3469 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

1. Цели и задачи работы

 

Целью курсового проектирования является развитие навыков самостоятельной работы студентов, закрепление и углубление знаний, полученных ими на лекциях. Закрепление этих знаний, знакомство студентов со структурой предприятий, с современными технологическими процессами, с используемыми при производстве приборами промышленной электроники осуществляется на производственной практике, при прохождении которой студенты выполняют курсовую работу. В процессе производственной практики студенты изучают производство приборов, осваивают основы оформления технической и технологической документации на приборы.

При курсовом проектировании студенты должны использовать, кроме материалов лекций, рекомендуемую литературу, список которой приведен в конце методических указаний. Это будет способствовать дальнейшему развитию у студентов навыков работы с научно-технической литературой, включая справочники, стандарты и другие нормативные документы.

Итогом курсового проектирования является курсовая работа. Она состоит из графической части и пояснительной записки.

Пояснительная записка к курсовой работе должна содержать: титульный лист, основную часть работы, библиографический список.

Для курсовых работ могут быть предложены темы, связанные с рассмотрением отдельных технологических процессов, анализом брака при выполнении технологических процессов, с различными видами конструкторских работ, с освоением методики измерения параметров различными типами приборов.

В данных методических указаниях рассматриваются некоторые технологические приемы при производстве электровакуумных приборов (ЭВП) и газоразрядных приборов (ГРП).

 

2. Основные технологические требования и особенности электровакуумного производства

 

Современные ЭВП и ГРП состоят из большого числа конструктивных элементов, которые называются узлами и деталями. Узлом   называется   кон­структивный  элемент  прибора,  состоящий  из соединенных между собой двух или более деталей, оформленный сборочным чертежом (например, сеточный, анодный, катодный узлы). Каждый прибор имеет катод (прямого накала, оксидный – косвенного накала, холодный), анод, оболочку (керамическую, металлостеклянную, стеклянную), выводы электродов, крепежные детали. Помимо этого большинство приборов снабжены управляющими электродами (в виде сеток, штырей и др. конструкций), газопоглотителями (распыляющимися и нераспыляющимися). ГРП наполняются инертными газами, неинертными, воздухом, парами металлов. Газы являются рабочей средой, в которой осуществляется коммутация тока. Большинство приборов имеют защитные покрытия и маркировку.

Требования, предъявляемые к приборам, узлам и деталям, могут быть разделены на две группы.

  1. Эксплуатационные требования, обеспечивающие  получение прибора заданной степени эффективности в процессе использования его в аппаратуре.
  2. Технологические требования, обеспечивающие изготовление прибора с минимальными материальными затратами и минимальной трудоемкостью.

К основным эксплуатационным требованиям относятся:

1)       конструктивные и механические требования;

2)       электрические требования;

3)       долговечность и надежность;

4)       климатические требования;

5)       особые требования (расход воды, наличие радиации, рабочее положение и др.).

Основные технологические требования:

1)       простота конструкции, чтобы его производство могло быть механизировано;

2)       дешевизна и недефицитность материалов деталей;

3)       допуски на размеры должны быть строго обоснованы;

4)       конструкция прибора должна предусматривать возможность регенерации;

5)       унификация.

3. Основные технологические документы

 

Характерней особенностью электровакуумного производства являет­ся применение специально разработанных процессов, осуществляемых в высоком вакууме или в защитной среде (водород, инертный газ) с соблюдением вакуумной гигиены.

Применяемые в производстве материалы насчитывают в своем соста­ве до 90 % элементов таблицы Менделеева, поэтому используется огромное количество различных технологий для изготовления и обработки де­талей из этих материалов. В особых условиях выполняются специфические операции: откачка, активирование катода, обезгаживание, тренировка и т.д.

В технологии производства ЭВП используются методы электроискровой обработки, ультразвуковой обработки и д.р. Широко используются диффузионная, ультразвуковая, электронная лучом лазера, аргонодуговая сварка, электроконтактная пайка и др. Используются операции: напыление и отжиг в вакууме, отжиг в водороде и множество других специфических только для электровакуумного производства технологических операций.

Технологическим процессом производства называется ряд последова­тельно выполняемых операций, необходимых для изготовления, обработки и контроля изделий. Технологический процесс осуществляется последовательно в несколько этапов:

1)       изготовление и обработка деталей в заготовительных цехах;

2)       сборка (монтаж.) прибора;

3)       откачка приборов;

4)       цоколевка;

5)       тренировка и испытание по сдаточным нормам;

6)       упаковка.

Основными технологическими документами в производстве являются карты: маршрутные карты (МК), маршрутно-контрольные карты (МКК), тех­нологические карты (ТК) и контрольные карты (КК). Все это с конструк­торской документацией является полным комплектом документации (КТД).

Конструкторская документация включает в себя габаритный чертеж, сборочный чертеж, чертежи деталей с указанием материала, чертежи тары, упаковочную ведомость, в которой указывается тип изделия, технические условия (ТУ), дата изготовления, штамп ОТК. Маршрутная карта (МК) фиксиру­ет перечень и последовательность операций для изготовления и обработки деталей, узлов и в целом всего прибора с измерением эле­ктрических параметров и приемкой ОТК. В МК указываются также цех-изготовитель и номер документа, по которому выполняется данная операция, ТК, оборудование и материалы.

ТК содержат данные по оборудованию, инструменту, материалам или обрабатываемым деталям и заготовкам, режимам и технические требования к изделиям и детализируют выполнение операций по переходам и приемам.

КК представляют собой документ с указанием контролирующих объектов, средств контроля, дефектов, по которым осуществляется забракование, объем контроля (100 % или выборочный). Технические условия содержат следующие разделы.

1. Технические требования, требования к параметрам и режимам эксплуатации.

2. Требования по надежности и сохраняемости.

З. Требования по устойчивости к внешним воздействиям (к климатическим воздействиям, повышенной и пониженной температуре, атмосферному давлению, относительной влажности, инею и росе, плесневым грибам).

4. Требования к механическим воздействиям (удары, вибрации, линейные ускорения).

