Введение к работе
Актуальность работы.
Важной особенностью развития ЭВП СВЧ в
настоящее время является создание приборов,
отвечающих современным научно-техническим
требованиям я составляющих задел и перспективу развитии электровакуумной СВЧ электроники.При этом значительная роль отводится технологии изготовления приборов, и прежде всего совершенствованию катодов и теплонагружеиных элементов (ТНЭ): коллекторов, замедляющих систем, сеточных узлов. Вопросы теплоотвода а коллекторах, линиях замедления и других теплонагру/леипых элементах все острее
ЗетаЮТ И СВЯЗИ С ПОВЫШеППем урОВНЯ іМОЩНОСТИ
электровакуумных приборов.
Основными требованиями, предъявляемыми к материалам для теплонагруженных элементов ЭВП СВЧ, являются: высокая теплопроводность, низкий коэффициент вторичной электронной эмиссии, низкое газовыделеиие, отсутствие распыления при высоких температурах (500...600С) и стойкость к локальному нагреву при мощности более 1 кВт/см2. Используемые в настоящее время материалы: медь, молибдено-медные сплавы МД-40, МД-50 не полностью удовлетворяют этим требопшшям. Поэтому приходится идти на усложнение конструкции и технологии изготовления лриборов, что уменьшает их надежность и повышает стоимость.
Разработанные в последнее время углеграфптовме материалы (УГМ) нового класса, получаемые методом пиролиза из газовой фазы, полнее удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалам для ЭВП СВЧ. Толчком к разработке и производству высококачественных углеграфнтовых материалов с повышенными требованиями к прочности, термической стойкости, окнеляемостн, а также стабильности свойств, послужило использование графита в ядерной и ракетной технике.
В Европе, США н Японии более 10 фирм
занимаются поставками графитовых изделии для
производства различных полупроводниковых
материалов, а также электронных компонентов. Имеется широкий спектр углеграфнтовых материалов, выпускаемых и отечественной промышленностью. Из отечественных УГМ наиболее перспективным по комплексу свойств является пнролитнческий графит изотропный (ПГИ). Применению ПГИ в качестве материала теплонагружениых элементов ЭВП СВЧ и посвящена настоящая работа.
Цель работы:
Исследование основных свойств ПГЛ н разработка на его основе конструкций и технологических процессов изготовления тешюнагруженных элементов ЭВП СВЧ повышенной мощности.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные направлении работы:
-Исследование вторично-эмиссионных и вакуумных свойств ПГИ и их зависимости от обработки поверхности;
-Исследование и разработка технологических процессов формообразования и очистки ПГИ;
-Выбор металлизационных паст и напыляемых
покрытий. Изучение влияния толщины покрытия,
температуры вжнгания. времени выдержки при
вжиганпи па адгезионную прочность сцепления покрытий с ПГИ:
-Исследование' и разработка процессов пайки и
сварки ПГИ с различными материалами. Изучение
взаимодействия припоев с металлнзашюкным
покрытием и активных колшонемтов припоев с ПГИ при контактно-реактивной пайке;
-Изучение напряженного состояния паяных узлов
на основе ПГИ. Создание и опробование
технологических приемов воздействия на напряженное состояние и, следовательно, на прочность узлов на основе ПГИ;
-Опенка механической прочности соединений на основе ПГИ;
-Опробование ПГИ в деталях и
теплонагру;кенных элементах мощных ЭВП СВЧ.
Методика исследований.
Исследования вторичной электронной эмиссии производились по методике импульсного измерения коэффициента вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ). Запись зависимости КВЭЭ от энергии первичных электронов (Еп) осуществлялась автоматически на графопостроителе с точностью около 3%. Температура нагрева образцов определялась микропирометром типа "Pyro-YVerk G.m.b.H" с точностью ±5С.
Газоео держание графита определялось методом высокотемпературной (1900-2000С) десорбции п потоке несущего газа (гелия) на прибори "Дннометр". Газовыделение измеряли методом термодесорбшш В вакууме Ї.ЗхІСН Па с масс-свектрометрическпм (масс-спектрометр MX-IG32) анализом состава и количества газов, выделившихся из образца при его обезга'лтвашш в интервале температур 20-800С в течение 1-3 часов. Состав поверхности образцов ПГИ пселсдовалп методом электронной О'.ке-Сііектроскопіш (3GC) с помощью спектрометра тина 09НОС-3,
Рентгекосгруктурньш анализ проводился на
дифрактометре УРС-50П. Съемки велись на медном
излучателе при капря/кешш 3S кБ и токе 8 мА. В;::нгание
металдпзашюнных споен на поверхности ПГМ
производили в восстановительной газовой среде
формиргаза (емсев Нз : N2 = 2 : 1« е температурой точки
росы -5...-20С) в колпаковых печах периодического
действие пли в вакууме (давление їОПа) при
температуре 1Ю0...1350С в печи типа "TESLA".
