Введение к работе
Актуальность темы. Развитие радиоэлектроники, автоматики, вычислительной техники, оптоэлектроники, астрономии, медицины, космонавтики, физических исследований и других областей науки и техники требует непрерывного совершенствования электронно-лучевых и фотоэлектронных приборов (ЭЛ и ФП), а также увеличения объема их выпуска. В настоящее время число принципиально отличных классов ЭЛ и ФП достигает нескольких десятков, число разновидностей серийно выпускаемых приборов - несколько сотен. Над совершенствованием ЭЛ и ФП в настоящее время работают ученые и инженеры всего мира. Повышение чувствительности, разрешающей способности, надежности, уменьшение габаритов, веса и стоимости ЭЛ и ФП - важные научно-технические задачи.
Большое число научных работ, в том числе ранние работы автора посвящены вопросам улучшения параметров электронно-лучевых приборов (ЭЛП) с помощью конструктивных решений: поиск конструкций электронных линз и оптимальной длины ЭЛП, обеспечивающих наименьшую сферическую аберрацию и минимальный размер кроссовера; разработка подфокусирующих систем, обеспечивающих значительное увеличение токопрохождения при сохранении разрешающей способности; создание ЭЛП с системами послеускорения. Большинство результатов этих работ были использованы при разработках ЭЛП в ОКБ завода «Экран» (г. Новосибирск), что обеспечило некоторое улучшение параметров, однако процент выхода годных приборов и их стоимость практически не изменились, т.к. последние определяются не только конструктивными особенностями, но и технологическим уровнем производства. В связи с этим дальнейшее внимание автора было направлено на совершенствование технологии производства ЭЛ и ФП.
Высокая стоимость приборов в современном производстве ЭЛ и ФП определяется большим числом дефектов, возникающих при их изготовлении. Вопросам по устранению этих дефектов посвящено большое количество работ. Однако анализ результатов патентного поиска за 15 лет по 6 ведущим странам (Великобритания, СССР, США, Франция, ФРГ и Япония) и литературного обзора, проведенного под руководством автора по 238 литературным источникам, показал, что работы исследователей, в основном, направлены на снижение отдельных видов производственных дефектов и не позволяют в комплексе решить вопрос повышения технологического уровня современного производства ЭЛ и ФП. Технологические дефекты в современном производстве ЭЛ и ФП и по сей день остаются бичом производства. Устранение причин этих дефектов является серьезной научно-технической проблемой. Для решения этой проблемы необходимо провести глубокий анализ современного производства ЭЛ и ФП, исследовать связи между различными дефектами, выявить их общие корни. На базе этого анализа необходимо найти пути воздействия на острые проблемы, попытаться выявить возможности корректировки традиционных процессов, исследовать возможность использования прогрессивных технологий, существующих в смежных областях промышленности, а при необходимости, разработать и внедрить новые.
Таким образом, исследование основных проблем современного производства ЭЛ и ФП, модернизация традиционных технологических процессов в производстве ЭЛ и ФП и разработка новых прогрессивных технологий, пригодных для производства ЭЛ и ФП, обеспечивающих мягкое, регулируемое и избирательное воздействие на приповерхностные слои обрабатываемых узлов приборов с целью повышения технологиче-
ского уровня производства - актуальная проблема, необходимость решения которой диктует современная промышленность.
Цель работы. Целью диссертационной работы является анализ технологических особенностей и проблем современного производства ЭЛ и ФП, выявление, анализ и систематизация основных причин возникновения производственных дефектов и их взаимосвязей, поиск научно обоснованных т-ехнологических решений (направленных на снижение этих дефектов), внедрение которых обеспечило бы повышение технологического уровня, на базе усовершенствования традиционных технологических процессов и создания новых, ранее не использованных в производстве ЭЛ и ФП.
Для достижения указанной цели основное внимание в работе уделено решению следующих задач:
-
Исследование особенностей и проблем современного производства ЭЛ и ФП, выявление основных производственных дефектов, научное обоснование их сущности, анализ причин возникновения каждого из дефектов в отдельности. Установление взаимной связи дефектов, их общих корней и их зависимости от конструктивно-технологических особенностей приборов.
-
Поиск конкретных, научно обоснованных путей воздействия на причины возникновения дефектов регулируемыми и контролируемыми технологическими операциями.
-
Выработка конкретных научно-технических решений по усовершенствованию традиционных технологических процессов с целью решения острых проблем в производстве ЭЛ и ФП.
-
Исследование возможности использования прогрессивных технологий, существующих в смежных областях промышленности^ целью повышения технологического уровня производства ЭЛ и ФП.
