Физико-технические основы создания композиционных материалов на базе промышленных порошков вольфрама тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Пью Мьинт Вей

• Пью Мьинт Вей
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Пью Мьинт Вей

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1.Применение композиционных вольфрамовых материалов в электронных приборах

1.1. Физические процессы, наблюдаемые при эксплуатации полупроводниковых изделий

1.1.1. СВЧ транзисторы

1.1.2. Силовые полупроводниковые модули

1.2. Физические свойства термоэмиссионных катодов,

изготовленных на базе вольфрамовых композиционных

материалов, проявляемых в условиях газового раздела

1.3. Материалы, используемые для изготовления вольфрамовых

композиционных материалов

Выводы к главе 1

Глава 2.Техника эксперимента и аналитические методы

исследования основных характеристик композиционных

материалов на базе вольфрама

2.1. Дилатометрический метод исследования коэффициентов линейного термического расширения

2.2. Метод исследования теплопроводности

2.3. Метод исследования пористости

Выводы к главе 2

Глава 3. Разработка физико-технических основ изготовления

композиционных материалов на базе вольфрама

3.1. Модернизация существующих и разработка новых аналитических подходов к прогнозированию и оперативному контролю параметров вольфрамово-медных псевдосплавных материалов

3.1.1. Расчет модуля Юнга

3.1.2. Расчет коэффициента Пуассона

3.1.3. Расчет модулей сдвига и объемного сжатия

3.1.4. Расчет коэффициента термического расширения (к.т.р.)

3.1.5. Расчет коэффициентов тепло- и электропроводности

Стр.

3.1.6. Разработка расчетно-измерительных способов нахождения полученных параметров КМК, позволяющих осуществлять оперативный

контроль процесса изготовления

3.2. Приготовление исходных составов теплоотводящих материалов

3.3. Приготовление исходных составов эмиссионных материалов для прессованных катодов

Выводы к главе 3

Глава 4. Исследование основных физических параметров

разработанных композиционных материалов

4.1. Требования к параметрам процесса спекания и пропитки вольфрамовых каркасов

4.2. Установка для измерения и результаты исследований теплопроводности композиционных материалов

4.3. Исследование коэффициентов теплового расширения

4.4. Исследование эмиссионной способности и перспективная область применения эмиссионных вольфрамовых композиционных материалов

Выводы к главе 4

Заключение

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Литература

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технические основы создания композиционных материалов на базе промышленных порошков вольфрама»

ВВЕДЕНИЕ

Физические свойства композиционных материалов на основе вольфрама, как уникальных теплоотводов, так и источников электронов с плотностью близкой к теоретически возможной для таких композиций, привлекает особое внимание специалистов в среде физики конденсированного состояния, так и разработчиков новых изделий радиоэлектроники.

Одна из самых важных задач современной микроэлектроники -повышение объемной плотности размещения элементов, что влечет за собой повышение удельной потребляемой мощности. При этом каждый электронный элемент в процессе работы выделяет некоторое количество тепла, величина которого определяется соответствующим коэффициентом полезного действия. Таким образом, увеличение объемной плотности приводит к суммарному увеличению выделяемого тепла.

Учитывая тот факт, что надежная работа полупроводниковых элементов ограничена верхним температурным пределом на уровне 400К, достаточно остро встает проблема отвода тепла от электронных компонентов и узлов.

Для отвода тепла в настоящее время массово используются алюминиевые и медные детали, различные материалы на основе теплопроводящих пластмасс и керамики, а также псевдосплавы вольфрама, молибдена и меди с различными добавками.

Известные композиционные материалы для электродов газоразрядных приборов также не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к ним в радиоэлектронных, осветительных и природоохранных системах.

Несмотря на многолетнюю историю существования, к моменту постановки работы все выпускаемые отечественные материалы, используемые при изготовлении электронных компонентов, имели параметры, существенно отстающие от потенциально возможных.

Причина отставания объясняется все еще недостаточной изученностью свойств применяемых материалов, а также совокупности взаимосвязанных физических процессов, протекающих при изготовлении электродных и теплопроводящих композиций.

Так, например, недостаточно корректно выясненные условия высокотемпературного спекания обусловили введение в состав композиций элементов, существенно снижающих либо эмиссионную способность, либо теплопроводность композиционных элементов.

В связи с этим, центральное место в создании электродных эмиттирующих к псевдосплавных теплоотводящих материалов с параметрами, отвечающими современным требованиям, отводится разработке способов нахождения их оптимальных электрофизических параметров, а также конкретных и методов изготовления.

Актуальность_работы. Научно-технические задачи

совершенствования существующих и разработки новых эффективных изделий электроники непрерывно связаны с исследованиями и разработкой теплоотводящих и эмитирующих материалов, обеспечивающих заданный уровень параметров электронных узлов и компонентов. В связи с этим очевидна актуальность проведения исследований, комплексно описывающих физические процессы, происходящие при синтезе прессованных электродных и каркасных псевдосплавных композиций, а также позволяющих определить состав компонентов и конструкции конечных изделий, обладающих заданными электрофизическими параметрами.

