А.А. Кисурин ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ И СРЕДСТВ АВТОМАТИКИ Учебное пособие Воронеж 2009 3 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» А.А. Кисурин ТЕХНОЛОГИЯ ИГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ И СРЕДСТВ АВТОМАТИКИ Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Воронеж 2009 4 УДК 621.396.6 Кисурин. А.А. Технология изготовления изделий и средств автоматики: учеб. пособие / А.А. Кисурин. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 209. 491 с. Главное внимание в учебном пособии уделено таким вопросам, как основы проектирования технологических процессов: точность и надежность радиоаппаратуры; основы построения процессов сборки и технологии электромонтажных работ, а также защита деталей и узлов радиоаппаратуры от внешних условий. Уделяется внимание основам технологии микроминиатюризации радиоаппаратуры. Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям 220200 "Автоматизация и управление", 140600 "Электротехника, электромеханика, и электротехнологии", специальностям 220201 "Управление и информатика в технических системах", 140604 "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов" по дисциплине Конструирование и технология систем управлении, Табл. 5. Ил. 82. Библиогр.: 9 назв. Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.Л. Бурковский Рецензенты: кафедра электрификации сельского хозяйства Воронежского государственного аграрного университета им.К.Д.Глинки (зав.кафедрой канд. техн. наук, доц. В.В. Картавцев): канд. техн. наук, доц. Г.Д. Лившин Кисурин А.А., 2009 Оформление. ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2009 5 Учебное издание Кисурин Александр Андреевич ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ И СРЕДСТВ АВТОМАТИКИ В авторской редакции Компьютерный набор Е. М. Пономаревой Е. А. Мусановой. Подписано к изданию 21.01.2009. Уч._изд. л.27,0 ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" 394026 Воронеж, Московский просп., 14 6 ВВЕДЕНИЕ В российской и зарубежной литературе вопросам производства радиоаппаратуры уделяется серьезное внимание. Хотя конструкции радиоприборов, применяемых в различных отраслях народного хозяйства, весьма разнообразны, основные вопросы технологии производства радиоаппаратуры — вне зависимости от ее назначения и величины рабочих параметров — являются общими для большинства радиоприборов и могут быть систематизированы. Эти основные вопросы и служат предметом рассмотрения в данном пособии. При их изложении автор придерживался: - исторического подхода к процессам развития и совершенствования радиотехнической промышленности вообще и отдельных технологических процессов, конструкций деталей и узлов в частности, причем стремился поставить вопросы, требующие дальнейшего" изучения, и показать возможные прогрессивные методы их решения; - научного обобщения опыта, успехов и достижений отечественных заводов, производящих радиоаппаратуру, а также отдельных новаторов, инженерно-технических и научных работников; - типичных для современного уровня радиоприборостроения (а не предельных, особых) технических данных, материалов и цифр; - систематизации и классификации конструкций наиболее характерных и общих деталей и узлов радиоприборов, а также технологических процессов по технологическим признакам с анализом и указанием наиболее целесообразного решения; - систематического освещения экономической стороны технологических процессов, а также технологичности конструкций деталей и узлов изделий радиоаппаратуры; - систематического изложения основных сведений о материалах, из которых изготавляются детали и узлы радиоприборов. В частности, в книге уделено большое внимание таким общим, установившимся в теоретическом отношении вопросам, 7 характеризующим радиотехническое производство в целом, как основы и проектирования технологических процессов; анализ точности и надежности радиоаппаратуры; изготовление заготовок и изделий ИВ пластмасс и керамики; поверхностные металлические и неметаллические покрытия, а также химическая и электрохимическая обработка; защита деталей и узлов радиоаппаратуры путем пропитки, заливки и обволакивания; способы герметизации; общие основы построения технологических процессов сборки и технология электромонтажных работ; изготовление радиоаппаратуры с применением печатного монтажа. Должное внимание уделяется основам технологии микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Достаточное место занимает рассмотрение технологических процессов изготовления наиболее характерных и общих деталей и узлов, таких как магнитопроводы, обмотки, резисторы, конденсаторы. 8 1. ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАДИОАППАРАТУРЫ 1.1. Радиоаппарат как система, состоящая из элементов и узлов Для радиоэлектронной аппаратуры особенно характерны элементы, образующие электрическую схему. К ним относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и различные электронные приборы. Особенно многочисленны резисторы, конденсаторы и различные моточные изделия. Например, на одну лампу или другой электронный прибор в среднем приходится от 4 до 25 резисторов, от 2 до 15 конденсаторов и до 3—5 трансформаторов и других моточных элементов. Такие элементы называют радиодеталями или просто деталями. Электронные приборы — лампы, транзисторы и т. п. — также являются элементами схемы, но из-за их специфичности они обычно рассматриваются отдельно. Несколько соединенных вместе радиодеталей образуют узел. Узлы изготовляются независимо от других элементов радиоаппарата. При общей сборке радиоаппарата отдельные узлы предварительно соединяют в группы или блоки, из которых собирается изделие. Сборка группы является частью технологии сборки радиоаппарата. Все радиодетали, основные параметры которых, по замыслу конструктора, не должны изменяться в процессе работы радиоаппарата, целесообразно объединить в группу радиодеталей с постоянными электрическими параметрами — конденсаторы, резисторы и др. Для изменения параметров радиоаппарата при управлении им используются детали с переменными управляемым параметрами — конденсаторы переменной емкости, катушки переменной индуктивности, переменные рези горы, потенциометры и др. Радиотехнические устройства содержат большое количество разных контактов — неразъемных, разъемных, скользящих 9 и разрывных. Неразъемные контакты служат для постоянного соединения электрических элементов схемы; к ним относятся паяные, зажимные и сварные контакты, Если отдельные части или элементы