книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Я.ТПо

¥ г ~

Рис. 7.25. Зависимость микротвердос­ ти Я сварного шва от глубины Л«:

1 - соединяемые детали; 2 - сварной шов

С целью объяснения этого обстоятельства были проведе­ ны исследования микротвердости сварных швов, по величине которой можно судить о прочностных характеристиках шва. Микротвердость оценивалась по методу Виккерса по глубине сварного шва с шагом 0,1 мм. Зависимость твердости сварно­ го шва от глубины приведена на рис. 7.25. Из анализа рисунка следует, что:

-величина микротвердости всех измеренных точек по глубине шва превышает микротвердость основного металла

-сплава АМг-2 (Я ~ 0,5ГПа), о чем свидетельствует обра­ зование твердого раствора никеля в алюминии-,

-происходит уменьшение микротвердости по глубине сварного шва, что свидетельствует об уменьшении содержа­ ния никеля.

Исследование структуры шлифов также показало нали­ чие в нижней части шва в отдельных образцах областей с ано­ мально высоким показателем микротвердости. Можно пред­ положить наличие в этом случае интерметаллических соеди­

нений NiAl3, которые существуют в виде отдельных сфериче­ ских включений, не оказывающих влияния на хрупкость шва.

Вакуумная плотность сварных швов, непосредственно определяющая герметичность корпуса изделия СВЧ, опреде­ ляется размером и количеством сквозных пор.

Причинами возникновения пор являются газы, выделяю­ щиеся из быстрокристаллизующейся сварочной ванны, в том числе газы, образующиеся из покрытия, растворенный в жид­ ком металле водород, наличие загрязнений на свариваемой

кромке и пр.

На процесс образования пор существенное влияние оказы­ вает состав атмосферы, в которой находится расплавленный

металл.

Как известно, при сварке плавлением, в том числе и ла­ зерной, зону расплава необходимо защитить от окружающей среды. Обычно для этих целей применяют аргон. Проведен­ ные экспериментальные работы с аргоном и гелием в качестве защитного газа позволили установить эффективность приме­

нения последнего.

Применение гелия существенно снижает размер пор, спо­ собствует повышению стабильности процесса сварки, очевид­ но, за счет повышения температуры сварочной ванны и уве­

личения скорости ее дегазации.

Проверка корпусов из алюминиевого сплава АМг-2, за­ герметизированных лазерной сваркой в атмосфере аргона и гелия, дала следующие результаты при оценке масс-спектро- метрическим способом: натекание составило (2,66...3,99) X

Лазерная сварка обеспечивает также минимальный на­ грев корпуса. На рис. 7.26 приведены графики изменения тем­ пературы от времени в отдельных точках сварного шва, со­ единяющего корпус и крышку в процессе лазерной сварки. Из

Рис. 7.26. Графики распределения температуры t по вре­

мени г в процессе сварки корпуса и крышки из спла­ ва АМг-2 (мощность луча 3,5 Дж; скорость движения' 56 мм/мин; защитная атмосфера —аргон; общая длина шва 65 мм):

расстояние от края 6,5 (1); 22,5 (2); 38,5 (5); 54,5 (4) и 61 (5) мм

анализа кривых следует, что на характер изменения темпе­ ратуры в каждой точке оказывает влияние тепло, выделяе­ мое в процессе сварки, и тепло, передаваемое от соседних то­ чек. Наибольшая температура отмечена в последней (край­ ней) точке по ходу движения луча. Это явление может быть связано с “добавлением” тепла, отраженного от крайней кром­ ки корпуса. Характер изменения температуры будет зависеть от энергии облучения, скорости движения луча и конструкции корпуса. В целом при лазерной сварке корпусов из алюминие­ вого сплава АМг-2 с энергией облучения до 8 Лж температура вблизи зоны сварки не превышала 40.. .50°С .

Микроплазменная сварка - еще один способ сварки, обес­ печивающий требования герметичного соединения корпус - крышка, изготовленных из титана.

Процесс герметизации микроплазменной сваркой осуще­ ствляется в герметичной камере 1 (рис. 7.27, а), в которой име­ ется плазмообразующая горелка 2 и технологическая оснастка со свариваемыми корпусами 3; внутрь камеры подается плаз­ мообразующий газ - аргон, а также защитный газ - гелий. Принцип образования плазменной струи состоит в следующем.

Рис. 7.27. Схема установки (а) и конструкция плазменной горелки (б) для герметизации корпусов МЭИ СВЧ микроплазыенной сваркой

1 - вакуумная камера; 2 - плазмообразующая горелка; 3 - приспосо­ бленке с корпусами; 4 - средства откачки газов; 5 - наружное сопло; 6 - внутреннее сопло; 7 - расходуемый электрод; 8 - кольцеобразный

ханал

Первоначально возбуждается малоамперная “дежурная” дуга за счет подачи напряжения между электродом 7 (рис. 7.27, б) и соплом 6. Э та дуга горит все время при подаче в сопло плазмообразуюшего газа аргона.