При этом следует отметить, что проведение подобной работы является следствием необходимости повышения эффективности отечественных изделий полупроводниковой, вакуумной и газоразрядной техники.

Приведенные утверждения дают основания считать представленную работу важной и актуальной.

Научная цель работы. Разработка физико-технических основ создания композиционных материалов на базе промышленных порошков вольфрама, включающих аналитические и экспериментальные исследования зависимости параметров конечных изделий от составов исходных компонентов условий спекания и пропитки тугоплавких каркасов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработаны новые аналитические подходы к прогнозированию и оперативному контролю параметров вольфрам-оксидных и вольфрамово-медных псевдосплавных материалов;

- определены закономерности, выражающие взаимосвязь основных физических параметров процесса изготовления с характеристиками композиционных эмиттирующих материалов на основе промышленных порошков вольфрама;

- экспериментально подтверждены оптимальные режимы технологических операций производства каркасных материалов на основе вольфрама.

Научная новизна. В ходе выполнения работы были впервые получены следующие результаты:

- на базе аналитических исследований разработан способ определения физических параметров каркасных псевдосплавных материалов, базирующийся на измерении их удельного веса;

- разработаны оптимальные приемы производства каркасных материалов на базе вольфрамового порошка для теплоотводящих элементов электроники;

- разработана конструкция и технология композиционного электрода, обеспечивающая проявление эффекта полого катода в условиях дугового разряда низкого давления.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований использованы для организация промышленного производства материалов для теплоотводящих и термоэмиссионных элементов современной радиоэлектроники и приборостроения. При этом разработаны:

- основные операции изготовления, обеспечивающие достижение близких к теоретически возможным физические параметры каркасных псевдосплавов ВД10, ВД20 и ВДЗО, предназначенных для отвода тепла от полупроводниковых компонентов и узлов;

- термоэмиссионный электрод, работающий на эффекте полого катода и обеспечивающий, в связи этим, минимальное распыление в условиях воздействия дугового разряда низкого давления.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Разработанный способ определения физических параметров каркасных псевдосплавных материалов, базирующийся на измерении их удельного веса.

2. Определенные оптимальные приемы производства каркасных материалов на базе вольфрамового порошка для теплоотводящих элементов электроники.

3. Разработанный каркасный термоэмиссионный материал на основе вольфрамового порошка.

4. Результаты экспериментальных исследований и конструкция электрода, обеспечивающая проявление эффекта полого катода в дуговом разряде низкого давления.

Достоверность результатов. Работы обусловлена корректной постановкой задачи, применением математически обоснованных методов ее решения, соответствием результатов известным экспериментальным данным.

Личный вклад автора состоит в разработке методики нахождения параметров псевдосплавных каркасных материалов по их удельному весу, проведении расчетов указанных параметров, постановке экспериментальных работ, получении результатов теоретических и экспериментальных исследований с последующей их обработкой и анализом.

Апробация работы и публикации. Основные результаты настоящей диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских конференциях и региональных научно-технической конференции, в том числе: «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012г., 2013г.,2014г.), «Студенческая Научная Весна - 2012» (Москва, МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2012г.),

Основные результаты, полученные в работе, опубликованы в 11 печатных трудах, в том числе три в журналах из перечня, рекомендуемого ВАК.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Её общий объем составляет 115 страниц, включая 36 рисунок, 7 таблицы и список литературы из 84 наименований.

Глава 1.Примсненис композиционных вольфрамовых материалов в

электронных приборах

1.1. Физические процессы, наблюдаемые при эксплуатации полупроводниковых изделий

1.1.1. СВЧ транзисторы

Создание СВЧ транзисторов высокой мощности является одной и актуальных задач микроэлектроники. Решением международного консультативного комитета по радио (МККР) к сверхвысоким частотам (СВЧ) отнесены пять диапазонов: ОВЧ - очень высокие частоты (От 30до 300Мгц, длина волны от 10 до 1м), УВЧ - ультравысокие частоты (от 300 до 3000Мгц, длина волны от Ю до /Дм), СВЧ- сверхвысокие частоты (от 3 до 30 1ТЦ, длина волны от Ю до I см), КБ крайне высокие частоты (От 30 до 300 1ТЦ, длина волны от I до О./мм), Соответственно эти диапазоны волн называют метровым (ОВЧ), дециметровым (УВЧ), сантиметровым (СВЧ), миллиметровым (КВЧ) и децимиллиметровым (ГВЧ).

Одной из основных деталей в конструкции полупроводникового прибора является его корпус. Для СВЧ полупроводниковых приборов требуются специальные корпуса, способные рассеивать большую мощность на сверхвысоких частотах. Сложность изготовления СВЧ

полупроводниковых приборов и их корпусов состоит в том, что отдаваемая (выходная) мощность и частота взаимосвязаны: увеличение отдаваемой мощности снижает рабочую частоту прибора. Мощности полупроводникового прибора определяется его способностью рассеивать выделяемую при работе теплоту, а частоте зависит от его паразитной индуктивности и емкости. Чем меньше собственные индуктивность и емкость прибора, тем выше частота, на которой происходит отдача максимальной мощности [1].