радиоустройств должны периодически заменяться (электронные лампы, батареи питания и т. д.), то соединение цепей осуществляется с помощью разъемных контактов. Особую группу представляют собой скользящие контакты (токосъемники, плунжеры), которые, не разрывая цепи, непрерывно или время от времени изменяют свое взаимное расположение, При эксплуатации радиоустройства часто бывает необходимо производить замыкание и размыкание электрических цепей, находящихся под током. Для этого применяют разрывные контакты. В момент разрыва цепи образуется дуга или появляется искрение, в той или иной степени повреждающие поверхность контакта в результате электрической эрозии. Замыкание и размыкание разрывных контактов осуществляются с помощью специальных механизмов — переключателей, которые преобразуют простейшие движения руки оператора так, чтобы обесценит, нужную коммутацию контактов. Если процесс коммутации производится при помощи механической силы, например электромагнитов, то переключательные механизмы носят незнание реле или контакторов. И период становления радиотехнической промышленности детали и узлы изготовлялись на радиозаводах только для собственных нужд. Каждый завод изготовлял все необходимые ему конденсаторы, резисторы, ламповые панели и т. д. Это чрезвычайно усложняло структуру предприятий, которые превратились по существу в комбинаты с рядом разнообразных производств. Качество изготовляемых деталей и узлов ори таком методе производства было низко, а стоимость продукции высока. Почти в любом радиоаппарате, будь то приемник, передатчик или измерительный прибор, имеются узлы управления, которые в большинстве случаев представлены механизмами, преобразующими движения рук оператора в перемещение того или иного элемента конструкции, предназначенного закономерно изменять радиотехнические параметры аппарата. 10 Среди узлов управления радиоаппаратом — различных регуляторов громкости, чувствительности, избирательности, настройки на станцию и т. п. — с точки зрения механики можно выделить определенные простейшие механизмы, предназначенные координировать движение одной детали относительно другой, т.е. выполнять функции, обусловленные кинематической связью между этими деталями. К таким простейшим механизмам, широко распространенным в радиоаппаратуре, относятся направляющие для вращательного движения (например, в органах управления, конденсаторах переменной емкости), направляющие для поступательного движения (движки с токосъемником в полупеременных резисторах, плунжера в волноводах, салазки шасси), преобразователи движения, т. е. различные передачи (зубчатые, червячные и фрикционные). Все эти механизмы могут быть объединены в одну группу, характеризующуюся наличием кинематической связи между отдельными элементами, предназначенной для решения кинематических задач по координации перемещения одной детали относительно другой. К механизмам с динамическими связями относятся такие, в которых величина перемещения f элементов функционально связана с усилием Р, необходимым для этого перемещения: Р = F (f). Наиболее распространенными конструкциями такого типа являются различные пружинные механизмы. В некоторых пружинных механизмах, например в переключателе мгновенного действия, указанная зависимость задается требованиями получения необходимой скорости перемещения элемента конструкции. В других случаях пружинный механизм используется в качестве фиксатора движения и выполняет роль аккумулятора механической энергии, накапливаемой при относительно медленном перемещении ручки управления и реализуемой в относительно быстрое перемещение определенной части механизма. Такие механизмы имеют широкое применение и органах управления переключателей, в фиксаторах настройки и т. д. 11 В некоторых случаях применяются упругие колебательные системы, где пружины выполняют роль, аналогичную электрической емкости в колебательном контуре. Широко используются пружины и в контактных устройствах радиоаппаратов, где они создают необходимое контактное давление и движение контактов при коммутации цепей. Статическая связь (соединение) исключает возможность перемещения одной детали относительно другой при воздействии внешних сил. Это может быть выполнено только при условии равновесия действующих в системе сил. Отсюда следует, что при наличии внешних сил, действующих на систему связанных деталей, ей должны быть присущи внутренние силы, которые не только были бы достаточны для обеспечения неподвижного состояния системы, но и могли противодействовать воздействующим на нее внешним силам. С развитием радиотехники и радиопромышленности началась типизация важнейших деталей и узлов. Дальнейшим этапом явилась специализация заводов по производству радиодеталей, ограничение номенклатуры выпускаемых каждым предприятием изделий. В настоящее время большинство радиодеталей и узлов производится на специализированных предприятиях, откуда они поступают на сборочные заводы, где осуществляются монтаж, сборка, настройка и регулировка радиоаппаратов. Число цехов но изготовлению деталей и узлов на сборочных предприятиях постепенно уменьшается. Изготовление радиодеталей и узлов в большинстве случаев носит характер массового производства. В соответствии с этим наиболее характерной тенденцией современных технологических процессов является автоматизация большинства операций с последующим переходом к автоматическим линиям. 1.2. Общие условия эксплуатации, хранения и транспортировки радиоаппаратуры Вследствие широкого применения радиоаппаратуры условия ее эксплуатации весьма разнообразны. 12 Опыт эксплуатации радиоаппаратуры показал, что все многообразие внешних воздействий на радиоаппаратуру сводится к следующим трем видам: 1) климатические воздействия, связанные с состоянием атмосферы: ее температурой, влажностью, осадками, давлением, солнечной радиацией, запыленностью, примесями солей, паров, газов, радиоактивных веществ, зараженностью микробами; 2) температурные воздействия, вызываемые, например, внутренними или внешними источниками тепла; 3) механические воздействия, обусловленные силой тяжести, силами от постоянно действующих ускорений, силами инерции, возникающими при изменении скорости движения, силами, связанными с вибрацией от работы двигателей, силами, возникающими при ударах во время эксплуатации и транспортировки и, наконец, всевозможными комбинациями этих сил. Изучая эти воздействия в различных условиях, можно прийти к следующим основным положениям: 1. Почти все виды механических воздействий, встречающихся в условиях эксплуатации, имеют случайный характер, трудно поддающийся лабораторному воспроизведению и исследованию. Для получения сопоставимых данных при исследовании и испытаниях можно случайный характер механических воздействий привести к некоторому эквивалентному воздействию закономерного характера. 