Механические воздействия характеризуются перегрузкой, которая кратна ускорению силы тяжести.  Вибрация характеризуется ампли­тудой и частотой, а удары – длительностью и амплитудой. Вибрации также харак­теризуются вибропрочностью (способностью противостоять разрушающему воздействию вибраций) и виброустойчивостью (способностью изделия выполнять свои функции при вибрации). Вибропрочность является продолже­нием испытаний на виброустойчивость.

5. Требования по безопасности (высокое давление, изотопы и др.).

6. Требования к конструкции (запасы по параметрам, габариты, вес).

7. Правила приемки. Приемка осуществляется после проведения испы­таний. Виды испытаний: приемосдаточные, периодические, на безотказность, на сохраняемость, типовые.

8. Методы контроля.

9. Указания по эксплуатации.

 

  1. 4. Методы обработки и очистки деталей

4.1. Методы обработки деталей

 

Для изготовления деталей широко применяются методы формообразования, такие как: холодная штамповка обработка металла резанием, электроискровая, ультразвуковая, фотолитография, давление и др.

Получение требуемых размеров осуществляется способами черновой и чистовой обработки, к которым относятся:

1)       обтачивание и шлифовка наружных и внутренних поверхностей;

2)       сверление, растачивание, фрезерование и строгание поверхностей,  выступов, пазов.

Рассмотрим более подробно электроискровую и ультразвуковую обработку.

При электроискровой обработке используется явление электрической эрозии. Используется кратковременный искровой разряд. Под дейст­вием взрывной волны расплавленный металл выбрасывается в пространство между электродами. Наибольшее количестве металла выбрасывается с анода. Анод – обрабатываемая деталь, катод – инструмент. Рабочая среда – спирт, керосин. Изготовление деталей может идти с применением непрофилированного электрода в виде вольфрамовой проволоки. Профилированным ин­струментом изготовляются, например, сетки клистронов, блоки магнетронов и другие детали, требующие повышенной точности.

Наличие ультразвуковых колебаний в упругой среде при своем рас­пространении создают попеременное растяжение и сжатие материальных частиц. При распространении колебаний в жидкой среде в период растя­жения происходит возникновение полостей (пузырьков), а в последующий полупериод–сжатие. Это явление называется “кавитацией” и сопровожда­ется гидравлическими ударами, создающими в окружающей среде давление большой разрушительной силы (до нескольких тысяч атмосфер). Оно лежит в ос­нове ультразвукового способа.

Для возбуждения ультразвуковых колебаний применяют два способа: магнитострикционный и пьезоэлектрический.

При металлострикционном способе заготовка детали с нанесенным на нее порошком абразива, смоченным водой или маслом, закрепляется на столе станка. Электрические колебания через инструмент передаются частицами абразива, которые и ударяются о поверхность обрабатываемой детали.

 

Виды загрязнений

 

Все электроды, оболочки и вспомогательные детали приборов в процессе получения, обработка и хранение находятся в контакте с атмосферным воздухом. При данном контакте происходит два процесса: поглощение (сорбция) и обратное выделение газа (десорбция). В зависимости от условий (температура, давление) один процесс может преобладать над другим до тех пор, пока не наступит равновесие между количеством газа, поглощаемым и выделяемым деталями прибора. Известно, например, из опыта, что когда в приборы попадают загрязненные детали, давление ниже 10-4…10-5 мм рт.ст. получить не удастся, как бы долго их не откачивали.

Сорбционные процессы включают в себя процессы адсорбции – поверхностного поглощения и абсорбции – объемного поглощения.

Адсорбция, т.е. повышенная концентрация газа на поверхности твердого тела, происходит из-за неуравновешенных сил атомов, образующих поверхность тела. В отличие от уравновешенных сил атомов, расположенных внутри тела, поверхностные атомы имеют ненасыщенные связи, направленные внутрь твердого тела перпендикулярно к его поверхности. Эти неуравновешенные силы и обуславливают возникновение сил притяжения. Атомы и молекулы газа после соударения  с поверхностью некоторое время остаются на ней, что приводит к насыщению неуравновешенных сил поверхностных атомов.

Известны три эффекта, объясняющие притяжение: ориентационный эффект, индукционный эффект и дисперсионный эффект.

Ориентационный эффект возникает при взаимодействии молекул, обладающих постоянным дипольным моментом. В зависимости от расположения диполей между ними могут возникать силы как притяжения, так и отталкивания. Каждая молекула – диполь совершает вращательное движение и взаимодействует с другими диполями, стремясь ориентировать их параллельно один другому и сблизить концы противоположных знаков. Преобладание такой ориентации приводит к появлению результирующих сил притяжения.

Индукционный эффект представляет собой энергию взаимодействия заряженного конца диполя с индуцированным диполем, наведенным в симметричной молекуле.

Дисперсионный эффект обуславливается тем, что любой симметричный атом обладает мгновенным дипольным моментом из-за мгновенной несимметричности его электронов в пространстве. Осциллирующий диполь любого атома создает переменное электрическое поле, которое вызывает смещение зарядов соседних  атомов. Индуцированный диполь имеет ту же фазу, что и задающий осциллирующий диполь, поэтому возникают результирующие силы притяжения.

Силы, вызывающие адсорбцию газов, объясняются в основном дисперсионным эффектом. Только для некоторых молекул (например, H2O, NH3), обладающих очень большим дипольным моментом, энергия ориентационного и индукционного эффекта соизмерима с энергией дисперсионного эффекта.

Частицы, адсорбированные на поверхности металла, в результате теплового движения совершают колебания в направлении X, перпендикулярном к поверхности, в потенциальной яме около равновесного положения r0 (рис.1). Потенциальная яма образуется вследствие того, что при x>r0 между адсорбированной частицей и поверхностью металла действуют силы притяжения, а при x<r0 – быстро нарастающие силы отталкивания электронных оболочек адсорбированных частиц и поверхностных атомов металла. Положение равновесия r0 соответствует минимуму на потенциальной кривой. Время жизни молекулы в адсорбированном состоянии зависит от ее кинетической энергии тепловых колебаний. Когда эта энергия превышает потенциальную энергию адсорбированной связи, то молекула может десорбироваться. Это может протекать при любых температурах. Однако энергия адсорбированных молекул существенно превышает среднюю кинетическую  энергию. Следовательно, эффективность “самоочистки” поверхности для сорбционно-активных веществ весьма мала.