5. Поиск и разработка новых технологических процессов, существенно повы
шающих технологический уровень производства ЭЛ и ФП.
Методы исследования. Исследования выполнены с применением современных теоретических и экспериментальных методов, использующих математический анализ, численный расчет и моделирование с помощью ЭВМ, электронную микроскопию, лазерный микроанализ, электронно-спектроскопический анализ химического состава поверхности, а также традиционные производственно-технологические методы анализа в заводских условиях.
Достоверность результатов подтверждается соответствием данных расчета, физического представления и моделирования данным эксперимента; результатами современных объективных методов анализа структуры и состава образцов; а также изменением уровня производственно-технологических дефектов приборов, изготовленных с использованием разработанных процессов и устройств.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Впервые установлено, что нестабильность положения изображения во времени на экране электронно-оптических преобразователей (ЭОП) определяется эффектом накопления заряда на локальных, изолированных друг от друга, участках на внутренней поверхности боковых стенок колбы, возникающих при определенных условиях. Предложена математическая модель, связывающая потенциал указанных участков («островков»), конструктивные парамегры прибора и нестабильность положения изображения во времени. Наличие «островков» подтверждено не только с помощью
> л
предложенной математической модели, но и результатами экспериментальных исследований. Показано, что сформированный заряд на «островках» приводит также к снижению разрешающей способности ЭОП.
-
В результате уточнения представления о динамике фазовых изменений в системе пленка нитроцеллюлозного лака - водная подложка установлено; что получение практически бездефектных органических пленок на основе нитроцеллюлозных лаков методом флотации в технологии люминофорных экранов возможно при снижении времени формирования полимерной пленки на водной подложке до 1 секунды, что подтверждено результатами эксперимента.
-
Установлено, что эффект отслаивания частиц сурьмы в процессе формирования мультищелочного ФК приводит к образованию зародышей кристаллов на проводящем слое ФК и дефектов на люминесцентном экране и внутренней поверхности колбы, что существенно влияет на качество прибора. Предложены и научно обоснованы меры по устранению эффекта отслаивания.
-
Предложена концепция введения в технологию производства ЭЛ и ФП высокочастотных плазмохимических процессов. Научно обоснованы необходимые значения параметров ПХ процессов, определяющихся специфическими конструктивно-технологическими особенностями ЭЛ и ФП. Показана возможность упрощения технологии производства, улучшения ее экологичности, а также снижения основных производственных дефектов приборов: «увод изображения», «разрешающая способность меньше нормы», «сцинтилляция», «серость экранов», «темные точки», «электропробой».
-
Установлено и научно обосновано, что применительно к ЭЛ и ФП в ряде случаев воздействие плазмы приводит к специфическим изменениям параметров обрабатываемых поверхностей конструктивных элементов ЭЛ и ФП: увеличению содержания натрия на поверхности стекла; образованию прочной пленки окиси алюминия с переходом последней из аморфной фазы в у-фазу, химически более стойкую и менее гигроскопичную, на алюминиевом покрытии люминесцентного экрана; незначительной потери яркости люминесцентного экрана.
Практическая значимость и реализация результатов.
-
Впервые проведен комплексный анализ технологии производства ЭЛ и ФП с целью выявления наиболее критичных процессов, приводящих к основным технологическим дефектам. Вскрыты физико-технологические причины основных дефектов, дано научное обоснование их сущности, выявлены общие корни большинства дефектов, определены их взаимосвязи и зависимости от конструктивно - технологических особенностей прибора.
-
Найдены конкретные научно обоснованные пути воздействия на причины возникновения дефектов, выработаны конкретные научно-технические решения по усовершенствованию ряда традиционных технологических процессов производства ЭЛ и ФП. С целью снижения уровня производственных потерь, вызванных основными исследованными дефектами, модернизированы операция контроля качества внутренней поверхности колбы и процесс формирования мультищелочного фотокатода. С целью снижения уровня дефектов люминесцентных экранов модернизированы процессы формирования органической пленки на люминофорном покрытии, формирования алюминиевого покрытия на люминесцентном экране и нсразрушающего контроля толщин металлических покрытий.
f I
-
Исследованы, разработаны, внедрены в производство ЭЛ и ФП (либо доведены до стадии производственного опробования) и защищены патентами РФ плазмохими-ческие процессы, направленные на снижение уровня всех исследованных дефектов; обработка узлов и колб, финишная обработка ЭЛ и ФП; а также ПХ процессы, направленные на снижение дефектов люминесцентных экранов: окисление алюминиевого покрытия люминесцентных экранов, высокочастотное ионно-термическое формирование металлических пленок и процесс выжигания органической пленки, покрытой алюминием.