В диапазонах СВЧ длина волны становится соизмеримой с размерами элементов электрических цепей и энергия быстропеременных токов в проводниках интенсивно излучается в окружающее пространство в виде электромагнитных воли, что увеличивается ее потери и способствует возникновению неконтролируемых связей. Поэтому в указанных диапазонах элементы цепей должны быть такими, чтобы электромагнитные волны полностью находились внутри замкнутых металлических объектов.

Для передачи энергии в сантиметровом диапазоне волн наибольшее распространение получили полосковые (ленточные), в сочетании с которыми применяют СВЧ полупроводниковые приборы.

На низкой частоте постоянный и переменный токи проходят по всему сечению проводника. В СВЧ - диапазоне быстропеременный ток проходит в тонком поверхностном слое проводника (скин-слое), толщина которого зависит от изменения частоты: чем выше частоты, тем тоньше слой прохождения тока. При этом на поверхности проводника плотность тока максимальная. При повышении частоты индуктивное сопротивление возрастает, но оно тем меньше, чем больше радиус проводника, по которому проходит ток. Поэтому СВЧ -ток проходит там, где индуктивное сопротивление проводника минимально, т.е., вблизи его поверхности.

С учетом всех этих особенностей работы СВЧ приборов их корпус должен отвечать следующим требованиям [2]:

- обладать малыми паразитной индуктивностью выводов и межэлектронной емкостью. Это необходимо для обеспечения высокой рабочей частоты, достаточно высокого коэффициента усиления СВЧ мощности, необходимой широкополосной и малого коэффициента подавления комбинационных частот (последние два требования относятся к транзисторам, предназначенным для линейных широкополосных усилителей);

- иметь выводы, изолированные от теплоотводящего основания корпуса. Без выполнения этого требования значительно затрудняется создание СВЧ усилителей;

- обладать малым тепловым сопротивлением, так как от современных мощных СВЧ транзисторов приходится отводить десятки и даже сотни ватт выделяющейся в них мощности. Эти требования особенно трудно выполнить в связи с тем, что площадь источника выделения тепла, т.е. разогретого кристалла, несмотря на принятые меры (создание на кристалле большого числа разнесенных структур), намного меньше, чем у НЧ мощных транзисторов с такой же рассеиваемой мощностью, а также в связи с тем, что транзисторная структура в этих пределах электрически изолируется от монтажной части корпуса, через которую идет отвод тепла во внешнюю среду;

- обеспечить в том месте, куда монтируется кристалл, близость коэффициентов теплового расширения кристалла и керамики. Без этого нельзя обеспечить механическую прочность прибора, а также устойчивость его к циклическим температурным и термоэлектрическим нагрузкам;

- обеспечить герметичность того объема, в котором размещается кристалл. Это связано с тем, что прибор должен длительно выдерживать воздействие окружающей среды во всем диапазоне рабочих температур, в том числе и в условиях высокой влажности.

Среди этих требований для мощных СВЧ транзисторов специфичны первые три. Проблему диэлектрика разрешить удалость с помощью бериллиевой керамики, которую получают на основе окисла бериллия. Окись бериллия имеет высокую теплопроводность, близкую к теплопроводности металлов, и в то же время является диэлектриком.

Керамика, созданная на основе окиси бериллия, имеет очень малый коэффициент теплового расширении, довольно близкий к коэффициенту расширения кремния. В качестве корпуса (ножки) в настоящие время используются молибдено—медные псевдосплавы марок АЩ40иЛЩ502К, выпускаемых по Яе0.021.105ТУ [3]. Использование указанных материалов позволило создать СВЧ приборы мощностью в несколько десятков ватт.

Дальнейшее увеличение мощности и надежности СВЧ транзисторов при сохранении габаритов самых приборов невозможно без улучшения свойств материала корпуса и прежде всего металлов, используемых для отвода тепла.

Применяемые в настоящее время для этих целей молибдено—медные псевдосплавы, в связи с возросшими требованиями, имеет некоторые недостатки, а именно: несогласованность КЛТР псевдосплава Щ40 и керамики в широком диапазоне температур, так, например, ЛЩ40 толщиной 0,8-2,0 мм имеет КЛТР в интервале температур 20-600'С8... 10 - 10~6К~' а КЛТР бериллиевой керамики в том же интервале температур составляет У.-.Б-Ю^К"1. Кроме того, жесткость псевдосплава Щ40 недостаточна для надежного крепления НИ прибора к теплоотводу.

Так как готовые СВЧ приборы в процессе монтажа крепятся с помощью резьбовых соединений к водоохлаждаемому теплоотводу, то теплоотдача прибора теплоотводу находится в прямой зависимости от качества контактируемых поверхностей прибора и теплоотвода и усилия прижатия этих поверхностей. При этом чем больше жесткость корпуса прибора, тем меньше вероятность появления его изгиба и, как следствие, меньше вероятность нарушения герметичности металло - керамического спая.