При малых давлениях не все ионы металла заняты молекулами газа. Поэтому с увеличением давления увеличивается адсорбция (рис. 2). В диапазоне давлений P2–P1 адсорбированный слой одномолекулярный. С увеличением давления выше P2 на первый слой накладываются другие слои адсорбированного газа.

Наряду с физикой адсорбции, при которой частица адсорбируемого вещества сохраняет свои свойства, имеет место химическая адсорбция (хемосорбция), характеризующаяся образованием химического соединения адсорбируемого вещества. Предполагается, что хемосорбции на данном участке поверхности предшествует физическая адсорбция вещества. Адсорбционные системы при физической и химической адсорбции имеют различную природу и отличаются на один – два порядка. Химическая адсорбция обуславливается действием сил химических связей (валентных сил). В этом случае молекула отдает или получает от поверхности электроны, расщепляется на радикалы, которые связываются с поверхностью отдельно.

В адсорбции газа можно выделить два вида: образование твердого раствора и химическую реакцию между твердым телом и соприкасающимся с ним газом с образованием нового химического соединения. При образовании твердого раствора молекулы газа проникают в кристаллическую решетку твердого тела и там могут дислоцироваться. Удалить газ, адсорбированный твердым телом, можно лишь его нагревом до высокой температуры при низком давлении.

Помимо состояния поверхности, температуры и давления, отметим следующие факторы, способствующие поглощению газов твердым телом:

  1. Испарение твердого тела в вакууме и его осаждение на стенках.
  2. Ионизация газа и пребывание его в диссоциированном состоянии.

Твердое вещество в парообразном состоянии является активным поглотителем. Ионизация газа приводит его к более активному состоянию. В ионизированном состоянии газ вступает в химические соединения, которые не могут образовываться в неионизированном газе.

К загрязнениям деталей приборов относят также пыль, металлическую стружку, заусенцы. Свободные частицы недопустимы в приборах с малым расстоянием между электродами. Перемещающиеся свободные частицы обладают “абразивным” действием: в результате трения о детали прибора они снимают с них адсорбированный газ. Мелкая пыль обладает очень высокой сорбционной емкостью для газов, что обусловлено большой ее удельной поверхностью. Поэтому в приборе газовыделение пыли может быть значительным (главным образом, пары воды).

Неблагоприятное воздействие на электровакуумные приборы оказывают хлор, сера и их соединения, а также углеводородные загрязнения. Источниками последних чаще всего бывают смазочные материалы, сборочные приспособления, оправки, инструменты. Кроме того, детали могут быть загрязнены парами различных органических веществ из воздуха.

Для создания высоконадежных и долговечных приборов перед сборкой необходима тщательная очистка деталей.

 


4.3. Очистка и термическая обработка деталей

 

Очистка деталей – важнейший технологический процесс. Она достигается следующими способами:

1)       обезжиривание в различных растворах;

2)       промывка в воде для удаления водорастворимых солей механических загрязнений;

3)       химическое и электрохимическое травление, которое приводит к снятию тонкого слоя металла;

4)       химическое и электрохимическое полирование для снятия микровыступов на поверхности деталей;

5)       ультразвуковая очистка.

Термическая обработка деталей осуществляется с применением обжига в водороде и вакууме. Основой отжига являются диффузия газов из металла при нагреве деталей до высоких температур и восстановление окислов в водороде.

 

4.3.1. Физические основы химической очистки деталей

 

Все методы химической очистки можно разделить на две группы.

  1. Методы, основанные на применении нейтральных растворителей, которые не разрушают молекулы загрязнений, а благодаря сорбционной активности вытесняют их с поверхности в раствор.
  2. Методы, основанные на применении химически активных веществ (кислоты, щелочи), которые разрушают молекулы загрязнений.

В качестве растворителей используют трихлорэтилен, керосин. Молекулы любого растворителя не могут прицепиться к молекуле загрязнения и удалить ее с поверхности. Возможно лишь их соударение и удаление молекул загрязнения в случае, когда кинетическая энергия достаточна для преодоления сил сцепления. Однако эффективность очистки с помощью растворителей высока за счет следующего физического фактора. При малых расстояниях между частицами имеет место закономерность, когда возникновение новой связи между какими-либо системами частиц сопровождается ослаблением связей между частицами в уже существующей системе. Благодаря этой закономерности при приближении молекулы растворителя к адсорбированной молекуле загрязнения энергия связи последней уменьшается на величину ΔU0=U1–U2 (рис. 3). В результате этого уменьшается время жизни молекулы загрязнения. Связь молекулы загрязнения с поверхностью уменьшается тем сильнее, чем плотнее к ней подходит молекула растворителя. Наименьшее расстояние имеет место тогда, когда молекулы растворителя сами адсорбируются на загрязненных поверхностях.

Травление кислотами. Физический механизм основан на разрушении молекул загрязнений и отделении их от поверхности вместе со слоем металла.

Травление щелочами. Физически механизм очистки основан на взаимодействии щелочей с жирами и маслами органического и растительного происхождения. Образу­ются мыла и эмульсии, растворимые в воде.

4.3.2. Электролитическая очистка

 

Применяется для быстрого удаления загрязнений. В качестве элект­ролитов используются водные растворы кислот и щелочей. При пропуска­нии тока происходит разложение воды с выделением Н2 и О2. Очистка обу­словлена эрозионными действиями газовых пузырьков, выделяемых на очи­щаемых поверхностях. Очищаемая деталь может быть как анодом так и ка­тодом. Электролит еще должен обладать моющими средствами.