-
Разработаны, исследованы и внедрены (или доведены до производственного опробования) оригинальные, защищенные патентами РФ устройства, позволяющие реализовать усовершенствованные традиционные технологические процессы и разработанные плазмохимические:
для измерения толщин металлических покрытий в диапазоне 0,01-1 мкм; для реализации процесса ПХ обработки крупногабаритных колб ЭЛ и ФП; для плазменного выжигания оргпленки с экранов крупногабаритных ЭЛ и ФП; для осуществления финишной ПХ обработки крупногабаритных ЭЛ и ФП.
5. Разработанные процессы и устройства внедрены на предприятиях г. Новоси
бирска: заводе «Экран», п/я Р-6964, п/я Г-4294, Новосибирском электровакуумном
заводе; опробованы на массовых партиях и переданы для внедрения на Московский
электроламповый завод (МЭЛЗ); а также переданы для исследований в университет г.
Ульсан (10. Корея). Внедрение разработанных процессов и устройств позволило зна
чительно увеличить выход годных приборов в современном производстве ЭЛ и ФП
(на 2-10 %). Экономический эффект от внедрения разработанных процессов и уст
ройств, подтвержденный актами о внедрении, составил 1 300 000 руб. в год по со
стоянию рубля на 1988 - 1991 гг., что является показателем повышения технологиче
ского уровня производства ЭЛ и ФП.
Личный вклад автора выразился в
постановке задач, теоретической трактовке результатов исследований и анализа, обобщении полученных результатов;
научном руководстве работами, проводимыми в рамках хоздоговорных работ (Новосибирск, Москва); проектов по Государственным программам «Технологии, машины и производства будущего» и «Трансферные технологии, комплексы и оборудование в машиностроении. Мелкосерийная и малотоннажная наукоемкая продукция»; гранта «Фундаментальные исследования в области металлургии»; договора о сотрудничестве с университетом г. Ульсан (Ю. Корея); разработке методик проведения исследований, вариантов конструкций предложенных устройств и эффективных технологических процессов. Апробации работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 11 Международных научно-технических конференциях и симпозиумах, 8 - Всесоюзных, 10-Российских:
на Международных симпозиумах «Наука и технологии», КОРУС (1997, Ульсан, Ю. Корея; 1998, Томск);
на Международных НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 1995, 1996,1997, 1998 гг.);
на Международных НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 1992, 1994, 1996, 1998,2000 гг.);
1 *
на Всесоюзной НТК «Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ» (Новосибирск, 1987 г.);
на Г Всесоюзной НТК «Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков» (Харьков - Алушта, 1988 г.);
на Всесоюзном совещании «Физика, химия и технология люминофоров» (Ставрополь, 1989 г.);
на Всесоюзной НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 1990 г.);
на Республиканском семинаре «Проблемы повышения эффективности и качества электронных приборов» (Киев, 1981 г.);
на Региональной НТК «Электронное приборостроение» (Новосибирск, 1986 г.); на Республиканском семинаре «Повышение эффективности производства ітутем применения электронно-ионной обработки материалов» (Ленинград, 1987 г.); на III Республиканской НТК «Плазменная техника, технология и их применение на предприятиях республики» (Казань, 1988 г.);
на Республиканском НТ совещании «Состояние и перспективы дальнейшего развития плазменных процессов» (Москва, 1992 г.);
на Российских НТК, посвященных дню радио. (Новосибирск, 1993, 1994 гг.); на Российском семинаре по государственной НТ программе «Технологии, машины и производства будущего» (Саратов, 1993 г.);
на Российском семинаре по государственной программе «Трансфертів технологии, комплексы и оборудование в машиностроении» (Саратов, 1994 г.); на Российской межвузовской НТК «Фундаментальные проблемы металлургии» (Екатеринбург, 1995 г.). Публикации по теме диссертации. Предложенные теоретические и технические
решения подробно описаны и представлены автором индивидуально или в соавторстве
в 122 работах:
26 научно-технических отчетах по НИОКР;
10 информационных листках ЦНТИ;
7 статьях в сборниках научных трудов НЭТИ;
24 статьях и 19 тезисах в материалах Международных, Всесоюзных и Российских
конференций, симпозиумов и семинаров;
1 обзоре по электронной технике;
21 публикации в центральных журналах;
2 авторских свидетельствах;
12 патентах Российской Федерации.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертация является результатом выполнения
- научно-исследовательских хоздоговорных работ с крупнейшими предприятиями
России:
Новосибирским заводом «Экран»,
Новосибирским электровакуумным заводом,
п/я Г-4294, п/я Р-6964,
Московским заводом электровакуумных приборов;
- договоров о научно-техническом сотрудничестве:
- с университетом г. Ульсан (Ю. Корея),
- с Сибирским государственным научно-исследовательским институтом метроло-
гии.
