|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 9 10 11 12 13 14 15 ... 31 Таблица 7.2. Стекла, используемые в электронной промышленности [3]
Примечание. Тр max, Tg, TmUk - температуры рабочая, стеклования, размягчения. ДЛЯ ЗЮг), удельное сопротивление при температуре 250°С достигает 10 Ом см (рис. 7.5). Наиболее устойчивым в химическом, тепловом и механическом отношениях является чистое кварцевое стекло, которое, будучи сплавом SiOz, образует пространственную решетку в виде тетраэдров. Однако этот материал имеет наименьший ТКР (3...5) 10~° С , вследствие чего при соединении с другими материалами возникают большие механические напряжения. Кроме тото, кварцевое стекло трудно поддается обработке. Другие силикатные стекла получаются модификацией ЗЮг путем введения в кристаллическую решетку групп РОг®, ВО*, что увеличивает ТКР стекла. Для снижения температуры плавления и вязкости к таким стеклам добавляют окислы щелочных металлов, при этом кристаллическая решетка становится менее замкнутой, что облегчает миграцию ионов и увеличивает ионную проводимость стекла (см. рис. 7.5), причем ионы Na+ проявляют большую подвижность, чем ионы К+. Добавление AljOg увеличивает устойчивость к перепадам температуры, BjOg - жаростойкость, а РЮ улучшает оптические свойства силикатных,стекол. Для спаев с молибденом и вольфрамом производятся, специальные сорта стекол (см. табл. 7.1). Особым видом являются кристаллизующиеся стекла - ситаллы (например, пирокерам ), имеющие промежуточные свойства между 18 16 и  100 200 300 400 500 бОСС 100 200 300 400 500 600С Рис. 7.5. Зависимости электрических характеристик от температуры различных стекол фирмы Corning для электронной техники: а - логарифм сопротивления в зависимости от температуры; б - электрическая прочность образца толщиной 2 мм при частоте 60 Гц в течение 1 мин; в - зависимость от температуры диэлектрической проницаемости иа частоте 1 МГц; г - зависимость tg 6 (при 1 МГц) от температуры стеклом и керамикой. Эти стекла отличаются малой пористостью, сверх-малой зернистостью, больпюй устойчивостью и простотой обработки. Однако химическая стойкость этих стекол меньше, чем обычных. Кислоты или водородная среда в печи могут привести к потере герметичности металлопирокерамического спая. Такие условия могут возникнуть при покрытии выводов золотом или при пайке полупроводниковых приборов. Наиболее широко используются следующие виды кристаллиззто-щихся стекол. Магний-алюмосиликатные стекла: кристаллическая фаза 2 MgOx X 2 AljOs- 5 Si О2, катализатор кристаллизации TiOg; литий-алюмосиликатные стекла: кристаллическая фаза LigO х X А120з-2 SiOa, Li20-Al203-4 SiOg, LiaO-AIgOg-G SiOg, катализатор Ti O2; натрий-барий-силикатные стекла: кристаллическая фаза ВаО X X 2 SiOa, катализаторы Аи, Ag, Си, Pt, ZrO, СГ2О3, NiO. Детали из кристаллических стекол формируются так же, как из обычных, а затем охлаждаются до температуры на 100° С выше температуры кристаллизации в течение времени, достаточного для образования стабильной кристаллической фазы. Затем температуру повышают на 100° С ниже температуры размягчения, что дает быструю кристаллизацию максимального количества оставшейся аморфной фазы. Некоторые кристаллизующиеся стекла отличаются весьма малым tg б на СЕЧ, благодаря чему могут быть использованы в микроволновой технике (рис. 7.5). Стеклянные корпуса значительно дешевле металлических, и керамических. Если металлический корпус требует трехслойного спая металл - стекло-металл, то спаи в стеклянных корпусах двухслойные: стекло-металл. Недостаток стекла - хрупкость и малая теплопроводность. Стеклянные корпуса имеют толстые стенки, что иногда приводит к увеличению размеров изделий. Корпуса получают чаще всего прессованием стеклянного порошка с последтощим его спеканием в графитовых, стальных или керамических приспособлениях в печах с контролируемой атмосферой. Миниатюрные корпуса, например, для диодов изготовляют из стеклянных трубок. Для корпусов используются твердые стекла, боросиликатные (например, 7052 Corning) и ситаллы (Пирокерам 9606 и 9608 Corning), которые устойчивы к механическим ударам и резким перепадам температур и образуют спаи высокой степени герметичности с металлами, особенно коваром. В оптоэлектронных устройствах стекла находят применение благодаря их прозрачности, способности пропускать или поглощать лучи с разной длиной волны. Но существуют и совершенно непрозрачные стекла для электромагнитных излучений. Керамика. Керамические корпуса обладают прочностью металлических и, подобно стеклянным, имеют хорошие диэлектрические свойства и большую химическую устойчивость. Дополнительным преимуществом керамики перед стеклом является то, что она лучше подвергается металлизации. Это позволяет крепить элементы или выводы к корпусу, соединять корпуса с другими частями конструкции пайкой, использовать металлизированные соединения и выводьь Наиболее широко используется керамика на основе окиси алюминия с содержанием AlgOg 80...99,5% и 92...96%, в которой содержатся 4.