 

4.3.3. Ультразвуковая очистка

Применяется для очистки деталей сложной конструкции. Влияние ультразвуковых колебаний обусловлено двумя причинами.

1. Под действием ультразвуковых колебаний как уже указывалось, в микрообъемах жидкости образуются так называемые кавитационные пузырьки. Под действием молекулярных сил пузырьки захлопываются, создавая сильные гидравлические удары. При этом загрязнения постепенно разрушаются.

2. При кавитации даже нейтральная жидкость – вода превращается в химически активную среду. Стенки кавитационных пузырьков заряжаются разноименными зарядами. При разрядах в пузырьках происходит диссоци­ация воды, образуются радикалы воды (ОН), перекись водорода (Н2О2). Такая вода оказывает окислительные действия на загрязнения. Моющими жид­костями могут быть вода, трихлорэтилен, кислоты, щелочи.

 

 

4.3.4. Термическая очистка

Отжиг. При обработке металлов изменяются объемные и поверхностные свойства металла: увеличиваются его твердость и предел прочности, уменьшается его относительное удлинение, увеличивается удельное электрическое сопротивление, уменьшается работа выхода электронов, снижается химическая стойкость металлов и т.д. Металлы становятся жесткими и хрупкими.

Отжиг по его назначению подразделяют на три основные группы:

1)       отжиг для восстановления механических свойств;

2)       отжиг для формовки деталей;

3)       отжиг для устранения неоднородности химических свойств поверхности детали.

Так свойства поликристаллических металлов изотропны, т.е. одинаковы во всех направлениях. После деформации многие свойства металла анизотропны. Если при холодной листовой штамповке использовать неотожженные после проката листы металла, то анизотропность свойств приводит к утончению стенок.

Деформация металла снижает его химическую стойкость. Так коррозия металлических деталей начинается с участков, в которых металл наиболее деформирован. Отожженные детали медленнее окисляются на  воздухе, чем неотожженные. Возрастает скорость растворения металлов в химических реактивах с увеличением степени деформации, т.е. с увеличением внутренних напряжений в металле. Отжиг металла имеет значение не только для химического травления, но и для гальванического покрытия, т.к. при деформации поверхность металла становится химически неоднородной. Это при толщине пленок менее 10 мкм приводит к нарушению сплошности покрытия. Отжиг устраняет химическую неоднородность поверхностного слоя: гальванические покрытия осаждаются сплошным слоем.

Причина нарушения свойств металлов заключается в увеличении количества дислокаций. В поликристаллическом металле их количество составляет 107…108 1/см3. После деформации количество дислокаций возрастает в 103…105 раз.

Механизм отжига заключается в том, что с повышением температуры увеличивается тепловая кинетическая энергия атомов металла, и когда эта энергия возрастает до  определенной величины, то атомы, искажающие кристаллическую решетку, сдвигаются  со своих мест и искаженная дислокациями решетка преобразуется в правильную симметричную решетку. Устранение дислокаций, созданное деформацией, устраняет изменение всех свойств металла, вызванных деформацией.

За критерий отжига чаще всего принимают предел прочности, размер зерна или удельное сопротивление, которые меняются при деформации и восстанавливаются при отжиге.

Детали отжигают в печи, нагретой до определенной температуры. Время отжига выбирают из следующих соображений. При отжиге деталей задается время их выдержки в зоне нагрева печи отжига. За это время происходит как их нагрев, так и отжиг. Если время нагрева какой-либо детали увеличивается на Δt, то время ее отжига автоматически уменьшается на Δt, так как сумма этих времен, равная времени выдержки, остается неизменной. Приблизительно время отжига деталей определяют следующим образом:

1)       расчетом определяется t0 – время в секундах, которое потребуется для нагрева детали от 0 до Tотж K;

2)       время отжига принимается равным 10 t0, расчет t0 производится по формуле

,

где Tотж – температура отжига; e – коэффициент излучения; s – постоянная Больцмана (s=5,67×10-12 Вт/(см2×К4)); С – удельная теплоемкость металла, Дж/(г×К); r – удельный вес (г/см3); d – толщина деталей.

Температура отжига принимается, как правило, 0,5 Tпл (Tпл – температура плавления).

Рассмотренные положения по отжигу деталей относятся как к отжигу в вакууме, так и к отжигам в газовых средах.

Термическая очистка преследует две цели: удаление газов, раство­ренных в объеме металла, восстановление окислов на поверхности метал­лов. В металлах всегда присутствуют растворенные газы и при неизменных внешних условиях наступает равновесие с окружающей средой. При пере­мещении металла из атмосферы в вакуум наступает новое равновесие пос­ле того, как газ выйдет из металла. Быстрота удаления газов зависит от температуры и давления. Количество поглощенного газа металлом зависит от давления; оно пропорционально . Если металлы, насыщенные Н2 при водородном отжиге, поместить в вакуумную печь обезгаживания, то кон­центрация Н2 в них уменьшится в  (P1 – давление Н2 в печах при водородном отжиге, Р2 – давление водорода в вакуумной печи). Пример: если    Р2=10-7 мм рт.ст., Р1=760 мм рт.ст., то концентрация газа в дета­лях после обезгаживания снизится в 90000 раз. Отсю­да следует, что при обезгаживании деталей в вакууме давление остаточных газов над ними должно быть как можно ниже.


Металлы.
В состав металлов, газы попадают вследствие растворения или химических реакции, происходящих при плавке и хранении. В плавильных печах поглощаются H2, CO, CO2, N2, O2. Металлические детали обезгаживаются в два приема – до сборки и при откачке. Предварительное обезгаживание проводится в вакууме или водороде. В вакууме  обезгаживание проводят в печах калпакового типа с индуктором ВЧ. Широко распространено обезгаживание в водороде. В процессе отжига происходит быст­рое замещение освобождающих газов водородом. В процессе откачки водород легко удаляется. Основное достоинство обезгаживания в водороде – практически полное удаление всех окислов. Окончательное обезгаживание дета­лей происходит на откачке. Используются три основных метода обезгаживания: пропуска­ние тока через деталь, нагрев током ВЧ, электронная бомбардировка – эффективный и окончательный метод. В газоразрядных приборах использу­ется метод, основанный на обезгаживании ионной бомбардировкой. При обезгаживании ионной бомбардировкой вакуумных приборов их наполняют инертными газами при давлении 10-20 мм рт.ст. Инертные газы не адсорбируются деталями.