2. Известно, что усталость материалов, их износ и разрушение происходи! под влиянием периодических нагрузок (вибрации или ударов). При этом если механические напряжения уменьшить на 20%, то число колебаний, требующихся для разрушения материала, возрастет примерно в 8—10 раз. Отсюда следует, что разрушают или изнашивают конструкцию не длительно действующие малые напряжения, а большие, действующие кратковременно. 3. Изучение климатических воздействий показывает, что имеются определенные наиболее сильно действующие климатические факторы и их сочетания, которые и следует принимать во внимание. К ним относятся действие тепла и высокой влажно13 сти, переходы через критические точки выпадения росы и замерзания воды, действие весьма низких и высоких температур, низких давлений и т. д. 4. Любое воздействие (климатическое, механическое или температурное) оказывает на радиоаппаратуру и ее элементы влияние, которое условно можно разделить на дне части, а именно: на результат действия и на результат последействия. Обычно для радиоаппаратуры не создают особых условий хранения и транспортировки Нередко ее хранят в неотапливаемых складах, защищенных лишь от резких климатических воздействий и непосредственного проникновении дождя, росы и пыли. В некоторых случаях, например в экспедиционных условиях, радиоаппаратуру держат в чехлах или под брезентом, что защищает ее лини, от дождя и пыли. Для переносной аппаратуры условия эксплуатации обычно более жестки, чем условия храпении. Напротив, дли аппаратуры, работающей в комнатных условиях, например радиовещательной, телевизионной стационарной связи и т. д., условия хранения обычно бывают более жесткими, чем условия эксплуатации. Условия транспортировки радиоаппаратуры к месту эксплуатации могут быть весьма разнообразными: наряду с ручной переноской возможна перевозка на лошадях, автотранспортом, по железной дороге, на самолетах, по воде и т. д. При перевозках радиоаппаратуры удары в случае падения, тряска при езде по проселочным дорогам сказываются тем сильнее, чем хуже упакована аппаратура. При транспортировке по железной дороге влияют периодические удары колес вагона о стыки рельсов, сильные толчки в начале движения, при торможении и маневрах. Климатические условия при транспортировке изменяются быстрее, чем в стационарных условиях. Тяжело отражаются на радиоаппаратуре замерзание и последующее оттаивание попавшей в нее влаги, особенно если это происходит неоднократно. Такое воздействие может быть и при хранении аппаратуры в полевых условиях в осенние и весенние месяцы, т. е. в периоды, когда наблюдается большое количество переходов температуры через нуль при высокой относительной влажности атмосферы. 14 В ближайшем будущем условия эксплуатации, хранения и транспортировки радиоаппаратуры вряд ли заметно улучшатся. Поэтому вопрос о повышении эксплуатационной прочности и надежности аппаратуры продолжает сохранять свою актуальность. 1.3. Надежность радиоаппаратуры Отклонение значений параметров отдельных радиодеталей в конце срока службы радиоаппаратуры обычно в несколько раз превышает отклонение величин этих параметров в начале ее эксплуатации. Например, при одновременном воздействии окружающей среды и рабочих нагрузок на композиционные резисторы отклонение их сопротивления от номинального значения увеличивается от ±5 до ±20%. Такое изменение параметров приводит к существенному снижению точности выходных параметров аппаратуры и ухудшению ее надежности. Следовательно, надежность радиоаппаратуры в сложных условиях эксплуатации можно улучшить, повышая точность отдельных элементов. Надежность радиоаппаратуры зависит от количества и качества комплектующих деталей и узлов, от качества сборки и монтажа, от режима работы каждого элемента и от условий эксплуатации, Элементы аппаратуры, как правило, изготовляются по сложным технологическим процессам, поэтому сроки службы и параметры однотипных элементов неодинаковы. Отсюда следует, что степень надежности двух экземпляров одной и той же аппаратуры различна. Надежность радиоаппаратуры задается в процессе разработки и конструирования системы. Отсутствие количественной оценки надежности до начала разработки часто приводит к тому, что вопросам обеспечения надежности в процессе проектирования не уделяется должного внимания. В процессе изготовления опытного образца бывает трудно устранить недостатки, допущенные при его разработке, без существенных переделок уже изготовленной радиоаппарату15 ры. Поэтому при проектировании аппаратуры необходимо задавать количественные показатели надежности до начала проектирования аппаратуры. Наиболее эффективными способами повышения надежности являются упрощение системы, выбор наиболее надежных элементов принципиальной схемы, облегчение режимов работы элементов, прогнозирование отказов, резервирования и т. п. При проектировании изделия должна быть заложена определенная теоретическая надежность: в процессе его изготовления обеспечивается фактическая надежность каждого конкретного образца разработанной системы. После изготовления заданная надежность изделия должна поддерживаться на необходимом уровне правильной организацией эксплуатации. Для количественного определения надежности наиболее широко используется статистический метод. Теория вероятности и математическая статистика являются основными средствами исследования вопросов надежности. Теория вероятностей позволяет установить, взаимосвязь между большим числом переменных случайных величин, влияющих на надежность, и количественными характеристиками надежности. I! связи с этим многие понятия теории надежности связаны с понятиями, принятыми в теории вероятностей. Надежность можно выразить рядом количественных показателей, но ни один на них не является в полной мере удовлетворительным. Количественное определение надежности встречает ряд специфических трудностей: 1) на надежность элемента, прибора, системы влияет совокупность различных факторов, которые не всегда можно учесть; 2) экспериментальное определение количественных характеристик надежности изделия представляет собой сложную задачу. Определить надежность во много раз сложнее, чем определить, или измерить большинство других Технических Параметров