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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@ ） 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。 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 - 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， D 在G内处处相等，气体A的迁移仅仅是由于浓度差引起的。 AB 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J A 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） A