Процесс выделения газов из толщи металла определяется растворимостью, проницаемостью и диффузией. Растворимость – это удельное содер­жание того или другого газа в металле. При этом газ распространяет­ся из мест с большей концентрацией в сторону с меньшей концентрацией (диффузия). Растворимость определяется объемом газа, растворившегося до насыщения в определенном объеме твердого тела. В неметаллах молекулы газа

не диссоциируют на атомы и растворимость пропорциональна   давлению.

Стекло. Основным продуктом газовыделения из стекла являются пары воды. Кроме этого, стекло содержит H2, CO, CO2, N2, O2. Кривая газоотделения демонстрирует поверхност-ное и глубинное газоотделение (рис. 4). До температуры t1 имеет место поверхностное газоотделение. Понижение газоотделения при t>t1, объясняется постепенным истощением адсорбированных газов. Дальнейший рост газоотделения при  t>tмин происходит в результате выделения газа из толщи стекла.

 

 

5. Основные детали электровакуумных приборов

 

Конструктивное оформление приборов (вакуумных ЭВП или газоразрядных ГРП), конструкция электродов и материалов для их изготовления выбираются в зависимости от условий их эксплуатации, рассеваемой на электродах мощности, рабочего напряжения между электродами, рабочей частоты. Основные узлы: катод, анод, сетка могут быть цилиндрической или плоской формы. Сетка выполненная в виде проволочной спирали и диска, помещается между катодом и анодом. Электроды заключаются в стеклянный, металлостеклянный или металлокерамический баллон. В баллоне создается вакуум (давление порядка 10-5–10-6 мм рт.ст.) или он наполняется определенным составом газа, с заданным давлением.

Катоды в ЭВП и ГРП являются источником электронов. Самое большое распространение получил оксидный катод благодаря следующим преимуществам: большая удельная эмиссия 104 а/см2, высокая эффективность: в ЭВТ 20 мА/Вт, а в ГРП – 150 мА/Вт.

На рис. 5 представлена конструкция катода : 1 – керн; 2 – оксидное покрытие катода; 3 – промежуточный слой; 4 – подогреватель. Керном может быть Mo, Ta, Ni, W. В качестве оксидного покрытия используют составы, изготовленные на двойных (BaCO2+S2CO2) или тройных (BaCO2+S2CO2+СaCO2) карбонатах и растворителях – биндерах (амилацитат 70 % + диэтлаксолат 28 % + коллоксилин 2 %). Промежуточный слой – это продукт химических реакций   между   окисью   бария   и   вводимым   в  крен металлическими   присадками.   При   формировании   катода карбонаты разлагаются на их окислы. Атомы бария, распределяясь в толщине оксида и на его поверхности, превращают оксид в полупроводник с электронной проводимостью.

Технология изготовления заключается в следующем. После изготов­ления керна идет его очистка в трихлорэтилене, затем термическая об­работка в водороде и вакууме для снятия окислов. Оксидное покрытие наносится с помощью пульверизатора и катафореза. Толщина покрытия 50–100 мкм. Активирование оксидного като­да заключается в нарушении изолирующих свойств окислов щелочноземельных металлов и превращении их в полупроводник. Это достигается прокаливанием катода в процессе откачки. Нагрев катода осуществляется подогревателем. Они изготавливаются из тугоплавких материалов. Этапы технологии сле­дующие: изготовление керна, придание отожженной проволоке необходимой формы, электрохимическая очистка в растворе едкого натрия, формовка кернов (отжиг при 1200°С, нанесение покрытия, заключительная часть – высокотемпературный обжиг в атмосфере увлажненного водорода, при этом происходит спекание покрытия с керном).

Конструкции анодов очень разнообразны: материалы Мо, Та, Тi, графит, Сu, Ni, Fe, Al. Аноды изготовляются с естественным и искусственным охлаждением. С целью увеличения излучателной способности анодов используются следующие технологические приемы: химическое матирование, пескоструйка, чернение. При этом повышается излучательная способность.

Сетки в ЭВП с оксидным катодом представляют собой молибденовые спирали, которые закрепляются на траверсах. Для снижения термотоков с сеток их поверхности золотят, платинируют или цирконируют. Цирконий, нанесенный на сетку, во-первых, увеличивает коэффициент излучения поверхности сетки, во-вторых, служит газопоглотителем. В лампах с танталовыми сетками поглотителем служит  тантал, поглотительные свойства которого хорошо проявляются при температурах от 700 до 1200°С. Сетки в ГРП изготавливаются в основном из меди.

Для уменьшения влияния газовыделения катода и других электродов, которые подвергаются разогреву в  процессе работы, в приборы вводят специальные газопоглотители.

Существуют два типа газопоглотителей: распыляющийся и нераспыляющийся. Поглощение газов основано на физических процессах адсорбции – поверхностном поглощении и абсорбции – объемном поглощении. Абсорбированные молекулы диффундируют внутрь вещества по поверхности граней кристаллов. Растворение газов в твердых телах происходит в тех случаях, когда молекулы газа могут проникать в кристаллическую решетку вещества. При этом образуются твердые  растворы, изменяется строение кристаллов.

Широкое распространение получили газопоглотители на основе бария или титана. Процесс изготовления газопоглотителей на основе бария сводится к следующему. В начале получают чистый барий в вакуумных печах при 1100–1200°С по реакции 3ВaO+2Al®3Ba+ Al2O3. Для защиты бария от окисления изготавливают сплавы Ba+Al (альба). Сплавление происходит при 900°С.

Для придания деталям определенных физических свойств, обеспечивающих работоспособность приборов, широкое применение находят различные покрытия.