аппаратуры. Аппаратура после испытаний на надежность часто оказывается непригодной к дальнейшему использованию 16 по назначению, Испытание аппаратуры на надежность связано с большой потерей времени; 3) до настоящего времени не уточнены способы определения конкретных количественных параметров надежности в той степени, как это сделано для других технических параметров аппаратуры — выходной мощности, чувствительности, точности и т. д. Перечисленные трудности количественного определения надежности привели к тому, что в настоящее время применяются различные критерии надежности, в частности: - вероятность исправной работы изделия в течение заданного времени; - интенсивность отказов; - среднее время исправной работы; - частота отказов аппаратуры; - среднее, время эксплуатации аппаратуры между двумя ремонтами. В качестве критериев надежности могут использоваться различные коэффициенты, характеризующие отдельные показатели аппаратуры: - отношение времени простоев, вызванных необходимостью устранения неисправностей, к общему времени работы аппаратуры; - отношение числа отказов аппаратуры из-за неисправностей элементов данного типа к общему числу отказов и ряд других коэффициентов. Критериями надежности могут быть, наконец, различные отношения действительной и расчетной характеристик работы аппаратуры. Подобного рода критерии можно с успехом использовать для оценки воздействия на надежность специфических условий эксплуатации. Количественная оценка надежности позволяет: - производить расчет надежности; - формулировать требования, предъявляемые к надежности вновь разрабатываемой аппаратуры; 17 - заранее рассчитывать срок службы аппаратуры, необходимое количество запасного имущества, плановое задание по уходу за аппаратурой, ее ремонту и т. д.; - рассчитывать количество аппаратуры и средств, необходимых для выполнении какой-либо задачи. Количественная характеристика надежности должна быть такой, чтобы: - можно было достаточно просто математически вычислить надежность аппаратуры и по величине характеристики судить о ее надежности, т. е. чтобы по мере увеличения или уменьшения надежности аппаратуры величина количественной характеристики монотонно увеличивалась или уменьшалась; - было использовано большинство факторов, влияющих на надежность работы аппаратуры; - получение данных для ее вычисления не представляло больших трудностей; - были использованы имеющиеся данные о надежности той или иной радиоаппаратуры. Проблема обеспечения надежности чрезвычайно широка: она охватывает все стадии зарождения, создания и эксплуатации аппаратуры. В обеспечении надежности участвует громадный коллектив, начиная от заказчиков, задающих технические условия, и кончая персоналом технического обслуживания. На надежность влияет не только качество применяемых элементов и деталей, но и техническая обоснованность их схемнорежимного применения. Стандартизация элементов и схем, качество отработки последних, технология производственных процессов, методика испытаний и отбраковки, доступность узлов и деталей для осмотра и ремонта, качество технической документации, контрольно-измерительная аппаратура, квалификация обслуживающего персонала, качество упаковки, комплектование запасным имуществом и т. д. — вот далеко не полный перечень вопросов, влияющих в конечном счете на надежность аппаратуры. В настоящее время пока еще отсутствуют обобщенные сведения о влиянии различных факторов технологических про18 цессов производства радиоаппаратуры на ее надежность. Однако целесообразно рассмотреть и эту сторону проблемы надежности, ознакомиться с различными методами производства и выяснить, какое влияние они могут оказать на работу радиоаппаратуры. К важнейшим производственно-технологическим факторам, снижающим надежность, относятся: - отсутствие должного входного контроля материалов и комплектующих изделий, поступающих от смежных предприятий; - нарушение сортности и неправильная замена материалов при изготовлении деталей; - установка на изделие элементов, длительно хранившихся без предварительной проверки. Это особенно относится к радиои электродеталям; - недостаточное внимание к чистоте оборудования, рабочего места, воздуха в рабочем помещении и т. д. Требование чистоты имеет особое значение при изготовлении и сборке точных деталей и устройств; - недостаточно тщательный контроль на отдельных операциях обработки и при выпуске готовой продукции; - нарушение технологии сборки и правил электрического монтажа, например припаиванию проводов к лепесткам ламповых панелей без предварительной установки шаблонов ламповых цоколей; - нарушение режима отдельных этапов технологических процессов, например пропитки, нанесения антикоррозионных покрытий и т. д. Для повышения надежности изделий необходимо в первую очередь: - разрабатывать новые схемы узлов и блоков повышенной надежности; - конструировать радиоприборы, исходя из условий их эксплуатации; - правильно выбирать режимы работы радиодеталей; 19 - широко использовать унификацию и ограничительные списки деталей повышенной надежности, разрешенных для использования при проектировании радиоприборов; - разрабатывать радио- и электродетали повышенной надежности; особенно большое значение имеют разработка надежных электровакуумных приборов, внедрение полупроводниковых приборов, замена ламповых усилителей магнитными, контактных устройств — бесконтактными и т. п.; - применять предварительную «тренировку» радиодеталей до установки их в изготавливаемую аппаратуру. Большое значение для повышения надежности радиоаппаратуры имеют также: - автоматизация изготовления массовых деталей и узлов радиоэлектроники, позволяющая снизить влияние субъективных факторов на качество изделии, обеспечивающая идентичность и резкое повышение качества изделий; - прогноз отказов при эксплуатации аппаратуры; - изучение отчетных данных об отказах приборов и систем и организация опытной эксплуатации систем в заданных условиях. Идея полной механизации и автоматизации производства радиоэлектронной аппаратуры сама по себе отнюдь не нова, по до последних лет ее практическое использование могли казаться нереальным. Для того чтобы идея автоматизации стала реальностью, требовались технические усовершенствования в смежных областях. В первую очередь возникло автоматическое производство радиодеталей, Затем последовали миниатюризация, микроминиатюризация и блочное конструирование, развитие методов изготовления печатных схем, которые позволили подойти к практическому решению проблемы автоматизации производства радиоэлектронной аппаратуры. Однако современные методы сборки радиоэлектронной аппаратуры и общем недалеко ушли от соответствующих ручных операций. Основным препятствием механизации сборочных процессов является высокий уровень начальных затрат, обусловленный сложностью оборудования. 