-.6% окислов, обеспечивающих лучшее сцепление металлизирующего слоя, чем чистая Al20g. Теплопроводность и ТКР керамики на основе AljOg приближаются к их значениям для сплавов Fe-Ni и Fe-Ni-Co, что обеспечивает малое напряжение спаев. Керамика на основе AljOg очень прочна, устойчива к резким изменениям температуры, воздействию химикатов и агрессивных газов, хорошо соединяется со стеклом. Однако керамические корпуса и оборудование для их производства очень дороги. Керамические корпуса часто имеют большие габариты, чем стеклянные, когда, например, их выводы проходят через стеклянные спаи в керамическом основании с металлизированным отверстием. В этом случае требуется некоторый объем для металлизирующего слоя, что увеличивает диаметр на 1...1,5 мм. Наилучшую теплопроводность, близкую к алюминию, имеет бериллиевая керамика (80...95% ВеО). Теплопроводность возрастает с увеличением содержания ВеО. Эта керамика отличается лучшими электрическими свойствами при аналогичных механических свойствах и химической устойчивости по сравнению с керамиками на базе AI2O3. К сожалению, цена бериллиевой керамики очень высока, поэтому она используется только в изделиях высшего качества, когда необходим отвод тепла. В определенных случаях, когда, например, в ходе технологического процесса необходимо выполнить пайку, большая теплопроводность бериллиевой керамики осложняет пайку. Рассеяние тепла ухудшает качество спая, что приводит к необходимости подогрева всего корпуса до более высокой температуры, подвергая при этом опасности элементы, чувствительные к перегреву. Реже, чем керамика на основе AI2O3 и ВеО, используются для корпусов другие виды радиокерамики (табл. 7.3). Методы металлизации керамики: молиманг, покрытие смесью Мо-Мп (твердая металлизация), спай с активным металлом (Ti, Zr), металлизация пастами благородных металлов (Ag, Au, Pd, Pt). , Наилучшую герметичность обеспечивает смесь Мо-Мп. Во время обжига керамики, покрытой смесью Мо-Мп при пониженном давлении, атомы Мп образуют с атомами А1 вверхнего слоя керамики соединение типа шпинели, а на поверхности керамики образуется сильно связанный с основанием слой Мо. Покрывая этот слой золотом или никелем, получают поверхность, поддающуюся как твердой, так и мягкой пайке. Метод спая с активным металлом основан на покрытии керамики суспензией Ti или Zr с легкоплавкими металлами в лаке и обжиге нанесенного слоя в атмосфере инертного газа или в вакууме при температуре сначала 550, а затем 800° С. При этих температурах водород дист социирует'и часть металла диффундирует в глубь керамики. Таким образом, возникает плотно прилегающий к керамике слой металла, который позволяет вести твердую и мягкую пайку. Существует много вариантов этого процесса. Один из них [43] предусматривает использование металлизирующего слоя, состоящего пз двух частей. Первая суспен- Таблица 7.3. Свойства радиокерамики, используемой для герметизации [47]
зия - порошок Ag-Cu в нитроцеллюлозе, а другая (наносимая после высыхания первой) суспензия порошка Ag и Си, а также гидрида титана в количестве 20% в органическом клее. Обжиг происходит в вакууме 6,5 мПа (6,5-10 атм) в сосуде, выполненном из Та или Та и Zr, который одновременно выполняет задачу поглотителя. После обжига металлизированный слой покрывается никелем для облегчения пайки. Некоторые пасты для металлизации представляют собой готовые к употреблению тиксотропные композиции Pd, Au, Ag. Они наносятся методом печати через маску, а их вязкость составляет 200 ...400 Мер (метод Брукфилдапри 6 об/мин и температуре 25°С). Пасты после нанесения сушат при температуре 100... 150° С, а затем обжигают при 700... 1000°С. Наибольший ассортимент этих паст (под общим названием толстопленбчные электропроводящие пасты) производит фирма Du Pont. 7.3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОРПУСА, ГЕРМЕТИЗИРУЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ РЕЗИНОВЫХ УПЛОТНЕНИЯ Герметизация электролитических конденсаторов. Существенной особенностью электролитического конденсатора является выделение водорода, когда ои находится под напряжением. Объем выделяемого   о 1 Рис. 7.7. Давление р в корпусе электролитического конденсатора как функция времени и коэффициента проникновения водорода k- ртах - максимальное давление (ршах = f()ci = 10- - зависимость ршах от температуры прн величине fej = 10- ), <max - время достижения максимального давления < 5 6 7 6 ч/о^ч Рис. 7.6. Изменение во времени тока утечки алюмишгевого электролитического конденсато])а при температуре 100° С водорода пропорционален количеству электричества, протекае-мого в течение рассматриваемого времени через конденсатор: Ун = 0,004 J IJit, где Vn - объем водорода, см; - ток утечки, мкА; t - продолжительность работы конденсатора, ч; 0,004 - электрохимический эквивалент выделения водорода в 1 см при температуре 0° С и давлении ~100 кПа (1 атм). Ток утечки уменьшается с ростом продолжительности работы и увеличивается при повышении температуры. Вьшолненные автором исследования [119] показывают, что зависимости = / (О (рис. 7.6) можно приближенно представить следующим образом: =/оехр (-аО, где /о - начальный ток утечки, а а = 10*... 10 - коэффициент, зависящий от температуры и типа конденсатора. Скапливающийся во время работы в корпусе конденсатора водород создает давление рн на стенки корпуса. Для корпуса со стеклянным или керамическим диэлектриком, проникновением газов через который можно пренебречь [119], давление рн при работе конденсатора будет все время возрастать. Возрастание давления ра зависит от свободного объема Уо в корпусе конденсатора Рн, = 0,004 (1 - ехр 0/273 Уо- При достаточно больших значениях / и а и малом объеме Уо повышенное давление через определенное время разорвет корпус. Опасность взрыва весьма вероятна [119] для алюминиевых конденсаторов, но не  
 Рис. 7.8. Способы уплотнения алюминиевого электролитического конденсатора: / - алюминиевый корпус; 2 - резиновое уплотнение; 3 - место запрессовки корпуса в резину; 4 -место вдавливания края корпуса в резину; 5 -смола; 6 - предохранительный клапан; 7 - цоколь из пластмассы; S - прокладки резина - фенольный слоистый пластик; S - изоляционная трубка ДЛЯ танталовых (рис. 7.7), откуда следует, что танталовые конденсаторы можно герметизировать корпусами со стеклянными проходными изоляторами, практически не пропускающими газов, а уплотнение алюминиевых конденсаторов должно в определенной мере пропускать вьще-ляющийся водород. В корпусе алюминиевых конденсаторов большой емкости устанавливается предохранительный клапан, через который выходит водород при возрастании давления (рис. 7.8).Так как клапан может находиться только в открытом состоянии, то высыхание электролита ведет к ухудшению электрических характеристик конденсатора. В конденсаторе с резиновым уплотнителем водород проникает через него тем интенсивнее, чем больше давление в корпусе в соответствии с зависимостью Где Ffc - количество водорода, проникающего через уплотнение за время t, см, S и L - поверхность и толщина уплотнителя; k - коэффициент проникновения Hj через уплотняющий материал. В процессе работы в единицу времени в корпусе выделяется все меньше водорода, а выходит наружу все больше по мере возрастания давления. Должен существовать такой момент ах когда давление достигнет максимума и начнет падать. Зависимость ри, = / (О можно представить в виде 1 0,004/о Jexp(-aO-J-) 224I4Fo Решая это уравнение, получаем зависимость ри от / и k, т. е. от времени работы конденсатора и используемого материала: где А = i?r,/22414 Уо. Это уравнение позволяет найти максимальное давление и время его достижения (р^п&х тах)- Как видно из рис. 7.7, при материале, для которого k = 10~*; paj. = 2,5 МПа {2Б атм), а при fe = 10 Pmaj. едва достигает 0,1 МПа. Итак, выбор уплотняющего материала имеет существенное значение для конденсатора в процессе работы. Если водород слабо проникает сквозь материал [28], то давление в конденсаторе через некоторое время разорвет его. Следует, однако, помнить, что водород может проникать не только сквозь уплотнение, но частично и между уплотнением и корпусом. В действительности проникновение водорода будет большим, чем это характеризует коэффициент k. Казалось бы, наиболее выгодно использовать уплотняющий материал с максимальным пропусканием водорода; например кремнийорганцческую резину. Но это не так, поскольку уплотнение должно одновременно предотвращать проникновение влаги и составных частей электролита. Но материалы, хорошо пропускающие водород, обычно в большей или меньшей степени пропускают и органические соединения. Следовательно, необходимо оптимизировать выбор уплотняющего материала, который должен быть максимально прозрачным для водорода и плохо пропускать электролит. f При больших диаметрах корпуса вместо резиновых уплотнений используются комбинированные двух- и трехслойные уплотнения из резины и гетинакса [121]. Применяется также уплотнение с помощью цоколя с фенольной или эпоксидной пластмассой или из термопластичных полимеров, главным образом полиамидов и полипропиленов с резиновым уплотнением по периферии корпуса (рис. 