Примеры: изоляция подогревателей достигается алундовым покрытием, сетки покрываются материалом, снижающим их термоэмиссию, оксидные катоды покрываются слоем тройных карбонатов из щелочноземельных металлов, антикоррозийные покрытия и др.

Нанесение покрытий проводят следующими методами:

1) Пульверизация;

2) Электрофорез;

3) Электролиз.

Электрофорез представляет собой процесс перемещения в электри­ческом поле заряженных частиц величиной 0,1-20 мкм. Катофорез-частицы заряжены положительнее и перемещаются к катоду, осаждаясь на нем в ви­де слоя определенной величины. Анафорез – обратный процесс. Источником ионов могут быть как сами осаждаемые вещества, так и специальные электролиты, ионы которых адсорбируются поверхностями частиц.

Электролиз – гальванический способ покрытия. Электролит содержит ионы осаждаемого металла. Анодом служит материал, которым покрывают детали. Аноды растворяются при электролизе и поддерживают на постоянном уровне количество ионов осаждаемых металлов.

К гальваническим покрытиям относятся процессы никелирования, меднения, серебрения, золочения, хромирования.

При вакуумном распылении распыляемый материал в виде проволоки разогревается до температуры плавления и осаждается на деталях.

 

6. Сборка узлов приборов

 

Монтажом называется технологический процесс соединения электродов и других деталей и узлов между собой и закрепление их в соответ­ствии с конструкторскими чертежами. Процесс монтажа описывается в технологической карте на данный тип прибора. Технологическая карта содержит разделы, в которых указаны оборудование, инстру­мент, материалы, детали, меры по ТБ и порядок сборки – техпроцесс.

Сборка узлов приборов осуществляется путем электрической контактной сварки (точечной сварки). Существуют и другие способы. К ним относятся дуговая и газовая сварка, аргонодуговая, атомноводородная, сварка электронным пучком в вакууме, диффузионная сварка в вакууме, ультразвуковая, холодная пластическая, лазерная сварка, а также всевозможные виды паек.

Дуговая сварка. Процесс сварки основан на расплавлении металла при прямом или косвенном действии дугового разряда. При прямом действии дуги металл свариваемых деталей является одним из электродов, при косвенном – на­грев осуществляется за счет теплопроводности от газов столба дуги и теплоизлучения. Дуга горит в металле. Температура в столбе дуги до­стигает 6000°С.

Аргонодуговая сварка. При такой сварке не происходит окисления свариваемых деталей. В качестве катода используется торированный вольфрам. Толщина кромки свариваемых деталей        0,2–2,0 мм. Существует два способа сварки: в ка­мерах, наполненных аргоном, и на воздухе с обдувом кромки деталей аргоном. Сварка на воздухе более производительна, так как не требуется предварительной откачки камеры. При сварке кромки деталей должны на­ходиться на одном уровне, а зазор не превышал 0,1 мм. Длина дуги должна быть в пределах 0,5–0,8 мм. Ток в дуге до 200 А.

Атомноводородная сварка. В процессе этой сварки молекулярный водород под действием высокой температуры дуги разлагается на атомы с поглощением энергии по схеме H2®H+H+Qg. Соприкасаясь с холодными свариваемыми де­талями, атомарный водород превращается в молекулярный с выделением затрачиваемого на разложение тепла, используемого для сварки. При этом достигается температура  3700° C. В атмосфере водорода сварива­ются главным образом вольфрам и молибден.

Газовая сварка. Используется в основном для изготовления выводов генераторных ламп происходит соединение жестких и гибких частей выводов при этом пламя водородно-кислородное 1400–1500° С.

Сварка электронным лучом в вакууме. Получение соединений с помощью электронного луча состоит в том, что кромки свариваемых деталей нагреваются сфокусированным в вакууме потоком электронов. Качество сварки высокое. Свариваются все металлы, включая тугоплавкие. Вакуум должен быть не хуже 10-4 мм рт.ст. Диаметр электронного пучка 0,18–2,0 мм.

Диффузионная сварка в вакууме. Процесс основан на взаимной диффузии соединяемых металлов с образованием сплавов. Свариваемые детали нагреваются до температуры несколько ниже температуры их плавления. Давление на свариваемые де­тали до         1,5 кг/мм. Для каждой пары металлов подбирается свой режим.

Ультразвуковая сварка. С помощью ультразвуковых колебаний могут быть получены без наг­рева от посторонних источников вакуумно-плотные соединения разнородных металлов IXI8H9T, Cu, Ni, Al, W, Mo, Ta, Ti и др.

При одновременном воздействии ультразвуковых колебаний и при неболь­ших усилиях сжатия происходит разрушение окисных пленок и взаимное проникновение атомов одного металла в кристаллическую решетку другого с образованием прочных сплавов. Возникающие при этом напряжения сдвига приводят материалы в пластическое состояние, чему способствует повышение температуры до 300-500° С.


Холодная пластическая сварка
. При холодной сварке процесе соединение деталей осуществляется в результате пластических деформаций, возникающих под давлением выше предела текучести обрабатываемых материалов. Сварка ведется на мощных прессах, применяется при отпае медных штенгелей приборов.

Лазерная сварка. Сварка основана на явлении нагрева до температуры свариваемых де­талей под действием светового излучения. Импульс светового излучения большей интенсивности вырабатывается лазером в виде параллельного пуч­ка лучей.

Пайка. Возможность пайки основана на способности металлов смачиваться растворенным припоем и диффузии припоя в основной металл и основного металла в припой, образовывая сплав в виде твердых растворов.

Применяются следующие припои: медный – температура плавления 1083°С, серебрянный ПСр-100 – температура плавления 960°С, медносеребряный ПСР72 (760°С), индиевый ИН-5 (770°С), золотомедный ЗлМ94 (960°С).

В зависимости от способов нагрева и защитной среды применяются следующие виды пайки.

1. Пайка в водородных печах.

2. Пайка токами высокой частоты в водороде и вакууме.

3. Пайка сопротивлением в водороде.

4. Электроконтактная пайка.