20 Затруднения возникают также в связи со специализированным характером производственного процесса. Как показал опыт, многие стандартные технологические процессы, автоматизированные лишь частично, при внесении в вы пускаемую аппаратуру даже незначительных изменений могут оказаться экономически невыгодными. При серийном производстве радиоэлектронной аппаратуры части вносятся серьезные изменения, которые требуется внедрить и относительно короткие промежутки времени, в противном случае аппаратура не будет удовлетворять требованиям быстро развивающегося промышленного и технического прогресса. 1.4. Микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры Одной на основных тенденций при создании современной радиоэлектронной аппаратура и ее элементов является стремление к уменьшению ее веса и размеров с одновременным повышением надежности. Работы в этой области получили широкий размах благодаря тому, что развитие новых отраслей науки и техники, таких как ракетная техника, космонавтика, вычислительная техника, кибернетика, бионика и др., связано с применением исключительно сложного электронного оборудования. Изыскание путей значительного уменьшения габарита и веса привело, в свою очередь, к развитию новых направлений в конструировании и технологии изготовления радиоэлектронной аппаратуры, объединенных общим названием микроминиатюризация. Несмотря на то что в большинстве случаев надежность отдельных элементов удовлетворяет самым высоким требованиям, вероятность выхода из строя сложной системы слишком велика. Микроминиатюризация возможно позволяет еще больше повысить надежность аппаратуры в целом и в то же время снизить ее стоимость, так как- производство микроминиатюрных элементов проще автоматизировать. 21 В Советском Союзе и за рубежом интенсивно разрабатываются теория, методика расчета, способы конструирования и технологические процессы производства электро- и радиоэлементов, узлов, блоков и надежных радиоэлектронных систем на базе микроминиатюризации. Идея максимального уменьшения объема и веса радиоэлектронной аппаратуры появилась одновременно с возникновением электроники. Однако до последних лет решение этой задачи хотя и являлось желательным, но не было остро необходимым. По мере усложнения электронного оборудования ракет, искусственных спутников земли и т. д., свободный объем в которых крайне ограничен и каждый килограмм дополнительного веса требует значительного увеличения внешних размеров и повышенного расхода горючего, а также увеличивает риск выхода из строя элементов и различных соединений приборов и систем в целом, уменьшение объема и веса радиоэлектронной аппаратуры приобрело решающее значение. Так, например, каждый дополнительный килограмм оборудования вызывает увеличение взлетного веса самолета на 10—20 кг, а веса ракеты-носителя спутника — на 100 кг. Рост числа электро- и радиоэлементов в радиоэлектронных устройствах На рис. показан рост числа элементов, входящих в электронную аппаратуру. Если в 1920 г. в конструкцию телефонного усилителя на линии связи входило всего около 10 элементов, то 22 в 1930 г. для радиосвязи между двумя стационарными пунктами требовалось уже 200 элементов, в том числе 20 ламп. Электронное оборудование американского бомбардировщика типа Б-17 производства 1942 г., состоящее почти исключительно из приборов радиосвязи и обеспечения посадки, насчитывало 2 000 элементов и весило 30 кг при объеме в 40 дм3. Число элементов в аппаратуре бомбардировщика Б-47, введенного в строй через 10 лет, возросло примерно и 10 раз. Аппаратура современного бомбардировщика содержит от 130 до 150 тыс. электронных элементов. Если бы она состояла из обычных элементов, то заняла бы объем около 3 м3, а ее вес превысил бы 2 т. Вначале стремление к уменьшению размеров электронных элементов было связано с их удешевлением: миниатюризация сводилась к чисто механическому уменьшению размеров и соответствующему пересчету электрических параметров, основной же Принцип действия элементов не изменялся. В настоящее время снижение стоимости элементов (например, и поенной авиационной и ракетной технике) имеет второстепенное значение по сравнению с задачей уменьшения их габарита. Миниатюризация и микроминиатюризация приобрели самостоятельное значение. Высокая стоимость приборов часто окупается сниженном расхода материалов, уменьшением их веса и площади, занимаемой оборудованием. Например, цифровые вычислительные машины, построенные на основе обычных конструктивных элементов, занимают целые залы и имеют огромный вес. Кроме того, большие размеры таких систем ухудшают их функционирование. Коммуникации оказываются настолько длинными, что запаздывание, вносимое ими, ограничивает быстродействие системы, так как становится сравнимым с временем срабатывания активных элементов. Уменьшение размеров электронной аппаратуры может быть достигнуто сокращением числа составляющих элементов схемы, уменьшением габаритных размеров отдельных элементов и уплотнением их монтажа. Число элементов определяется принципиальной схемой, однако часто одна и та же функция может быть осуществлена с помощью схем с различными кон23 структивными элементами. Для миниатюризации аппаратуры следует выбирать схему, имеющую минимальное число элементов с наименьшими габаритами. Но бывает и так, что схема, состоящая из большего числа элементов, имеет меньшие габариты. Уменьшение числа элементов выгодно также с точки зрения снижения помех. Плотный монтаж элементов электронного прибора усложняет задачу теплоотвода и охлаждения. Именно из-за трудности охлаждения невозможно существенно уменьшить габариты вакуумной электронной аппаратуры. Изготовление малогабаритных элементов связано с наличием материалов. Размеры и вес электронного оборудования и его элементов зависят от физико-механических характеристик применяемых веществ и материалов. Например, размеры катушки индуктивности обратно пропорциональны величине магнитной проницаемости магнитопровода; размеры конденсатора данной емкости зависят от материала, применяемого в качестве диэлектрика; из материалов с большим удельным сопротивлением изготовляют резисторы меньших габаритов и т. д. Однако имеется предел, устанавливаемый необходимой площадью