Между кривизной изогнутой оси пластины - Хи жесткостью существует зависимость [3]:

Х = М/Е/, (1.1)

где: - М — изгибающий момент (момент нормальных напряжений в поперечном сечении;

-Е — модуль Юнга (модуль продольной упругости); - ./— осевой момент инерции поперечного сечения.

Для корпусов СВЧ транзисторов представляют интерес такие металлы, как вольфрам и молибден, которые имеют высокие прочностные

свойства и обладают большим модулем упругости. Так, модуль

3 2

упругости молибдена и вольфрама составляют 32,3-10 кг/мм и 40,5-103кг/мм2, а пределы прочности 68 и 80 кг/мм2 соответственно [4]. Однако эти металлы имеют КЛТР значительно меньше, чем КЛТР керамики, кроме того в связи со склонностью этих металлов к охрупчиванию и расслоению, возрастают трудности при обработке на операциях рубки, рихтовки и резки.

В последние годы все большее применение для корпусов СВЧ транзисторов находят материалы из псевдосплавов вольфрам-медь, которые лишены указанных недостатков [3].

Присутствие меди в указанных псевдосплавах позволяет получать достаточно высокую электропроводность и теплопроводность. При этом температурный ход кривой КЛТР свободен от резких перегибов, что выгодно отличает псевдосплавы от многослойных материалов, содержащих ковар.

Материалы на основе вольфрама к меди получают давно. В Австрии, например, тактике материалы производит фирма "1УШа11>уегк Папвее" под маркой "Эльмен—Ротунг"; Американский "Элканайт" также является псевдосплавом на основе вольфрама и меди с высоким содержанием вольфрама. В Чехословакии эти материалы имеют марку "АБКОА". Число, входящее в марку сплава (например, А80КА-76) показывает содержание вольфрама в псевдосплаве.

Известно несколько способов получения псевдосплавов вольфрам-медь. В работе [8] описан методы получения этих материалов, Один из методов-метод прессования предварительно смешанных порошков в заготовки с последующим спеканием при температуре выше плавления меди. Для повышения плотности можно использовать дополнительно допрессовку. Для получения заготовок с содержанием вольфрама 65-80% используют метод прессования заготовок из вольфрама с последующей их пропиткой медью. Все известные способы получения заготовок из псеводосплава вольфрам-медь основаны на методе прессования заготовок с последующей обработкой.

Однако методом холодного прессования и спекания получить заготовку с плотностью более 90% технически трудно, поэтому эти заготовки, как правило, подвергают последующей пропитке медью. Считая такой метод малопроизводительным, несколько десятков лет назад в СССР было принято решение о массовом внедрении метода непрерывной прокатки порошка.

Технология представляет собой формовку порошковой шихты из смеси исходных порошков, например меди и молибдена, на валковых станах с последующим спеканием заготовок. Поскольку сформованная таким образом заготовка имеет значительную пористость после спекания, ее подвергают последующей многостадийной уплотняющей прокатке с многочисленными промежуточными отжигами. Получающаяся в конечном итоге полоса имеет относительную плотность на уровне 97% для молибденовых псевдосплавов и еще более низкую - для вольфрамовых. При этом толщина получаемого материала ограничена технологическими возможностями и в серийном выпуске не превышает 2,5мм.

Технология уплотняющей прокатки не может заменить операции полного смачивания жидкой медью, поэтому материалу присущи дефекты в виде частиц тугоплавкой фазы, не покрытых медью, что нарушает в будущих технологических переделах сплошность никелевых и золотых покрытий. Кроме того, возможное нарушение адгезионных соединений приводит к внедрению в материал различных реагентов, применяемых для очистки поверхности деталей их псевдосплава.

Для улучшения характеристик спекания, формовки при прокате и т.д., в состав исходной смеси дополнительно вводятся различные добавки. Характерный состав псевдосплавного материала ВД30 приведен в Таблице 1. Однако, улучшение параметров технологического процесса изготовления приводит к ухудшению основных характеристик псевдосплава как теплопроводящего и электропроводящего материала. На графиках, приведенных на Рис.1.1 и Рис. 1.2 показаны изменения теплопроводности и электропроводности меди при небольших добавках других химических элементов.

Содержание компонетова %

Рис. 1.1.

Влияние содержание элементов на теплопроводность меди [3]

со, МСм/м

60

50 40 30 20 10 0

0 1 2 3 4 5

Содержание компонентова %

Рис. 1.2.

Влияние легирующих элементов на электропроводность меди [3]

Таблица 1.

Химический состав псевдосплава ВДЗО

Марка псевдосплава Основные компоненты (% по массе)

вольфрам Медь Литий Никель Кремний Бор Марганец

ВДЗО 69-71 Остальное 0,05-0,15 0,2-0,4 0,2-0,4 0,05-0,15 0,1-0,3

Как следует из Таблицы 1, в среднем величина добавочных элементов находится на уровне 1%. В соответствии с приведенными графиками, теплопроводность и электропроводность меди в этом случае снижается как минимум, на 40%.

В составе наиболее широко используемого псевдосплава ВД30 медь составляет половину объема. Поскольку теплопроводность и электропроводность вольфрама составляют около 30% этих же характеристик меди, то очевидно, что две трети параметров псевдосплава определяются медью. Из этого следует, что общее снижение теплопроводности и электропроводности вследствие введения добавок составит только 70% от потенциально возможной.