Пайка в водородных печах. Печи, как правило, двухколпаковые, подключаются к установкам очистки водорода. Нагреватели выполняются из вольфрама или молибдена. Пайка ведется в оправках. Водород является защитной средой.

Пайка токами высокой частоты. Нагрев идет в электромагнитном поле ВЧ с помощью индуктора. За­щитной средой является водород или вакуум. Используются кварцевые колпаки, которые откачиваются до давления 10-2–10-3 мм рт.ст.

Спаи керамики с металлом

Процесс получения металлокерамических узлов состоит из двух операций: металлизации керамики и пайки металлизированной керамики с металлом. Наиболее распространенной керамикой является алюмооксидная с содержанием Al2O3 в пределах 93–96 %. Она металлизируется по месту спая молибдено-марганцевыми пастами при температуре 1300–1400° С; с повышенным содержанием Al2O3 в керамическом материале температура вжигания повышается и может достигать 1650° С. Для второго металлозащитного слоя используют никель или железо. Никелевые покрытия можно наносить гальваническим или химическим способом, железные – гальваническим. Толщина никелевого покрытия 3–5 мкм, железного – 7-10 мкм.

Наиболее благоприятным температурным интервалом для пайки алюмооксидной керамики является 950–1000° С. В данном интервале пайка узлов производится припоями на золотой и серебряной основе. Наибольшее распространение получил припой в виде чистого серебра и медно-серебрянной эвтектики ПСр-72. Это объясняется полным отсутствием взаимодействия между припоем и молибденом.

Спаи металла со стеклом. Существует несколько гипотез механизма спаивания металла со стек­лом.

Согласно окисной гипотезе смачивание поверхности металла стеклом и сохранение прочности спая после остывания возможно, если поверхность металла перед спаиванием была покрыта окисной пленкой. Структура оксидной пленки металла и стекла очень близки, поэтому сцепление между ними прочнее. При соприкосновении размягченного стекла с пленкой происходит растворение  окиси металла в стекле и частично в металле. Пленка окиси действует подобно клеящему веществу.

Согласно дендритной теории спай обуславливается появлением мелких кри­сталлов-дендритов, вырастающих на поверхности металла. Они внедряются в стекло. Росту дендритов благоприятствуют окислы.

Согласно электролитической теории металлы-активаторы сцепления (кобальт, никель и др.) вытесняют из стекла другие металлы, расположенные выше их в электрохимическом ряду элементов, и выделяются на поверхности основного металла в виде дендритов.

В электронной промышленности разработан ряд стекол, с которыми спаиваются различные материалы: вольфрам, молибден, железо, платинит, ковар, медь, титан и др. Спаиваемые металлы и стекла подбираются по коэффициенту термического расширения.

Спаивание ведется с помощью газовых горелок, индукционным нагревом, в печах за счет джоулевого тепла. После спая необходим отжиг в лерах, сундучных печах. Кварцевые спаи ведутся кислородными горелками при высоких температурах.

7. Откачка электронных приборов

7.1. Заварка приборов

 

Заваркой называется операция герметичного соединения собранных ножек (катодная, анодная, сеточная) с баллоном. Заварка стеклянных ламп осуществляется горячей обработкой стекла.

Первый этап. Свариваемые узлы и баллон разогреваются до размягче­ния. Скорость разогрева 200–300 град/мин.

Второй этап. Соединение свариваемых деталей и проварка образовавшегося шва. Разогрев идет до более высоких температур.

Третий этап. Отжиг, который снимает натяжения в стекле.

Заварка металлостеклянных ламп производится как на горизонталь­ных заварочных станка, так и на одношпендельном вертикальном станке с ВЧ индуктором. Индукционный нагрев применяется для осуществления рантовых и дисковых спаев, при этом высокочастотное поле концентриру­ется в узкой области спая.

Пайка металлокерамических приборов производится в вакуумных печах. Время выдержки при пайке 1–2 мин. Иногда пайка совмещается с наполнением прибора рабочим газом.

 

7.2. Теоретические основы процесса откачки

 

Вакуумом называется состояние газа, имеющего плотность, меньшую, чем его плотность при нормальных физических условиях. Характеристика ваку­ума есть отношение средней длины  свободного пробега молекулы к размеру сосуда “d”. Различают низкий, средний и высокий вакуум:  – высокий вакуум,  – средний вакуум,  – низкий вакуум. В таблице представлены соответствующие давления для разных вакуумов.

 

Степень вакуума

Низкий

Средний

Высокий

Сверхвысокий

Давление,      мм рт.ст.

760–1

1–10-3

10-3–10-7

10-8 и выше

 

Простейшая схема вакуумной системы показана на рис. 6.

  1. Откачиваемый объект.
  2. Насос.
  3. Вакуумпровод.
  4. Впускной патрубок.
  5. Выпускной патрубок.

При включении насоса начинается перемещение газа из объекта в насос. Количество газа в вакуумной си­стеме непрерывно уменьшается, а так как объем системы и температура газа неизменны, то понижается его давление. На концах вакуумпровода создается разность давлений Р1–Р2. Эта разность называется движущей разностью давлений. Процесс откачки газов из любого объема характеризуется следующими параметрами: быстрота откачки; поток газов; сопротивлением и пропускающая способность вакуумпровода

Быстрота откачки объекта – называется объем газа, поступающий в единицу времени из объекта в вакуумпровод при давлении Р1 в откачиваемом объекте. Для определения быстроты откачки надо брать бесконечно малые промежутки времени dt, в течение которых в вакуумпровод  входит бесконечно малый объем газа dV0 при данном давлении в объеме (V0). Иными словами, быстрота откачки определяется объемом газа, поступающим в работающий насос в единицу времени:

.

Количество газа, проходящего в единицу времени через поперечное сечение вакуумпровода, называется потоком газа в данном се­чении. Если давление в данном месте вакуумпровода равно Р, а быстрота действия вакуумной системы в том же месте равна S0, то PS0 выразит поток газа Q в этом месте:

.

Падение давления вдоль вакуумпровода Р1 – Р2 возникает из за того, что вакуумпровод оказывает сопротивление потоку газа:

,

где W – сопротивление вакуумпровода потоку газа.