Работа проводилась при поддержке
Гранта «Фундаментальные исследования в области металлургии» (1994 - 1995 гг.),
Государственных научно-технических и Межвузовских инновационных программ:
- «Технологии, машины и производства будущего», раздел «Мелкосерийная и
малотоннажная наукоемкая продукция» (1991 - 1995 гг.),
- «Интеллектуальная собственность Высшей школы Российской Федерации»
(1994 г.),
«Неразрушающий контроль и диагностика» (1994 - 1997 гг.),
«Трансферные технологии, комплексы и оборудование» (1996 -1999 гг.). Научные положения и технические решения, выносимые на защиту.
-
Повышение качества ЭЛ и ФП может быть реализовано на основе физико-технологических процессов, устраняющих причины появления нерегулярностей и посторонних включений па поверхности фотокатода.
-
Нестабильность положения изображения во времени на экране ЭОП определяется эффектом накопления заряда на локальных, изолированных друг от друга, участках («островках») на внутренней поверхности боковых стенок колбы со стороны фотокатода, что подтверждено предложенной математической моделью, связывающей потенциал указанных «островков», конструктивные параметры прибора и нестабильность положения изображения во времени, а также результатами экспериментальных исследований.
-
Получение практически бездефектных органических пленок на основе нитро-целлюлозяых лаков методом флотации в технологии люмшюфорных экранов возможно при снижении времени формирования полимерной пленки на водной подложке до 1 секунды, что подтверждено результатами эксперимента.
-
Отслаивание частиц сурьмы в процессе формирования мультищелочного фотокатода приводит к образованию зародышей кристаллов на проводящем слое ФК, дефектов на люминесцентном экране и внутренней поверхности колбы, что существенно влияет на качество прибора. Предварительное оплавление сурьмы и уменьшение скорости .ее распыления снижает уровень дефектов прибора.
-
Конкретные научно-технические решения по модернизации процессов оперативного контроля качества внутренней поверхности колбы прибора, вязкости лака, используемого для формирования органической пленки, и толщины алюминиевого покрытия на люминесцентном экране, а также режимов традиционных процессов формирования мультищелочного фотокатода, органической пленки и алюминиевого покрытия на люминесцентном экране, позволяют снизить уровень основных производственных дефектов, что подтверждено результатами микроскопического и спектрометрического анализов и экспериментальных исследовании.
6. Введение в технологию производства ЭЛ и ФП комплекса высокочастотных
ПХ процессов приводит не только к упрощению технологии, повышению ее эколо-
гичности, но и к существенному снижению уровня технологических дефектов. В ряде
случаев плазменное воздействие приводит к специфическим изменениям параметров
обрабатываемых поверхностей конструктивных элементов ЭЛ и ФП: увеличению со-
держания натрия на поверхности стекла; образованию прочной пленки окиси алюминия с переходом последней из аморфной фазы в у-фазу, химически более стойкую и менее гигроскопичную, на алюминиевом покрытии люминесцентного экрана; незначительной потери яркости люминесцентного экрана, что подтверждено результатами микроскопического и спектрометрического анализов и экспериментальных исследований.
7. Конкретные научно-технические решения по модернизации существующих
плазмохимических (ПХ) процессов для обработки узлов и колб ЭЛ и ФГТ, предложен
ный процесс финишной гшазмохимической обработки приборов способствуют сни
жению уровня основных производственных дефектов.
Предложенные специализированные ПХ процессы: окисление алюминиевого покрытия люминесцентных экранов; высокочастотное ионно-термическое формирование металлических пленок и процесс выжигания органической пленки, покрытой алюминием, способствуют снижению уровня дефектов люминесцентных экранов, что подтверждено результатами экспериментальных исследований и производственной статистики.
8. Оригинальные технические решения по созданию устройств для реализации
модернизированных и предложенных процессов:
для измерения толщин металлических покрытий в диапазоне 0,01-1 мкм;
для реализации процесса ПХ обработки крупногабаритных колб ЭЛ и ФП;
для плазменного выжигания оргпленки с экранов крупногабаритных ЭЛ и ФП;
для осуществления финишной ПХ обработки крупногабаритных ЭЛ и ФП, способствуют повышению технологического уровня производства ЭЛ и ФП.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных литературных источников из 264 наименований. Общий объем работы 336 страниц, включая 160 иллюстраций и 28 таблиц. Приложение к диссертации (84 стр.) содержит копии документов, подтверждающих внедрение разработанных процессов, аттестацию оборудования, испытание приборов и др.