1.1.2. Силовые полупроводниковые модули

При прохождении электрического тока через любой проводник неизбежно выделяется некоторое количество тепла. Для оптимальной работы полупроводникового кристалла эти потери мощности должны быть переданы к конечному теплоотводу.

В [3] подробно анализируются тепловые процессы, происходящие при работе силового полупроводникового модуля (см. Рис. 1.3-1.6). На Рис.1.3 изображены характеристики полупроводникового модуля, определяющие способность рассеяния этого тепла: (внутреннее тепловое сопротивление Я и внутренний температурный импеданс X), которые вместе с внешними теплоотводящими устройствами определяют тепловые условия работы прибора.

Величина рассеивания тепловых потерь мощности Р,ор, выделяемой в кристалле в открытом и закрытом состояниях, описывается при помощи градиента температуры:

Д^=ГУ-ГА, (1.2)

где: - Тё - температура кристалла;

- Ть - температура теплоотвода.

Указанный градиент определяется температурным сопротивлением Я^ в случае непрерывного режима работы или температурным импедансом .

Рис. 1.4 объясняет зависимость от конструктивно-

функционального строения модуля:

- геометрии и расположения кристалла;

- конструкции подложки;

- условий соединения кристалла с подложкой;

- наличия общего теплоотводящего основания;

- качества выполнения паянных соединений;

- качества непаянных соединений.

Для модулей, в которых используется общее теплоотводящее основание, добавляется температурное сопротивление (импеданс) между диэлектрической пластиной и теплоотводом:

КуИ = К^с + ^ИсЬ О-3)

Как показывают измерения, львиную долю температурного сопротивления составляет сопротивление внутренней изоляции. Поэтому для увеличения силовых показателей модулей стремятся использовать изоляционную пластину из материала с максимально большим

^иус ~ 2„ус + Z,/к,л (1.4)

Рис. 1.3 иллюстрирует влияние перечисленных условий на

Р-

natu

цясш!-медь

Июяжтор

(AljOj AIN)

Chip 1 ... Civp n

W4V4N4N V4\V\4\V\4\VV4NV\\4\SX4\4\4\4\4\44V» \\\\\\\

WWWWNWWWVWWWVWWWWWWWVVWWWMVWV

Кристалл жрсмши 220 мкм

liUUUUUUUUUU

Пряной 801 Аашмаивслочшгидаая ■таяtn»« 380 юы Верхний ■ ккжнкА слой мела 300 ян Припой 80 мкм Оси—м властшо (меда) 3 мм

Тсрмо-компауяд 50 шм Тацоошц

СНр1 Chip и

i i "а

' Baseplate lt—(' ^ h...................-n-3

Кремняй

Прем*

DCB-подложка

Термо- компаунд

Тшаоотаод /1 среда

Рис. 1.3.

Основная структура силового модуля с DCB, показывающая условия

рассеивания тепла

Кремниевый кристалл

Пайка

кристалл-мель

Верхний слой меди

Иэолатор (AljOj или AIN)

Нижний слой меди

Тсрмо-компаунд

Теплоотвод и теплоотвод-внешнаа среда

Рис. 1.4.

Основная структура силового модуля с DCB без основной пластины, показывающая условия рассеивания тепла

Поэтому приходится выбирать материалы с максимально большим коэффициентом теплопроводности. В настоящее время на практике - это нитрид алюминия, имеющий теплопроводность на уровне А, = 150 Вт/мК. В случае менее нагруженных приборов может использоваться оксид алюминия с теплопроводностью X = 24 Вт/м К.

Основная теплоотводящая пластина обычно изготовляется из меди. Несмотря на то, что теплопроводность меди весьма велика - X = 393 Вт/м К, она вносит довольно существенный вклад в общее тепловое сопротивление

Припой 80 юсы Алюминиево-оксидная тещи 380 мим Верхний и яиашяй сдой

300 мхм Тсрмо-компаунд 50 мкм

Теплоотвод

Кристалл кремния 220 мкм

Кремний Припои DCB-подлояаса Тсрмо-компаунд

Теплоотвод / внешни

среда

системы, поскольку механическая прочность обеспечивается при толщине порядка 2.5-4.5мм. Кроме того, уменьшение толщины снижает возможность распространения тепла вдоль поверхности пластины, ухудшая отвод тепла от кристалла.

Существенной проблемой являются также нарушение сплошного паянного шва между пластиной и диэлектрической подложкой, а также возможные нарушения теплового контакта между основной теплоотводящей пластиной и собственно теплоотводом из-за локальных точек прижатия и возможного коробления, как показано на Рис.1.5.

а б

Рис. 1.5.

Влияния составляющих 1200В модуля на температурное сопротивление, поверхность кристалла 9x9 мм [194]:

а) для DCB подложек (А1203) с основной медной пластиной

б) для IMS

Baseplate

Module

pressure

pressure

Baseplate Thermal

Compound

Heats ink

b)

DCB-Substrate

pressura

с)

Рис. 1.6.

