Введение к работе
Актуальность проблемы. Несмотря на развитие полупроводниковой техники и технологии электровакуумные приборы (ЭВП) различных типов находят широкое применение в народном хозяйстве страны, что выдвигает требования создания большого количества новых ЭВП. Долговечность и надежность работы важнейших объектов промышленности во многом зависят от качества, надежности и долговечности ЭВП. Неуклонное повышение качества и технологического уровня всех выпускаемых ЭВП, наряду с дальнейшим увеличением масштабов производства, является важнейшей задачей электронной промышленности.
Эти повышенные требования к ЭВП приводят к разработке новых, более совершенных способов получения вакуума и новых, более эффективных технологий изготовления узлов и откачки ЭВП.
В области улучшения технологий откачки ЭВП наиболее важными являются работы по созданию новых и совершенствованию традиционных технологических процессов. Значительные успехи в этом направлении достигнуты благодаря работам ученых и специалистов электронной промышленности, вузов, НИИ, РАН (Н.Д. Девяткова, С.И. Реброва, Н.В. Черепнина, В.Ф. Коваленко, В.Н. Батыгина, В.П. Марина, А.К. Михалева, В.С. Прилуцкого, В.Б. Байбурина, Г.А. Тягунова и других).
Анализ результатов их работ показывает, что для получения высоких параметров, максимальной надежности и уменьшения себестоимости производства ЭВП. В числе обязательных условий необходимо:
увеличить эффективную быстроту откачки приборов;
понизить предельное разрежение в приборе.
Работы всех этих специалистов были, как правило, направлены на совершенствование традиционных методов откачки ЭВП через штенгель. Поэтому достичь максимальных результатов для реализации этих задач не всегда было возможно. Новое направление- бесштенгельная откачка было предложено впервые выдающимся советским ученым академиком С.А. Векшинским в 1934 году. Дальнейшее усовершенствование этого процесса нашло в работах А.Т. Александровой, Г.В. Конюшкова, В.И. Воронина, В.П. Шумарина, Л.А. Радченко, М.Н. Печатникова, А.П. Краснова и Ф.Г. Закирова Их работы были посвящены, в основном, созданию оборудования для камерного и гнездового способов откачки без теоретического обоснования этих процессов.
Целью работы является разработка технологических процессов камерной откачки ЭВП с применением форсированных и совмещенных режимов термовакуумной обработки приборов, обеспечивающих увеличение долговечности, сокращение длительности циклов откачки, повышение эмиссионной способности катодов, обеспечение возможности групповой откачки приборов, снижение трудовых энергозатрат.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ технологических процессов откачки ЭВП и выбрать принципиальные схемы, обеспечивающие применение форсированных и совмещенных режимов термовакуумной обработки приборов при индивидуальном и групповом методах откачки.
-
Разработать математическую модель камерной откачки ЭВП с разнесением частей, обеспечивающую определение давления в приборе в зависимости от проводимости зазора (разнесения частей), конструкции и материалов прибора, параметров вакуумной системы, быстроты откачки насосов, предельного давления в камере и ее размеров.
-
Получить расчетные зависимости между проводимостью эвакуационных сечений откачиваемых ЭВП и величиной разнесения их частей и определить оптимальную величину разнесения, что позволяет сформулировать технические требования к конструкциям механизмов перемещения и давления.
-
Разработать типовой технологический процесс откачки ЭВП.
-
Разработать методику расчета производительности вакуумной системы при камерной откачке и рекомендации по проектированию оборудования.
-
Разработать методику объективной оценки степени обезгаженности ЭВП на откачке по величине газового потока и оптимального времени обезгаживания прибора.
-
Разработать технологические приемы, обеспечивающие улучшение вакуумных и электрических характеристик ЭВП, сокращение циклов откачки.
-
Провести экспериментальные исследования, подтверждающие результаты теоретических исследований при различных способах откачки групп приборов различных типов (магнетронов, перестраиваемых напряжением (МПН), ламп бегущей волны (ЛБВ), вакуумных дугогасительных камер (ВДК), вакуумных конденсаторов, вакуумных реле).
Работа выполнялась в соответствии с Государственной программой развития вооружения, специальной и военной техники на 2001 – 2010 годы (утверждена Президентом РФ 23 января 2002 г.), с программой совместных исследований и разработок ОАО «НПП «Контакт» и СГТУ (2003 г.) и в соответствии с директивной документацией федеральных учреждений электронной промышленности РФ по сокращению и совершенствованию циклов откачки ЭВП.
Методы и средства исследований. При выполнении работы использованы научные основы вакуумной техники и технологии, вакуумной электроники. Применялось математическое моделирование процессов камерной откачки. Вычислительные эксперименты выполнены на компьютере класса Athlon X2 с использованием программного пакета инженерных расчетов MathCAD 14.0 Academic version.