Тонкопленовпав металлизация производилась
тепмпческим испарением с вакууме слоев хром-медь па
установке УВН2.М-2. г так;::о плазме.чно-дуговым
напылением молибдена па установке '43.279.062.
Панка узлов осушествлвлась в среде сухого водовода в в
вакууме. Узлы подвергались трехкратному
термоцнклнрова.чшэ в среде водорода ї:лп в вакууме ь иіпепвале температур (2^...60І)...20)СС е выдержкой при каждой из этих температур по 10 мину/. Адгезшшнав прочность саепленпг: металлпзацпепных нокрьітиіі к ППї п прочность напных соединений определились но стандартным меюднкам при помощи разрывной машины 2000ІР-0.5 с использованием специальных
Исследования распределения элементов в зоне паяного
шва выполнялись на установке "Camebax" фирмы
"Сатеса". Напряженное состояние паяных узлов
исследовалось по стандартной методике определения
остаточных напряжений в узлах и деталях
газотурбинных двигателей с применением
чувствительных 'Тензодатчиков. Кроме того, был использован поляризационно-оптический метод, основанный на измерении двойного лучепреломления в оптически прозрачных моделях с помощью поляриметра ПКС-250. Структура паяных соединений исследовалась на металлографическом микроскопе "Neophot-2"
Основные научные положения.
-
Вскрытие сфероидов субмикрокристаллнческой структуры поверхности пиролитического изотропного графита, имеющих размер от 1 до 10 мкм,.методом ее термохимического травления в увлажненной восстановительной газовой среде позволяет достичь предельно низкой величины КВЭЭ - 0,3 при Еп = 1000 эВ.
-
Повышение в 2 - 3 раза прочности соединений с металлами и керамикой ПГИ, металлизированного железо-никелевыми пастами, достигается введением в состав пасты 3-5% углерода, обеспечивающего снижение термохимической эрозии поверхности графита при вжигании металлизационного покрытия и последующей пайке в восстановительной среде.
3. Адгезионная прочность сцепления
тонкопленочных металлизационных слоев с подложкой
из ПГИ возрастает в 2-3 раза за счет предварительной
упругой деформации подложки с усилием,
рассчитываемым по формуле:
Р=. 3bd«Mf1-i>) :где 2 L
b - ширина нодложкн,мм; d - толщина подло;ілси,мм; L - длина нодло*л;ки,мм; t - толщина напыляемого слоп.ші; v - коэффициент Пуассона;
о , - напряжении в подложке после напыления без предварительной упругой деформацин,МПа.
4. Циклическое воздействие глубокого холода (температура 78 К) на торцевые папные соединении ПГИ с металлами и керамикой позволяет регулировать величину іі знак остаточных: напряжений в спаях.
11аучпая новизна.
Впервые оценена возможность использования
пнролитнческого изотропного графита в
электровакуумных приборах СВЧ повышенной
мощности. Методом термохимического
"текстурированнн" поверхности ПГИ в увлажненной восстановительной среде получен предельно низкий коэффициент вторичной электронной эмиссии равный 0,3 При энергии первичных электронов 1000 эВ. Исследованы вакуумные свойства ПГИ.
Изучено напряженное состояние паяных узлов на основе ПГИ и предложены способы контроля и регулирования остаточных напряжений.
Практическая ценность работы.
ППІ применен для изготовления 8 типов одно- и
.многоступенчатых коллекторов ЭВП СВЧ
сантиметрового диапазона повышенной мощности. В ЛБВ средней мощности квазшшпульсного режима замена коллектора из сплава МД па графитовый обеспечила снижение амплитудных шумов з рабочем режиме при рекуперации около 0,6 на 6-8 дБ/Гц на уровне 110-120 дБ/Гц из-за уменьшения числа "возвратных" вторичных электронов. Коллекторы на основе ПГИ позволили увеличить КПД приборов на 5-10% и уменьшить вес коллектора. Использование вставок из ПГИ в линиях замедления обеспечило плавность изменения характера затухания, а также дополнительный * теплоотвод в случае рассеяние значительной СВЧ мощности з локальном поглотителе. ПГИ перспективен при изготовлении управляющих к теневых сеток ЭВП СВЧ повышенной мощности.
Апробация работы.
Основные результатьЕ диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI яодотраслевой иучяо-практической конференции молодых специалистов /г.Горький, 1987г./, на межотраслевой научно-технической конференции "Материалы для микроэлектроники к приборостроения" /г.Москва, 1991г./, на XXI! конференции по эмиссионной электронике/г.Москва, 3994г./, на I международной конференции но высокотемпературной капиллярности /г.Братаслапа, 1994г./, а также на тєхколопїчєсесих семинарах в ГНПП "Исток" /г.Фрязшго, 1989,1992г./. Основные результаты н положения дкесертачни
изложены в 6 статьях, 10 научно-технических отчетах и защищены 3 авторскими свидетельствами и 1 патентом Российской Федерации.
Структура и объем работы.