теплоотдачи при данной мощности рассеивания. Для эксплуатации радиоаппарата при повышенных температурах требуются материалы с более высокой теплостойкостью и постоянством свойств в широком температурном диапазоне. Современные успехи и дальнейшее развитие миниатюризации основываются на отборе и совершенствовании некоторых свойств известных материалов, а также на применении материалов с новыми свойствами. Изготовление миниатюрных радиоприборов и радиодеталей невозможно без разработки соответствующей технологии. Основными методами изготовления миниатюрных элементов являются методы топкой пленочной технологии и точной механики. Массовое и сравнительно недорогое производство миниатюрных элементов с высокой точностью и стабильностью параметров невозможно без высокого уровня автоматизации. Миниатюризация радиодеталей в результате применения новых материалов и разработки новой технологии иллюстриру24 ется следующими примерами. Десятилетиями конденсаторы изготовляли в виде рулона из бумажной полосы и металлической фольги. Толщина бумаги и фольги определялись заданной емкостью и рабочим напряжением, а также электрической и механической прочностью изделия. Замена металлической фольги металлизированным слоем, который наносится на бумагу методом распыления, позволила в 2 раза уменьшить размеры конденсаторов, а применение тонких синтетических пленок, обладающих лучшими, чем бумага, электрическими характеристиками, привело к уменьшению этих размеров еще в 2 раза. Современные керамические массы имеют диэлектрическую постоянную до 10 000. Благодаря этому не только уменьшились размеры конденсаторов, но и значительно упростилась их конструкция. Новые конденсаторы представляют собой керамическую шайбу, на обе поверхности которой нанесены слои металла. Изготовление таких конденсаторов легко автоматизировать. Первым шагом области миниатюризации было последовательное применение миниатюрных элементов " печатного монтажа. Это позволило уменьшить габаритные размеры аппаратуры примерно в 7—10 раз. Первоначально печатные схемы применялись с целью автоматизации монтажа. Однако оказалось, что этот метод одновременно ведет и к уменьшению габаритных размеров радиоприборов, поэтому стали исследовать возможность изготовления самих элементов электронных схем печатным способом. Применение техники печатных схем позволило довести плотность монтажа до 1 760 деталей в 1 дм3 по сравнению с плотностью 285 деталей в 1 дм3 в аппаратуре, смонтированной вручную. Однако далее при наиболее тщательной разработке конструкций с применением миниатюрных элементов полезное использование объема составляло всего около 30%. В начале 50-х годов в США была разработана конструкция сборных блоков (проект «Тинкертой»). Блоки представляли собой керамические галеты стандартных размеров, на которых монтировались детали. Размеры галет определялись габаритами 25 миниатюрной электронной лампы, так что и миниатюризация здесь уже не являлась самоцелью. Еще одним видом миниатюризации является изготовление сварных модулей, в которых элементы сваривают друг с другом и для повышения механической прочности заливают расплавленной смолой. Замена испорченной детали в таких блоках невозможна, необходимо менять весь блок (модуль). По этой причине и виде модулей изготовляют лишь простейшие схемы или такие схемы, где выход из строя отдельных элементов практически исключается. Решающим фактором для развития миниатюризации явилось внедрение полупроводниковых приборов. Транзистор занимает лишь малую часть объема электронной лампы с соответствующими коэффициентами усиления и мощности. В транзисторе отсутствует накал и большинстве схем в режиме холостого хода транзистор не расходует энергии. Элементы схем на транзисторах рассеивают меньшую мощность, поэтому могут быть уменьшены их номинальное значение мощности в размеры (это относится прежде всего к резисторам). Транзисторы работают при низком уровне напряжения, что позволяет уменьшить размеры элементов при той же электрической прочности и значительно упростить схему питания. Миниатюризация радиоаппаратуры преследует разработку технологии более плотного монтажа существующих элементов и миниатюризацию самих элементов, как пассивных, так и активных, а также носящих вспомогательный характер. Решение этих вопросов зависит прежде всего от улучшения параметров существующих и получения новых материалов, способных удовлетворять современным требованиям. Радиоэлектронную аппаратуру обычно защищают от воздействия окружающей среды различными средствами. Применение тяжелых герметичных конструкций увеличивает вес и Объем оборудования; кроме того, необходимость искусственного охлаждения герметизированного оборудования усложняет его конструкцию. По этим причинам необходимо конструировать аппаратуру на базе таких элементов, которые способны были бы 26 выдержать воздействие внешней среды при сравнительно малоэффективных средствах защиты. Особые возможности открывает здесь применение термостойких материалов. Наблюдения за радиоэлектронной аппаратурой, установленной на искусственных спутниках Земли, позволили получить сведения о воздействии озона, вакуума, радиации, перепадов температуры, микрометеоритов. Срок службы элементов радиоприборов в поясах радиации не превышает нескольких дней. Но так как фактически время пребывания спутника в зоне высокой радиации мало, то она не оказывает ощутимого влияния на параметры элементов. Незначительными окапались и последствия столкновения с микрометеоритами. Многие материалы, особенно инертные, нечувствительны к радиации, но сравнительно немногие (главным образом, металлы и неорганические соединения) могут выдержать одновременное воздействие радиации и высокой температуры. Некоторые металлы, широко применяемые при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры (алюминий, медь, германий, кремний, серебро, магний), в условиях повышенной радиации образуют радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада. Радиация энергично воздействует на большинство органических материалов — полупроводники, стекло с примесями бора или свинца, тогда как конденсаторы с неорганическими диэлектриками, металлические резисторы и некоторые магнитные материалы нечувствительны к ней. При интенсивном нагреве применяют специальные меры защиты проводников. Поскольку оловянные покрытия не выдерживают высокой температуры, а медь окисляется при температуре 250° С, медные проводники следует плакировать или наносить на них гальванические покрытия для сохранения