Повышение термических и механических характеристик ферритометаллических узлов электровакуумных приборов

Современное развитие сверхвысокочастотной (СВЧ) техники постоянно расширяет потребности в использовании ферритовых материалов, обладающих уникальным сочетанием магнитных и диэлектрических свойств.

В различных устройствах радиоэлектроники широко используются фер-ритовые устройства, такие как вентили, циркуляторы, фазовращатели и т. д. Обычно ферритовые устройства, являющиеся пассивными элементами, изготавливаются и испытываются отдельно от активных электровакуумных приборов СВЧ (генераторов или усилителей Ои М-типов), в которых они могут применяться.

Наиболее существенный вклад в проектирование и исследование ферритовых приборов СВЧ диапазона внесли: Б. М. Лебедь, Ю. Н. Афанасьев, Н. Д. Урсуляк, М. В. Вамберский, Ю. М. Яковлев, В. Н. Богомолов, A.A. Димитрюк, P.A. Семенов, Э. И. Меркин, В. И. Казанцев.

В последние годы в практике конструирования таких приборов заметен переход к так называемым «комплексированным изделиям» — устройствам, в которых ферритовые узлы являются неотъемлемой частью металлического корпуса активного прибора. Для крепления ферритовых узлов (как правило, выполненных из феррогранатов и феррошпинелей) с корпусом могут использоваться технологии склеивания, низкои высокотемпературной пайки и диффузионного соединения.

При выборе того или иного способа соединения феррита с металлом необходимо прежде всего обеспечить сохранность свойств феррита при высокотемпературном режиме откачки ЭВП, а также требуемую теплопроводность ферритового узла и прочность его крепления на корпусе прибора при последующей эксплуатации. Для этих целей наиболее подходит диффузионный способ соединения ферритометаллических узлов (ФМУ), так как клейка и пайка не всегда могут обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики изделий из-за коррозии и процессов старения материалов.

Наиболее существенны^ вклад в разработку технологии диффузионных методов соединения ФМУ применительно к приборам СВЧ внесли: Г. В. Ко-нюшков, В. А. Неганов, Н. М. Котина, Е. А. Томильцев, О. Ю. Жевалев.

Вследствие сложности разнообразных физико-механических процессов, протекающих при диффузионном соединении, требуется разработка обобщенного технологического процесса с учетом большого числа влияющих факторов, включая типоразмер и марку феррита. Очевидно, что только экспериментальным путем решить эту проблему невозможно. Поэтому при создании комплек-сированных приборов СВЧ с ФМУ важную роль приобретают компьютерные методы моделирования процесса диффузионного соединения.

В настоящее время развитие компьютерной техники и комплексного программного обеспечения (пакеты МаЛсаё, МайаЬ, АшуБ, 8оНс1? огк8 и т. д.) с использованием относительно новых методов искусственного интеллекта — нейронных сетей позволяют создавать различные расчетные модели сложных технических объектов, в том числе и модели технологических процессов. Однако для моделирования процесса диффузионного соединения такие методы пока не использовались, а сами модели физико-химических процессов носили качественный характер. Разработка более совершенных математических моделей и оптимизация параметров технологического процесса на основе метода нейронных сетей позволит определять для него оптимальные режимы и параметры, а его реализация на практике обеспечит повышение термических и механических характеристик ферритометаллических узлов электровакуумных приборов.

Работа выполнена в лаборатории «Вакуумно-сварочной техники» кафедры «Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета им. Ю. А. Гагарина в соответствии с научно-технической программой на 2009;2011 г. г. по проблеме 24 В.01 «Решение технологических проблем электроники и наноэлектроники».