Возможные нарушения теплового контакта а) до крепления (теплоотводящая пластина выпуклая), Ь) после крепления (тенденция), с) основная пластина отсутствует

1.2. Физические свойства термоэмиссионных катодов, изготовленных на базе вольфрамовых композиционных материалов, проявляемых в условиях газового раздела

Потребность в повышенной плотности тока эмиссии для электровакуумных приборов и особенно для приборов, работающих в сверхвысокочастотном диапазоне волн (клистроны, лампы обратной и бегущей волны и др.), привела к созданию новых типов вольфрамобариевых катодов - металлопористых пропитанных (импрегнированных) и прессованных, которые имеют некоторые существенные преимущества по сравнению с ранее разработанным Ь -катодом [1].

Физика процессов, происходящих в приборах с такими катодами изучается и по настоящее время [4-16]. Пропитанные и прессованные катоды представляют собой пористую губку из тугоплавкого металла, поры которой заполнены активным веществом, причем у первых активным веществом пропитывается заранее изготовленная губка, а у вторых губка спекается одновременно с активным веществом.

Губка изготовляется из порошкообразных тугоплавких металлов или их смесей (сплавов); иногда в губку вводят и не тугоплавкие металлы, необходимые для активирования катода. Наиболее часто употребляют для изготовления губок тугоплавкие металлы - вольфрам, рений, молибден и др [17-21].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пью Мьинт Вей, 2015 год

Литература

1. Коржавый А.П., Капустин В.И., Козьмин Г.В. Методы экспериментальной физики в избранных технологических защита природы и человека / Под ред. А.П. Коржавого. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012.352 с.

2. Физический энциклопедический словарь / Главн. редактор A.M. Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1984. С. 186-187.

3. Меерсон Г. А., Кипарисов С.С. Исследование композиции вольфрам-медь // Цветная металлургия. 1970. №1. С.35-41.

4. Сергеев B.C. Использование методов термического анализа для разработки высокотемпературных материалов: Автореф. дисс. ... канд.техн. наук. М., 2008. 16 с.

5. Фишер М.Р. Исследование процессов тепло- и массопереноса на поверхности спеченных электродов в ртутных дуговых лампах высокого давления: Автореф. дисс. ... канд.физ.-мат.наук. М., 2009. 16 с.

6. Белова И.К. Некоторые закономерности теплофизических и эмиссионных процессов в сильноточных малоинерционных термокатодах: Автореф. дисс. ... канд.физ.-мат.наук. М., 2003. 16 с.

7. Хабибулин Р.И. Разработка особо долговечных электродов высокоинтенсивных газоразрядных источников света: Автореф. дисс.... канд. техн.наук. М., 2005. 16 с.

8. Тай A.B. Физико-технологические основы разработки термоэмиссионных электродов для натриевых ламп высокого давления: Автореф. дисс.... канд.техн.наук. М., 2013. 16 с.

9. Прасицкий В.В., Тай A.B., Пчелинцева Н.И. Техника получения исследования спеченных электродов для разрядных осветительных ламп высокого давления // Наукоёмкие технологии. 2013. Т. 14, №7. С.65-70.

10. Тай A.B. Исследования возможности повышения долговечностей спеченных электродов газоразрядных ламп // Наукоёмкие технологии в

приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Материалы региональной научно-технической конференции. М., 2013. С. 100101.

11. Кристя В.И., Прасицкий В.В., Тай A.B. Влияние разрядного режима на температуру электродов дуговых осветительных ламп // Тезисы докладов XL Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М., 2010. С. 193.

12. Матвеев A.C., Инюхин М.В., Тай A.B. Технологические аспекты получения нанокомпозиционных материалов на основе вольфрама //Наноинженерия 2010: Сборник трудов третьей Всероссийской Школы -семинара студентов, аспирантов и молодых ученых. М., 2010. С.80-84.

13. Sputtered material transport under thin films deposition in alternating current gas discharge / G.G. Bondarenko [et al.] // New materials and Technologies: Proceedings of the sixth Sino-Russian international Symposium, Beijing (China), 2001. P.410.

14. Кристя В.И. Расчет максимальной температура электрода дуговой осветительной лампы при различном расположении катодного пятна разряда на его поверхности // Наукоёмкие технологии. 2014. Т. 15, № 10. С. 3-7.

15. Физико-химические особенности «скандатных» катодных материалов / И.П. Ли [и др.] // Наукоёмкие технологии. 2014. T.I5, № 11. С. 40-50.

16. Эмиссионный спектральный анализ в технологических процессах радиоэлектроники / Е.В. Сухов [и др.] // Наукоёмкие технологии. 2012. Т. 13, №10. С. 53-57.

17. Физические основы и технологические особенности получения мелкодисперсных порошков высокой чистоты / JI.H. Король [и др.] // Наукоёмкие технологии. 2010. Т. 11, №11. С. 15-17.

18. Федосеев И.В., Коржавый А.П., Марамыгин К.В. Образование алмазов и других чужеродных фаз при деструкции карбонильных кластеров палладия // Журнал неорганической химии. 2013. Т.58, №12. С. 1186-1188.