достаточной электропроводности. Хорошие результаты дает плакирование серебром и никелем. Серебро пригодно для применения при температурах до 500° С. Проводники в аппаратуре, работающей в условиях высоких температур (до 500° С), можно соединять пайкой серебряным припоем или сваркой. При этом 27 используют выводные клеммы из серебра, никеля или нержавеющей стали, к которым припаивают проводники из серебра, алюминия или проводники из других металлов, плакированные никелем. При сверхвысоких температурах хорошими потенциальными проводниками электрического тока являются некоторые керамические материалы. Пружинящие контакты ни бериллиевой и фосфористой бронзы при высоких температурах теряют упругость, поэтому их выполняют из никелевого сплава п нержавеющей стали. Для плакирования или гальванического покрытия контактов используются благородные металлы и их окислы, а также рений. При изготовлении микроминиатюрной аппаратуры, работающей в условиях радиации, очень существенно, какими методами выполнен электромонтаж. В аппаратуре, работающей в условиях радиоактивного излучения, при низкой температуре, для мягкой пайки проводников используют сплавы олова со свинцом, при высоких температурах — мягкие и твердые серебряные припои. В ряде случаев соединение осуществляют сваркой. Алюминиевые проводники перед самой пайкой погружают в раствор хлористой меди, а для пайки используют цинковый припой или сплавы цинка, кадмия и серебра. Для удаления окисла и нанесения медного электролитического покрытия на очищенную поверхность проводника применяют химические методы. Высокотемпературные спаи металла с керамикой получают путем вжигания окислов в поверхность керамики, последующей электролитической металлизации и пайки в вакууме. Для переходных соединительных швов используют омедненные или никелированные сплавы молибдена с марганцем, меди с титаном, меди с цирконием и никеля с титаном. Для устройств, рабочие температуры которых не более 500° С, спаи получают с помощью огнеупорных цементов, стекла или уплотняющих прокладок из сплавов различных металлов. Сплав свинца, меди и титана и другие припои выдерживают температуру до 300° С. Герметичные трубки с покрытием из мягких металлов позволяют по28 лучить уплотнение, которое обеспечивает хорошую прочность соединения при температуре до 400° С. Соединение деталей устройств с более низкими рабочими температурим и можно получить с помощью* цементирующих материалов на основе пластмасс и эластомеров. Для изготовления резисторов, помимо углерода и карбида кальция, из высокотемпературных материалов используют сплав сурьми с родием или оловом и различные сочетания благородных металлов. Металлы наносят электролитическим способом на керамику пли стекло, наматывают (при использовании в виде гибкого проводника) или используют в виде пленок хлоридов, нитридов, силицидов пли окислов, Величина омического сопротивления хромо-кремниевых пленок с рабочей температурой 250°С при кратковременном повышении ее до 750° С изменяется лишь на несколько процентов. Платиновые пленки имеют линейный температурный коэффициент сопротивления и диапазоне 28—500° С. Пленочные термисторы из карбида бора сохраняют высокую устойчивость при температуре 750° С, но растрескиваются при периодическом изменении температуры в пределах от 200 до 300° С. Па характеристики большинства ферритов радиация не оказывает существенного влияния, но чтобы противостоять нагреву, обусловленному гамма-излучением, нужна высокая температура, соответствующая точке Кюри. Это вызвано тем, что ферритовые материалы, используемые в виде стержней относительно больших размеров, подвержены воздействию теплового удара, и их коэффициенты расширении имеют резко мы выраженный максимум, приблизительно совпадающий с температурой точки Кюри. Ферриты с температурами точки Кюри выше 500° С могут быть использованы при температуре около 2.г)()" С. Под воздействием радиации изменяются характеристики некоторых магнитных материалов. У железокремниевых сплавов наблюдается значительное смещение порога магнитострикционного насыщения. Характеристики никелевого феррита не претерпевают ощутимых изменений. Никельцинковые ферриты 29 можно использовать при температуре до 250° С. Чистый никель выдерживает температуру свыше 250° С. Сплавы кобальта с железом имеют более высокую теплостойкость, зависящую от содержания кобальта. Титанат бария имеет низкую температуру точки Кюри и ограниченный диапазон рабочих температур. Число отказов обычных полупроводниковых приборов под воздействием радиации достигает 50%. Большое влияние оказывает радиация на полупроводниковые приборы, работающие по принципу использования неосновных носителей. Туннельные диоды и полевые транзисторы, работающие по принципу использования основных носителей, нечувствительны к радиации с плотностью 1013 нейтронов /см2, их можно использовать при температурах до 315° С. Максимально допустимая плотность радиации для германиевых транзисторов составляет Ю16 нейтронов/см2. Предполагают, что материалы с большой величиной запрещенной зоны, способные работать при высоких температурах, малочувствительны к воздействию радиации. Повреждения кристаллической структуры материала, обусловленные радиацией, можно устранять отжигом. Приборы из арсенида галлия допускают быстрый отжиг при температуре 300—470° С. Применение интерметаллических соединений способствует повышению рабочей температуры солнечных батарей, что улучшает их к. п. д. Сульфид кадмия позволяет получать электрическую энергию при температуре до 400° С, тогда как предельная рабочая температура кремниевых солнечных батарей не превышает 260° С. Арсенид-фосфид индия можно применять при температурах 450-800° С. Использование неорганических диэлектриков позволило повысить рабочую температуру конденсаторов до 300—500° С. Многоэлементные слюдяные конденсаторы, собранные в кожухе из нержавеющей стали, выдерживают температуру 600° С. Высокотемпературные керамические материалы нечувствительны к воздействию радиации, по требуют тщательной очистки, чтобы устранить вероятность возникновения явлений, свойственных полупроводникам. Экспериментальные образцы конденсаторов 30 из нитрида бора, окиси магния и окиси алюминия с рабочей температурой 500° С позволяют получить RC = 5 Мом · мкф. Окиси магния и алюминия выдерживают радиацию при температуре 400° С; нитрид бора превращается в этих условиях в окись бора. Панели печатных схем, работающих при температуре 400° С и выше, изготовляют из керамики, стеклокерамики и слюды со