Пропускной способностью U элемента вакуумной системы называется поток газа через этот элемент, приходящийся на единицу падения давления на элементе:

.

Так как при откачке имеет место падение давления Р1 и Р2, то одновременно уменьшается и пропускная способность вакуумпровода.

Основное уравнение вакуумной техники имеет вид:

.

Оно связывает основные параметры вакуумной системы: быстроту действия на­соса Sн, быстроту откачки объекта и пропускную способность вакуумпровода. Уравнение показывает, что если проводимость трубопровода значи­тельно больше быстроты действия насоса, то быстрота откачки зависит только от насоса.

 


7.3.
Этапы откачки

  1. Откачка атмосферного воздуха.
  2. Обезгаживание стекла  и внутренней аппаратуры.

Стекло обезгаживается под печью, детали – токами ВЧ. Температура обезгаживания должна быть выше рабочей. На рис. 7 представленна типовая кривая обезгаживания металлических деталей при высоких температурах, где Q – колличество газа, удаляемого из деталей в единицу времени. На участках “A” и “B” кривой температура деталей увеличивается и в точке “X” достигает максимального значения. Участки “A” и “B” соответствуют выделению газов при температуре 500-600°С. Если бы не было растворимых газов в объеме, то обезгаживание закончилось в точке “t”. Однако с момента t’ начинается заметное выделение растворимых газов.

Нагрев электродов ламп до высоких температур не позволяет очистить их  от окисных пленок на поверхности. Откачка их идет при бомбардировке поверхностей электродов электронами или ионами. Этот процесс называется тренировкой. Начало разложения окислов наступает при энергии бомбардирующих электронов в несколько электроно-вольт (эВ). С увеличением энергии увеличиваются глубина проникновения электронов в металл и толщина восстановленного слоя металла. Обезгаживание стекла идет при температуре 350-450°С. Вначале газоотделение идет с поверхности стекла, а затем из глубоких слоев. Время обезгаживания – 1,5-4 часа и зависит от сорта стекла и габаритов прибора.

 

8. Тренировка

Тренировка производится после того, как прибор обезгажен, откачен и его катоду сообщена имиссионная способность. Тренировка проводится либо в конце откачки, либо на отпаянном приборе. Сразу после откачки катод не получает полной активировки и его эмиссионная способность недостаточна. Тренировка выполняет три основные задачи.

  1. Окончательное активирование котода для получения стабильной эмиссии.
  2. Окончательная очистка электродов, чтобы лампа выдерживала перегрузки без ухудшения параметров.
  3. Разрушение на поверхности катода всевозможных неровностей, которые приводят к возникновению нежелательных пробоев, особенно в высоковольтных приборах.

Активирование катода. Активирование оксидного катода заключается в восстановлении металлического бария из его окислов и в равномерном его распределении в толще оксида. Восстановление бария производится следующими присадками в керне катода (Si, Mg, Ca, W, Ti и др.).

Активирование оксидного катода – это процесс активирования, ускоряющийся с увеличением температуры и заключающийся в восстановлении Ba, его диффузии и равномерном распределении в слое оксида и спекании окислов с образованием мелкой структуры смешанного вида (BaS2)O.

Окончательная очистка электродов. Остаточные газы, окислы и др. выделяются во время ее работы, отравляют оксидный катод, уменьшают долговечность. Очистка электродов, входящая в задачу вторго этапа тренировки, заключается в возможно полном выделении газа с электродов и поглащении их газопоглотителем. Повышение температуры во время выделения в лампе газа является обязательным условием второго этапа тренировки. Катод нагревается до 900-1050°C. Анод до 550-600°C, сетки – 100-200°C выше рабочей. После проведения этого этапа тренировки вакуум достигает значения              10-6-10-7 мм рт.ст.

Специальные виды тренировки. Эти виды тренировки воспроизводят рабочие режимы ламп. Их цель – стабилизация специальных параметров ламп. Так лампы, работающие при высоких напряжения на электродах, подвергаются высоковольтной тренировке. Она предохраняет лампы от прямых и обратных пробоев, которые являются следствием выделения газа из анода под действием электронной бомбардировки.

Другой вид специальной тренировки – это тренировка в динамическом режиме. Применяется для генераторных ламп. В процессе этой тренировки могут возникать искрения и пробои, которые к концу тренировки прекращаются. Тренировка ведется в предельно допустимых режимах.

Специальный вид тренировки для ГРП – это ионная бомбардировка катода, особенно для приборов с холодным катодом.

Последними этапами в цикле производства приборов являются следующие: покраска, которая устраняет коррозию, увеличивает сопротивление изоляции, устойчивость к влаге, защищает от образования грибков и плесени, придает прибору эстетический вид; маркировка и упаковка; последний этап испытания. Перечень всех видов испытаний указывается в ТУ на приборы (приемо-сдаточные испытания, периодические испытания, испытания на безопасность и долговечность).

Оглавление

 

  1. Цели и задачи работы …………………….........................
  2. Основные технологические требования и особенности электровакуумного производства …........................................
  3. Основные технологические документы …………...............
  4. Методы обработки и очистки деталей…………..................

4.1.     Методы обработки деталей……………………….............

4.2.     Виды загрязнений………………………………….............

4.3.     Очистка и термическая обработка деталей……...............

4.3.1. Физические основы химической очистки деталей........

4.3.2. Электролитическая очистка …………………….............

4.3.3. Ультрозвуковая очистка…………………………............

4.3.4. Термическая очистка……………………………..............

5. Основные детали электровакуумных приборов…...............

6. Сборка узлов приборов………………………………............

7. Откачка электронных приборов……………………..............

7.1. Заварка приборов…………………………………..............

7.2. Теоретические основы процесса откачки………..............

7.3. Этапы откачки ...................................................................

8. Тренировка…………………………………………….............

1

 

1

3

5

5

6

9

10

11

11

12

15

18

22

22

22

24

25

 
nogamblingaddiction.com