Целью работы является совершенствование технологии диффузионного соединения ферритов с металлами для повышения термических и механических характеристик ФМУ электровакуумных приборов на основе нейросетевого моделирования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

— проанализировать использование ферритовых материалов и методы изготовления ФМУ для электровакуумных приборов;

— исследовать температурные интервалы стабильности химического состава феррогранатов и феррошпинелей при их нагреве в вакууме на основе термодинамического анализа равновесного давления кислорода;

— исследовать зависимость прочностных свойств ферритов от их размеров на основе статистической модели Вейбулла;

— исследовать теплопроводность конструкций ФМУ, выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, при значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала, соответствующей максимально допустимой температуре эксплуатации 120-ь250°С;

— разработать математическую нейросетевую модель технологического процесса диффузионного соединения ФМУ, учитывающую влияние большого числа факторов, включая типоразмеры ферритовых деталей, на прочностные свойства;

— исследовать с помощью разработанных математических моделей физико-химические особенности процессов диффузионного соединения ФМУ в вакууме при разных температурах для основных марок ферритов;

— определить оптимальные режимы, обеспечивающие для феррогранатов и феррошпинелей получение соединений с требуемыми характеристиками;

— провести совместно с разработчиками приборов СВЧ испытания конструкций ФМУ для ЭВП на термоциклические, вибрационные, динамические нагрузки, а также выходных параметров ЛБВМ со встроенными ФМУ.

Методы и средства исследований.

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием дифференциальных уравнений теплопроводности, термодинамического анализа изменения энергии Гиббса для химических реакций образования моноферритов, уравнений вакуумной техники, статистической модели Вейбулла, нейросетево-го моделирования, уравнений регрессии для определения прочности диффузионного соединения феррогранатов, компьютерного программного обеспечения (МаШсас! и 8оНс1Уогк8).

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Максимально допустимые температуры нагрева ферритов в вакууме без возникновения необратимых изменений их химического состава должны находиться в следующих пределах: для феррогранатов до 1436°Сдля никелевой феррошпинели — до 1042°Сдля магниевой феррошпинели до 863 °C;

2. Разработанная нейросетевая модель диффузионного соединения ферро-граната 30СЧ6 с медью МОб адекватно отражает физико-химические процессы диффузионного соединения и позволяет определять значения технологических параметров требуемых для получения прочных (тсдв, 20(Н650 кПа) ферритоме-таллических узлов с объемом ферритовых деталей от 0,3 до 2,5 см .

3. Технологические параметры: Т=1005°СР=1,7−104 кПа- 1=16,4 минскорость остывания ФМУ — Уос=0,2 °С/с, обеспечивают получение прочных диффузионных соединений гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью МОб для ферритовых деталей с объемом 0,3 см .

Научная новизна работы:

1.Определены температурные интервалы стабильности химического (фао зового) состава феррогранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме 1−10″ Па. Для феррогранатов — до 1436 °C. Для никелевой феррошпинели — до 1042 °C. Для магниевой феррошпинели — до 863 °C.

2. Установлено, что в контакте феррошпинель-медь при нагреве в вакуул, А ме 10 Па в интервале температур 900ч-1000 С образуется оксид Си20 за счет выделения кислорода из объема феррита, который определяет прочностные свойства диффузионного соединения указанных материалов.

3. Аналитические модели теплопроводности ФМУ, выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, позволяют определить максимальные температуры их нагрева при заданных значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала.

20−30 Вт/см) в зависимости от толщины ферритовых деталей. Показано, что теплопроводность диффузионных соединений на 8−12% больше по сравнению с клеевыми соединениями.

4. Впервые разработана нейросетевая модель технологического процесса диффузионного соединения феррогранатов с медью, учитывающая размеры ферритов на основе статистической модели Вейбулла, и обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 200−650 кПа.

5. Найдены оптимальные режимы процесса диффузионного соединения гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью, обеспечивающие высокое качество соединения ФМУ.

6. Найдены новые конструктивные решения технологической оснастки требуемой для выполнения диффузионных соединений ФМУ, позволяющие сократить градиент температур на ферритовых деталях с 19−35 до 5−10 °С, что повышает скорость остывания с 0,08 до 0,12°С/с и сокращает операционное время на 1,2 часа (23%).