При подведении плазмотрона к свариваемым изделиям 3 “дежурная” дуга переходит на изделие - образуется плазмен­ ная струя, направленная на свариваемые детали. В резуль­ тате высокой температуры в струе, достигающей ~ 16000 °С, в зоне сварки происходит расплавление металла. Для пре­ дотвращения окисления в зону сварки по кольцевому каналу 8 подается защитный газ гелий. Его роль также сводится к охлаждению наружных областей плазмы и сжатию струи плазмы, внутреннее сопло 6 охлаждается проточной водой.

В процессе работы плазмотрона осуществляется относи­ тельное перемещение группы корпусов, тем самым образует­ ся шов требуемой длины. После сварки корпуса и крышки с

Рис. 7.28. Конструкции кромок основания корпуса и крышки, используемые при герметизации МЭИ СВЧ:

а- под пайку с использованием индивидуального паяльника;

б- под пайку ИК-нагревом; в - под лазерную сварку; г - под микроплазменную сварку; 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - резиновая прокладка; 4 ~ проволока; 5 - припой; 6 - сварной шов

одной стороны осуществляют их поворот и производят свар­ ку с другой стороны. В процессе сварки в камере поддер­ живается избыточное давление смеси аргона и гелия пример­ но (0,6 ... 1,0) • 105 Па. Попадая внутрь корпусов в процессе сварки, гелий служит также в качестве индикатора при по­ следующей проверке герметичности.

Основные типы конструкций вакуум-плотных швов осно­ вания корпуса и крышки приведены на рис. 7.28.

Характеристики способов герметизации корпусов приве­ дены в табл. 7.6.

П роверка герм ети чн ости является заключительной и ответственной операцией в производстве устройств и модулей СВЧ. Методы проверки герметичности должны быть эконо­ мичными, быстродействующими и пригодными для серийного и массового производства изделий.

Техника проверки герметичности должна позволить об­ наруживать как относительно грубые течи в корпусах, так и весьма малые, гарантируя невозможность проникновения внутрь негерметичных корпусов вредных загрязнений, спо­ собных вызвать коррозию, а также невозможность закупор­ ки течей при испытании на герметичность возгоняющимися, высыхающими и другими веществами.

Проверку герметичности устройств СВЧ проводят дваж­ ды. Первый раз, когда изготовлен корпус и в него установле­ ны СВЧ-соединители и низкочастотные вводы. И второй раз, когда проведена настройка прибора, оценка его работоспособ­ ности и приварена или припаяна крышка к корпусу.

Среди многочисленных методов проверки герметичности устройств СВЧ нашли широкое применение масс-спектромет- рический и пузырьковый.

Масс-спектрометрический метод позволяет с большой точностью определить величину утечки газа; он требует

применения масс-спектрометрических газовых анализаторов

(до 5 • 10“ 13 м3 • Па/с) и способность определять самые малые неплотности в местах установки СВЧ-соединителей, штенгеля и крышки.

Применяя этот метод, изделие 2 (рис. 7.29, а) помещают в вакуумную камеру 1 и производят откачку из нее воздуха при помощи средств 4\ затем в изделие вводят индикатор­ ный газ ИГ или смесь газов под давлением. При наличии неплотностей в корпусе ИГ выходит в камеру и регистриру­ ется масс-спектрометром 5. При другой разновидности массспектрометрического метода (рис. 7.29, б) изделие 2 помеща­ ют в камеру i, заполненную атмосферным воздухом, затем в него подают под давлением ИГ; спустя некоторое время реги­ стрируют утечку газа в камеру масс-спектрометром 4•

Способ опрессовки (рис. 7.29, б) предусматривает уста­ новку изделия 2 в камеру 1 и соединение его с масс-спект­ рометром 5, который при наличии неплотностей в корпусе из­ делия регистрирует ИГ, введенный в камеру.

Применяя способ обдува (рис. 7.29, г), изделие 5, под­ ключенное к масс-спектрометру 5, вакуумируют и обдувают ИГ из пистолета 6. Прошедший внутрь корпуса изделия ИГ регистрируется.

Способ оценки степени герметичности с предваритель­ ной опрессовкой изделия состоит из двух этапов: собствен­ но опрессовки в атмосфере ИГ в камере 1 (рис. 7.29, д), в ре­ зультате чего ИГ через неплотности попадает внутрь корпуса изделия, и оценки степени герметичности изделия в другой камере (рис. 7.29, е).

Масс-спектрометрический метод является достаточно трудоемким, требует применения индикаторных газов, напри­ мер гелия. Применение его является неоправданным, если установленная в технической документации величина натека­ ния значительно больше его чувствительности, то есть соста­ вляет более 10“ 7 м3 • Па/с, как это имеет место для крупнога­ баритных устройств СВЧ.

Рис. 7.29. Схемы проверки герметичности М Э И С ВЧ массспектрометрическими (а - е) и пузырьковыми (ж , з) способа­ ми:

а - с использованием вакуумной камеры; б - способ накопления при атмосферном давлении; в - способ опрессовки в камере; г - способ обдува; д, е - способ с предварительной опрессовкой; ж - компресси­ онный; з - вакуумный; 1 - камера; 2 - проверяемое изделие; 3 - массспектрометрический теченскатель; 4 - средства вакуумной откачки; 5 - система подачи индикаторного газа или смеси газов; б - устрой­ ство обдува газом; 7 - ванна; 5 - индикаторная жидкость; 9~ пузырьки

газа, выходящие из проверяемого изделия; ИГ - индикаторный газ