Использована стандартная аппаратура – приборы для измерений давления (манометрические приборы) и электрических параметров (промышленные тренировочно-испытательные стенды), анализа спектра остаточных газов (ИПДО-2А с датчиком РМО-4С), оборудование для диффузионной сварки (УДС-2), разрывная машина Р-5.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием известных положений фундаментальных и прикладных наук (вакуумная техника, вакуумная и плазменная электроника, физика тонких пленок), корректностью математических моделей и их адекватностью известным критериям оценки параметров изучаемых процессов, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также промышленной проверкой.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Камерная откачка с форсированными и совмещенными режимами вакуумно-термической обработки ЭВП (оболочки, электродов и других элементов), предварительное обезгаживание и герметизация пайкой или диффузионной сваркой приводит к сокращению длительности циклов откачки в 1,5…2,0 раза.
-
Математическая модель камерной откачки позволяет определить величину давления в откачиваемом приборе в зависимости от проводимости зазора (разнесения частей), конструкции и материалов прибора, параметров вакуумной системы и времени.
-
Расчетные зависимости устанавливают взаимосвязь между проводимостью и величиной зазора и позволяют определить оптимальную величину разнесения частей прибора (Н=0,3d…0,5d) и время обезгаживания ЭВП.
-
Расчетные зависимости, учитывающие температуру обезгаживания, величину и время обезгаживания с учетом газовыделения, позволяют определить оптимальную быстроту откачки камеры и выбрать средства откачки.
-
Технологические схемы и приемы (откачка через зазор, образованный гофрированным припоем; откачка через отверстие в корпусе с герметизацией заглушкой; откачка через все сечение прибора с герметизацией заглушкой; откачка через короткий штенгель; предварительное обезгаживание оксидных катодов; оптимизация способа технологической подготовки металлических внутриламповых деталей) обеспечивают не только сокращение циклов откачки, а также повышение эмиссионной способности катодов, снижение остаточного давления в приборах, отбраковка (на стадии производства) приборов с «внутренним» газовыделением и увеличение долговечности катода.
Научная новизна работы:
На основе научно обоснованного подхода к разработке технологических процессов откачки приборов различных классов (спутниковых ЛБВ, МПН, ВДК, вакуумных конденсаторов, вакуумных реле) предложены принципиальные и типовые технологические схемы процессов.
Впервые разработана математическая модель технологического процесса камерной откачки ЭВП с разнесением частей, позволяющая рассчитать проводимость эвакуационного зазора, давления в полости прибора, время обезгаживания и параметры вакуумной системы.
Разработаны методики технологических приемов обработки оксидного катода и внутриламповых деталей по форсированным режимам при камерной откачке, обеспечивающие снижение температуры активирования катода, улучшение параметров приборов, сокращение циклов откачки и тренировки.
Обработка оксидных катодов приборов по форсированным режимам при камерной откачке позволяет снизить температуру активирования катодов на 100С, что приводит к уменьшению испарения активного вещества и увеличению срока службы катодов.
Определены группы приборов с учетом их конструктивных особенностей и требований к выходным параметрам, которые рекомендуются для откачки по разработанным принципиальным схемам.
Разработан типовой технологический процесс и режимы герметизации пайкой или диффузионной сваркой при камерной откачке для определенной группы приборов.
Разработаны требования и рекомендации к оборудованию для камерной откачки.
Практическая значимость.
Результаты работы могут быть использованы предприятиями электронной промышленности при разработке технологических процессов и оборудования для камерной откачки ЭВП практически всех типов, конструкций и габаритных размеров. Результаты работы при разработке технологических процессов откачки позволяют значительно сократить трудовые затраты, применить форсированные и совмещенные режимы групповой откачки ЭВП, снизить энергоресурсы за счет сокращения длительности циклов откачки и тренировки, улучшить эмиссионные и вакуумные характеристики приборов. Технологии прошли апробацию на ОАО «НПП «Контакт».
Разработаны технологические приемы (предварительное обезгаживание катодов, оптимизация технологии очистки внутриламповых деталей, оптимизация способа герметизации прибора), приводящие к улучшению параметров приборов.
Разработан метод оценки степени обезгаженности прибора при откачке по величине газового потока с учетом постоянной времени обезгаживания, определяемой изменением величины газового потока из прибора на один порядок.
Разработаны рекомендации и режимы герметизации приборов при камерной откачке диффузионной сваркой, обеспечивающие получение прочных, вакуумноплотных соединений и исключающие газовыделение во внутреннюю полость прибора в процессе герметизации.
Установлена взаимосвязь между газовыми потоками из прибора, проводимостями эвакуационных зазоров и вакуумной системы, что приводит к более эффективному использованию вакуумных насосов.
Материалы исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета в виде лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Технология материалов и изделий электронной техники» и «Оборудование производств изделий электронной техники».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: конференции молодых ученых машиностроительного факультета СГТУ. I тур (Саратов, 2008); XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008); IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008); 6-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2007); 7-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2008); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2008); IV Российской научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ (2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 10 статей в научных сборниках).
Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке целей, задач исследований, обработке и обобщении результатов и основных выводов диссертации, разработке методик и моделей камерной откачки, оптимизации условий удаления газов из приборов различных типов, разработке оборудования, режимов откачки и герметизации приборов.
Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с научным руководителем и с соавторами публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 102 наименования, акта использования результатов в производстве. Работа изложена на 152 страницах, содержит 56 рисунков и 8 таблиц.