19. Попов В.А., Кобелев А.Г., Чернышев В.Н. Нанопорошки в производстве композитов. М.: Изд-во интернет инжиниринг, 2007. С.88.

20. Новые технологии получения высокодисперсных порошков для композиционных изделий электронной компонентной базы / К.А. Амеличева [и др.] // Наукоёмкие технологии. 2014. Т. 15, №8. С. 38-42.

21. Пью Мьинт Вей. Синтерированный электрод для люминесцентной лампы // Наукоёмкие технологии. 2014. Т.15, №10. С.31-36.

22. Пью Мьинт Вей, Прасицкий Г.В. Разработка способа изготовления вольфрамо-медного псевдосплава // Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. Т.З. С. 132-133.

23. Прасицкий В.В. Научно-технологические аспекты производства композиционных материалов для теплоотводящих и конструкционных элементов полупроводниковой и вакуумной техники // Наукоёмкие технологии. 2014. Т.15, №10. С. 16-20.

24. Тихий Г.А. Структура, свойства и технология получения тугоплавких псевдосплавов W-Ni-Fe и Mo-Cu при использовании механоактивированной порошковой шихты: Автореф. дисс. ... канд.техн. наук. Самара, 2001. С.20.

25. Исследование по использованию спеченных катодов в газоразрядных лампах: Отчет по НИР 26/79 / МЭИ. Рук. темы С.П. Решенов. Гос. per. № 79021403. M., 1980. С. 194.

26. Колпаков А. SKiiP-интеллектуальные силовые модули IGBT фирмы Semikron // Компоненты и Технологии. 2003. №1.

27. Сикьорелли Р. Композиционные материалы //Композиционные материалы с металлической матрицей: Пер. с англ. / Под ред. К. Крейдера. М.: Машиностроение, 1978. Т.4. С. 237-276.

28. Раховский В. И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. М.: Наука, 1970. С. 536.

29. Способ спекания молибдена с медью: а.с. 676016. Заявл. 7.10.77.

30. Крушинский А.Н. Спекание изделий из металлических порошков. М.: Металлургия, 1979. С. 48.

31. Цукерман С.А. Порошковая металлургия. М.: Изд. АН СССР, 1958. С. 99.

32. Цукерман С.А. Порошковые и композиционные материалы. М.: Наука, 1976. С. 47.

33. Либенсон Г. А. Производство спеченных изделий. М.: Металлургия, 1982. С. 114-115.

34. Способ получения порошков и устройство для его осуществления: а.с. 7000 СССР / Б.Р. Лазаренко, Н.И. Лазаренко. Открытия. Изобретения. 1964. № 22. С. 120.

35. Фотеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980. С. 183.

36. Фоминский Л.П., ГорожанкинЭ.В., Шишханов Т.С. Байрамов Р.К. Установка для получения порошков электроэрозионным способом. // A.c. СССР №.956153 07.05.82. (с приоритетом от 24.06.80.).

37. Poech M., Dr. Eisele R. Modelling behaviour of large area solder joints // PCIM Europe. 2000. №8/9.

38. Exel K., Haberl P., Maier P. Ready for Take-Off DBS on A1N for Power Semiconductors // PCIM Europe. 1999. №11.

39. Reliability of power modules for mobile applications / K. Olesen [et al.] //PCIM Europe. 2002.№10.

40. Исламгазина Л.Р., Валев C.H., Шульц-Хардер Ю. Критерии выбора подложек для силовых модулей // Компоненты технологии. 2004. №3.

41. Panzer С., Hierholzer M., Dr.Bayerer R. Power Semiconductor modules for automotive applications // PCIM Europe. 2002. № 6.

42. Исламгазина JI. Технологические методы повышения надежности силовых модулей // Технологии в электронной промышленности. 2005. №2.

43. Hagenhoff D., Passe Т. Fast mounting systems of low power IGBT modules // PCIM Europe. 2002. №10.

44. Левинский Ю.В., Портной К.И., Двойникова Л.В. и др. В кн.: Композиционные металлические материалы: Труды научно-технической конференции / ВНИИАМ. М.: ОНТИ ВНИИАМ, 1972. С. 198221.

45. Лыков A.B. Явление переноса в капиллярно-пористых телах. М.: Гостехиздат, 1954. 296 с.

46. Магусевич A.C. Композиционные материалы на металлической основе. Минск: Наука и техника, 1978. 216 с.

47. Механ Р.Л., Нун М.Дж., В кн.: Композиционные материалы. Т.4: Композиционные материалы с металлической матрицей: Пер. с англ. / Под ред. К. Крейдера. М-: Машиностроение, 1978. С. 165-235.

48. Найдич Ю.В. Контактные явления в металлических расплавах. Киев: Наукова думка, 1972. 196 с.

49. Найдич Ю.В., Колесниченко Г.Л., Лавриненко H.A. Пайка и металлизация сверхтвердых инструментальных материалов. Киев: Наукова думка, 1977. 187 с.

50. Петрунин И.Е. Физико-химические процессы при пайке. М.: Высшая шкала, 1977. 280 с.