7.8). Одним из специфичных примеров герметизации в металлическом корпусе служат танталовые конденсаторы, заполненные на 30% раствором серной кислоты, служащей электролитом. Дополнительным фактором, увеличивающим агрессивность электролита, является широкий диапазон рабочих температур - 75... -\- 200° С. Весьма эффективный метод герметизации показан на рис. 7.9, а. В стальной оболочке / находится устойчивый к H2SO4 4 серебряный корпус 3, прижатый к стальному корпусу пружиной 2. Танталовый анод 5, полученный методом спекания, приварен к танталовому диску, который прижимает к серебряному корпусу уплотнитель из фторкрем-нийорганической резины 6, устойчивой к воздействию серной кислоты при температуре свыше 150°С. Диск соединен с резиной через прокладку 8 из стеклотекстолита на фенольной смоле, которая сильно обжимается краем 10 завальцованного стального корпуса. Пространство между верхней поверхностью танталового диска и стеклотекстолитовой прокладкой залито эпоксидной смолой 9. Внутренняя поверхность стального корпуса в области уплотнения дополнительно защищается тефлоновой пленкой 7. Этот способ обеспечивает такую же степень герметичности, как стеклянные и керамические изоляторы, поэтому при необходимости от них можно отказаться. Другой метод герметизации танталового конденсатора, содержащего, серную кислоту, предложен в патенте US-3684927 (рис. 7.9, б). Уплотнение состоит из трех слоев. Первый - это пробка 1 из тефлона с канавкой, в которой находится уплотнитель 2, умеренно устойчивый к H2SO4. При обжиме в этом месте корпуса 3 уплотнитель сжимается и вместе с тефлоном образует первый барьер для серной кислоты. Вторым слоем является эластичная кремнийорганическая или фгорокремнийорганическая заливка 4 типа RTV (например RTV-100 фирмы General Electric), имеющая хорошее сцепление с металлом и стеклом. Задача этого слоя - не допустить серную кислоту 8 к выходному металлостеклянному спаю 5, что позволяет исключить воздействие H2SO на материалы выходного изолятора и утечки между корпусом 6 и выводом анода 7. Кремнийорганическая заливка RTV имеет хорошее сцепление с материалами выходного, изолятора и вывода 7 и не образует сцепления с пробкой из тефлона. Таким образом, даже при экстремальных перепадах температуры, когда заливка подвергается большой усадке, герметизация не нарушается, так как усадка происходит со стороны тефлона, а соединение со стеклом и металлом на нарушается. Разработаны миниатюрные танталовые конденсаторы с серной кислотой, размещенные в стеклянной трубке, выводы конденсатора также танталовые. Герметизация конденсаторов, пропитанных жидкими диэлектриками, мало чем отличается от герметизации электролитических конден-  Рие. 7.9. Герметизация танталовых конденсаторов с серной кислотой в качестве электролита без стек-Аянного проходного изолятора (а) и с ним (б) т  Рис. 7.10. Герметизация элементов, пропитанных диэлектриками, с помощью металлических корпусов: / - корпус; 2 - проходной изолятор стекло-металл или керамика-металл; 3 - спай изолятора; 4 - место пропайки или сварки корпуса саторов. Разнида состоит в том, что корпуса этих конденсаторов могут быть не только алюминиевыми, но и стальными или медными. При этом стальную ленту покрывают цинком или оловом гальваническим или термическим методом (рис. 7.10). 7.4. МЕТОДЫ СОЕДИНЕНИЯ СТЕКЛЯННЫХ, КЕРАМИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ КОРПУСОВ Для полной герметизации части корпуса должны быть спаяны или сварены. Выводы требуют стеклянных или керамических изоляторов, которые могут обеспечить уровень натекания гелия не более 10 Л'мм рт. ст./с. Чаще всего используются следующие способы соединения металлических частей: пайка мягкими или твердыми припоями, сварка электрическая, электронная, лазерная, ультразвуковая, диффузионная, соединение с помощью стекла. Стеклянные и керамические части соединяют спаем стекла, а при наличии металлизированных частей их соединяют, как и металлы, пайкой. Мягкая пайка - это наиболее старый способ соединения металлических или металлизированных частей, недостатком ее является низкая температура плавления олова (235° С), определяющая верхнюю границу рабочей температуры. Однако низкая температура менее опасна для герметизируемого изделия, достоинствами метода являются также низкие затраты и возможности вскрытия и ремонта элемента. Не все металлы одинаково легко поддаются пайке мягкими припоями (табл. 7.4). Однако пайка используется при герметизации многих изделий, размещенных в металлических корпусах. Для пайки больших корпусов используются специальные паяльники, для малых - туннельные или индукционные печи. 1 ... 9 10 11 12 13 14 15 ... 31 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||