Практическая значимость:

• Разработаны и изготовлены ФМУ на основе феррогранатов марок ЗОСЧЗ, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 и гексаферрита марки 03СЧФ2В1. Оптимизирована конструкция многоместной технологической оснастки, позволяющая сократить операционное время выполнения диффузионного соединения на 23%.

• Разработана инженерная методика определения технологических параметров диффузионного соединения феррогранатов с медью на основе нейро-сетевых моделей.

• С помощью разработанного техпроцесса в НИИ «Алмаз» была создана исгштамяшшрная шерраяе нощ^внширанцнояошоф^ШЗМдщз^^е^ЁМо диапазона с ферритовым вентилем, встроенным в узел замедляющей системы прибора, результаты испытаний ЛБВМ приведены в актах внедрения.

• Разработанные режимы диффузионных соединений феррогранатов ЗОСЧЗ, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 с медью МОб используются в ЗАО НПК «Феррит-Квазар» при изготовлении ферритовых приборов.

• Материалы исследований внедрены в учебный процесс в виде материалов лекций и методических указаний к лабораторным работам по дисциплинам: «Материалы и элементы электронной техники» и «Технология материалов и изделий электронной техники», «Оборудование производства электронной техники».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

На основании выполненных исследований решена актуальная научная задача, заключающаяся в разработке технологии диффузионного соединения феррогранатов с медью для широкого диапазона размеров ферритовых деталей, которые могут использоваться в ферритовых и электровакуумных приборах.

1. Определены температурные интервалы стабильности химического (фал зового) состава феррогранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме 1−10″ Па. Для феррогранатов — до 1436 °C. Для никелевой феррошпинели — до 1042 °C. Для магниевой феррошпинели — до 863 °C.

2. Установлено, что в контакте феррошпинель-медь при нагреве в вакууо П ме 10 Па в интервале температур 900ч-1000 С образуется оксид — Си20 за счет выделения кислорода из объема феррита, который определяет прочностные свойства диффузионного соединения указанных материалов.

3. Учитывая выявленные особенности поведения феррошпинелей в условиях нагрева в вакууме, они не могут использоваться для изготовления ФМУ электровакуумных приборов.

4. Разработаны аналитические модели теплопроводности ФМУ выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, которые позволяют определить максимальные температуры их нагрева при заданных значениях поо глощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала (20+30 Вт/см-5) в зависимости от толщины ферритовых деталей, а также показать, что теплопроводность диффузионных соединений на 8+12% больше по сравнению с клеевыми соединениями;

5. Впервые разработана нейросетевая модель технологического процесса диффузионного соединения феррогранатов с медью, учитывающая размеры ферритов на основе статистической модели Вейбулла и обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 200+650 кПа;

6. Изготовлены экспериментальные образцы диффузионных соединений гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью, при значениях технологических параметров (Т=1005°СР=1,7−104 кПа- 1=16,4 минобъем ферритовых л деталей — 0,3 см — скорость остывания ФМУ — Уос=0,2 °С/с), выбор которых осуществлен по разработанной нейросетевой модели для феррогранатов.

7. Методами численного моделирования (программный пакет БоНсП^огкз) исследованы конструкции технологической оснастки для выполнения диффузионных соединений ФМУ, найдены конструктивные решения позволяющие сократить градиент температур на ферритовых деталях с 19-^3 5 °C до 5¹⁰°С, что позволяет повысить скорость остывания с 0,08°С/с до 0,12°С/с и сократить операционное время на 1,2 часа (23%).

8. Изготовлена и испытана первая в стране мощная широкополосная ЛБВМ дециметрового диапазона с ферритовым вентилем, встроенным в узел замедляющей системы в НИИ «Алмаз», результаты испытания прибора изготовителем приведены в актах внедрения.

9. Разработанные технологии диффузионных соединений феррогранатов, ЗОСЧЗ, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 с медью МОб используются в ЗАО НПК «Феррит-Квазар» при изготовлении ферритовых приборов.