1 Основные понятия технологического процесса

Технологический процесс получения материалов электронной техники – совокупность способов и процессов переработки сырья в проводники, полупроводники, диэлектрики и магнетики.

Способ переработки (в технологии его называют способом производства) – последовательное описание операций, протекающих в соответствующих аппаратах. Такое описание называют технологической схемой. Операция происходит в одном или нескольких аппаратах и представляет собой сочетание различных технологических процессов: тепловых, массообменных, механических и химических.

Основные стадии технологического процесса:

– подготовка сырья и подвод реагирующих компонентов в зону реакции;

– химические превращения (реакции);

– отвод из зоны реакции полученных продуктов и выделение целевого продукта.

В первой стадии протекают физические процессы, в результате которых перерабатываемые материалы изменяют только свою внешнюю структуру или физические свойства и химически неизменными переходят во вторую стадию. Подвод реагирующих компонентов в зону реакции может совершаться диффузией или конвекцией, абсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров, плавлением твердых веществ или растворением их в жидкости, испарением жидкостей или возгонкой твердых веществ и др.

Во второй стадии протекают процессы, в которых исходные материалы претерпевают более глубокие превращения, вызывающие изменения не только физических свойств, но также агрегатного состояния и химического состава вещества. В реагирующей системе обычно происходит несколько последовательных (а иногда и параллельных) химических реакций, приводящих к образованию основного продукта, а также ряд побочных реакций между основными исходными веществами и примесями, наличие которых в исходном сырье неизбежно. В результате, кроме основного, образуются побочные продукты (материалы, имеющие народнохозяйственное значение) или отходы производства, то есть продукты реакций, не имеющие значительной ценности. Побочные продукты и отходы производства могут образоваться как при основной реакции наряду с основным продуктом, так и вследствие побочных реакций между основными веществами и примесями. Обычно при анализе производственных процессов учитываются не все реакции, а лишь те из них, которые оказывают определяющее влияние на количество и качество получаемых основных продуктов.

В третьей стадии химических превращений нет, здесь происходит разделение: выделяются целевой (основной) продукт, побочные продукты и оставшиеся исходные реагенты, которые могут быть возвращены в начало процесса.

Для характеристики технологического процесса, его организации и оптимизации используют понятие технологического режима. Технологический режим – совокупность основных параметров, определяющих скорость процесса, выход и качество продукта. Параметрами режима являются температура, давление, концентрация, скорость и способ подвода и перемешивания реагентов и др. Параметры режима определяют принципы конструирования соответствующих реакторов. Оптимальному значению параметров технологического режима соответствуют максимальная производительность процесса, высокое качество целевого продукта.

По характеру протекания во времени технологические процессы делятся на периодические, непрерывные и комбинированные.

Периодический процесс характеризуется неустановившимся состоянием во времени: вначале идет загрузка исходных материалов, в конце процесса – выгрузка конечного продукта, затем цикл повторяется. При этом параметры режима в течение всего времени меняются.

Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий, установившимся состоянием и непрерывным отбором конечного продукта. Поэтому параметры режима в течение всего времени не меняются.

Комбинированный процесс представляет собой любой непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой процесс, одна или несколько стадий которого проводятся непрерывно.

Непрерывные процессы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с периодическими и комбинированными. В связи с этим в настоящее время во всех отраслях техники стремятся перейти от периодических к непрерывным производственным процессам.

Реальные технологические процессы нестационарны, нелинейны, многомерны, со многими внутренними обратными связями.

Решение задачи оптимального управления технологическим процессом на основе его математической модели решается с помощью автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). АСУ ТП – это человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, на основе которой она осуществляет выработку и реализацию управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления. При этом роль человека, как и в любой АСУ, весьма существенна.

В управлении технологическими процессами на основе их моделирования появилось новое перспективное направление организации технологии, основанное на учете внутреннего саморазвития процесса и идеях синергетики. Под действием этого направления меняется сам подход к технологии: хорошей технологией считается такая, которая в режиме нормальной эксплуатации практически не нуждается в электронных средствах автоматического регулирования, а обеспечивается за счет оптимальной взаимосвязи технологических параметров. В основе такого подхода лежит недавно сформировавшийся раздел науки, получивший название теории самоорганизации или синергетики, уже приводящий в ряде случаев к разработке оптимальной технологии как самоорганизующейся и самоадаптирующейся системы, автономно действующей в каждом из предусмотренных вариантов нормальной эксплуатации.

Процессы получения материалов электронной техники – гетерогенные химико-технологические. Кроме химических реакций, они включают следующие процессы:

– массоперенос исходных реагентов в зону реакции и продуктов реакции из этой зоны;

– теплоперенос между зоной реакции и окружающей средой.