватизм параметров и дисциплину обращения, описанные выше.
Когда выбирать многоспектральный ZnS против стандартного ZnS
Не каждое применение инфракрасной оптики выигрывает от многоспектральной обработки сульфида цинка. Стандартный ZnS, полученный методом CVD, остается правильным выбором для многих применений, а указание многоспектрального, когда это не требуется, добавляет стоимость без функциональных преимуществ.
Многоспектральный требуется, когда:
- Оптика должна пропускать видимый свет для выравнивания, совмещения или двухдиапазонной визуализации
- Применение включает проверку или наведение в видимом диапазоне через ту же подложку
- Оптика находится в системе, где смешанная производительность в видимом и ИК диапазонах оправдывает надбавку за материал
Стандартный ZnS подходит, когда:
- Приложение представляет собой только LWIR-визуализацию (диапазон 8–12 мкм)
- Оптика используется в тепловизионных прицелах, неохлаждаемых тепловизионных камерах или инфракрасной спектроскопии в диапазоне LWIR
- Чувствительность к стоимости перевешивает незначительные возможности в видимом диапазоне
Случай перекрытия — приложения, которые могут работать на стандартном ZnS, но иногда выигрывают от мультиспектральности — обычно решается в пользу стандартного ZnS по соображениям стоимости, если только системный инженер специально не требует пропускания видимого света. Чрезмерное указание мультиспектральности в этих приложениях является распространенной ошибкой в стоимости, против которой поставщик материалов не будет возражать.
Для более широкого обзора того, как ZnS вписывается в производство инфракрасной оптики наряду с германием и ZnSe, производство германиевой ИК-оптики ссылка охватывает выбор материалов из семейства инфракрасных оптических материалов.
Связанное чтение
- Станок для резки оптики из ZnS: проволочная пила против пилы с внутренним диаметром — выбор оборудования для материала ZnS в целом
- Станок для резки линз из ZnSe — связанный процесс для селенида цинка
- Двусторонняя шлифовка окон из ZnSe — ссылка на последующий процесс шлифовки
- Производство инфракрасной оптики из германия — сравнительный выбор ИК-материалов
- Оборудование для автомобильных тепловизионных линз — Применение в LWIR, где применяется стандартный ZnS