51. Петтибоун Р.Л. Новое в порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1970. 356 с.

52. Портной К.И., Богданов В.И., Фуке Ц.Л. Расчет взаимодействия и стабильности фаз. М.: Металлургия, 1981. 248 с.

53. Портной К.И., Туманов А.Р. Структура и свойства жаропрочных металлических материалов. М.: Наука, 1970. 347 с.

54. Рябинина О.Н., Райченко AM., Пушкарев В.В. // Порошковая металлургия. 1982. № 3. С. 26-28.

55. Свойства конструкционных материалов на основе углерода: Справочник / Под. ред. B.J1. Соседова. М.: Металлургия, 1975. 336 с.

56. Соколовская Е.М., Гузей JI.C. Физикохимия композиционных материалов. М.: Изд-во МГУ, 1978. 255 с.

57. Структура и свойства композиционных материалов / К.И. Портной [и др.]. М.: Машиностроение, 1979. 255 с.

58. Тищенкова Е.Ф., Круглов С.Н. Новые сплавы и методы упрочнения деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. 253 с.

59. Шоршоров М.Х., Колпашников А .Я., Костиков В.И. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей. М.: Машиностроение, 1981.272 с.

60. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. М.: Металлургия, 1986. 208 с.

61. Амосов В.М., Карелин Б.А., Кубышкин В.В. Электродные материалы на основе тугоплавких металлов. М.: Металлургия, 1976. 224 с.

62. Стаханов И.П., Черковец В.Е. Функция распределения электронов и заселенность возбужденных состояний атомов в прикатодной области низковольтной дуги//ЖТФ. 1971. Т. 41, вып. 7. С. 1400-1409.

63. Кесаев И.П. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука, 1968.244 с.

64. Грановский В.И. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971. 544 с.

65. Зимин A.M., Козлов Н.П., Хвесюк В.И. Теоретические исследования термоэмиссионных катодов // Приэлектродные процессы и эрозия электродов плазмотронов. Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1977. -С. 7-40.

66. Зимин A.M., Козлов Н.П., Хвесюк В.И. К расчету термоэмиссионного катода // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. 1979. № 8. С. 17-24.

67. Эккер Г. Современное развитие теории приэлектродных областей электрической дуги // ТВТ. 1973. Т. 11, № 4. С. 865-870.

68. Об оптимизации термокатода дугового разряда / A.M. Зимин [и др.] //ТВТ. 1982. Т. 20, №3. С. 442-446.

69. Hantzsche Е. Theory of cathode spot phenomena // Physica. 1981. Bd. Be. 104. Hf. 1—2. S. 3-16.

70. Langsdone E.A. Sintered elektrode tube combines best features of hot and cold cathode lighting // Elektrical Times. 1971. № 159. P. 55-56.

71. Delcroix I.L., Trindade A.R. Hollow Cathode Arcs // Advances in i Electronics and Electron Physics. 1974. Vol. 35. P. 87-100.

72. Физические исследования дугового полого катода / Г.А. Дюжев [и др.]. М.: ФТИ, 1978.58 с.

73. Ferreira С.М., Delcroix I.L. Theorie de la decharge d'arc a cathode craise // Le Journal de Physique. 1975. Vol. 36, № 12. P. 1233-1248.

74. Ferreira C.M., Delcroix I.L. Theory of the hollow cathode arc //Journal of Applied Physics. 1978. Vol. 49. P. 2380-2395.

75. Baksnt F.G., Rybakov A.B. Arc theory for a hollow cathode discharge in a fully ionized dense plasma // Proc. 13-th ICPIQ. Berlin, 1977. P. 319-320.

76. Плешивцев H.B. Катодное распыление. M.: Атомиздат, 1968. 347 с.

77. Финкельбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. М.: ИЛ, 1961. 396 с.

78. Шумейко В.В. Разработка технологии получения и исследование свойств электродных материалов на основе вольфрама для интенсивных источников света: Автореф. дисс. ... канд.тех.наук. М., 2006. 16 с.

79. Бутаева Ф.А., Решенов С.П., Рыбалов С.Л. Синтерированный катод в люминесцентной лампе // Светотехника. 1978. № 9. С. 10-11.

80. Решенов С.П., Рыбалов С.Л. Спиральные электроды с режимом полого катода // Состояние разработок и производства газоразрядных

источников света: Тез. докл. Всесоюзного научно-технического совещания. Полтава, 1982. С. 12-14.

81. Langsdone Е.А. Sintered electrode tube combines best feature of hot and cold cathode lighting // Electrical Times. 1971. № 159. P. 55-56.

82. Решенов С.П. Катодные процессы в дуговом разряде, разработка методов расчета и конструирование электродов газоразрядных источников излучения: Дисс.... док.техн.наук. М., 1984. 366 с.

83. Спеченные материалы для электротехники и электроники: Справочник / Под ред. Г.Г. Гнесина. М.: Металлургия, 1981. 344 с.

84. Иванов A.C. Новейшие разработки в области обработки воды УФ излучением // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2013. №3/7(67). С. 68-71.