стеклянным связующим. Миниатюрные печатные схемы на керамических панелях с проводниками из сплава молибдена с марганцем, нанесенными способом вжигания, выдерживают температуру до 700° С, а панели из форстеририта с платиновыми проводниками и серебряными контактами — до 800° С. Термостойкие слоистые пластики после воздействия радиации выдерживают нагрев до 260° С, а нетермостойкие — расслаиваются во время испытаний на изгиб и сжатие в условиях повышенной влажности при интенсивности радиации около 108р. Диэлектрическая проницаемость этих материалов сохраняется практически постоянной при интенсивности радиации от 105 до 107 р. Асбесто-фенольные слоистые пластики выдерживают нагрев до 250° С при длительной и до 475—500° С при кратковременной эксплуатации. При работе в полях низкой частоты повышение температуры материала сопровождается увеличением диэлектрической проницаемости. При высоких частотах повышение температуры оказывает незначительное воздействие на параметры полиэфирных армированных пластмасс, асбестофенольных и стекло-фенольных материалов. Органические заливочные компаунды без наполнителей обычно нельзя применять при температурах выше 200—250° С, Исключение составляют кремнийорганические соединения, которые приблизительно на 80% сохраняют свои первоначальные свойства при температуре до 315е С; смолы на основе бутадиена выдерживают температуру до 260° С и эпоксидные смолы — до 315° С. Кремнийорганические заливочные лаки нечувствительны к воздействию радиации, Пол действием радиации кремиийорганическое масло превращается в резину, а кремнийорганическая резина становится ломкой. 31 Можно применять цементы на основе магнезита, циркония с содержанием фосфора или алюмината кальция. Для заливки деталей, работающих при сравнительно невысоких температурах, используют также стекло с низкой температурой плавления. 1.5. Понятие о технологичности конструкции Под технологичностью конструкции подразумевается такое свойство отдельных деталей, уклон или изделий в целом, которое позволяет наиболее быстро и экономично освоить это изделие и производстве; Конструкция радиоприбора может считаться технологичной, сени она, полностью удовлетворяя эксплуатационным требованиям, дает возможность применять высокопроизводительные способы изготовления при минимальных затратах рабочей силы и наиболее низкой ее квалификации, позволяет рационально использовать производственное оборудование, материалы и не требует сложной подготовки производства. Требования К технологичности радиоприборов отличаются от требований к технологичности механических приборов тем, что в них должны учитываться как условия производства, так и условия тесного взаимодействия механических элементов, характеризующихся кинематическими, динамическими и статическими связями, и радиодеталей, свойства которых обусловлены электрическими и магнитными связями. На технологичность конструкции влияет ряд факторов. Рассмотрим основные из них. Развитие техники производства. Внедрение передовых методов обработки — литья под давлением, прессования деталей из пластмасс и т. п.— неразрывно связано с изменением конструкции радиоприборов в сторону повышения технологичности. Существенное влияние оказывают на технологичность конструкций также методы сборки. В частности, осуществление поточной сборки может потребовать таких изменений конструкции приборов, которые исключают необходимость в сложной регулировке, зависящей от искусства рабочего и не поддающейся расчленению на операции. 32 Требуемая степень точности изготовления — это один из основных факторов, влияющих на конструкцию. При конструировании необходимо провести тщательный анализ и расчет точности механизмов и узлов, установить, какими методами можно получить заданную точность в производстве. Часто невозможность выдержать слишком узкие допуски заставляет внести в конструкцию регулировочное устройство, компенсаторы. Может также возникнуть вопрос, какая конструкция технологичнее: состоящая из простых деталей с узкими допусками или из более сложных по конфигурации деталей, но с более широкими допусками. Масштаб производства. Поскольку целесообразность тех или иных методов обработки зависит от количества изготовляемых приборов, то очевидно, что нельзя говорить о технологичности конструкции вообще. Конструкция, технологичная для единичного производства может оказаться совершенно непригодной для серийного или массового производства. В зависимости от масштаба производства прибор одного и того же назначения может быть конструктивно оформлен по-разному. Вопрос об оценке технологичности конструкции весьма сложен. Технологичность является относительным понятием, так как степень технологичности нового прибора определяется или сопоставлением с конструкцией уже находящегося в производстве прибора, или сравнением нескольких вариантов конструкции нового прибора,. Кроме того, развитие методов производства вносит соответствующие изменения в критерии технологичности конструкции. Наиболее исчерпывающую оценку различных вариантов конструкции прибора в отношении технологичности можно дать, сопоставляя соответствующие технологические процессы. Однако к этому методу прибегают лишь в отношении отдельных сложных трудоемких узлов или деталей. Для оценки технологичности конструкции в целом на первых стадиях проектирования прибора приходится ограничиваться определением себестоимости по укрупненным данным и некоторыми частичными показателями. 33 Система таких показателей предложена Н. А. Бородачевым. Наиболее существенные из них: 1) общее количество деталей; 2) количество наименований деталей; 3) удельный вес деталей и узлов, стандартных или нормальных, ранее освоенных производством и вновь спроектированных; 4) распределение по классам точности; 5) распределение по видам обработки; 6) показатели сборки: удельный вес деталей, окончательно собираемых в узлах и поступающих на общую сборку, удельный вес деталей, требующих пригонки, штифтовки и регулировки, и т. п. При оценке технологичности конструкций эти показатели весьма полезны, но ограничиваться лишь их определением нельзя. Например, чем меньше общее количество деталей, составляющих прибор, тем меньше в общем случае затраты на изготовление деталей и сборку. Однако, если уменьшение количества деталей сопровождается значительным их усложнением, изделие может оказаться менее экономичным. 34 2. ОБЩИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 2.1. Общие сведения Себестоимость и время, затраченное на изготовление радиоаппаратуры, ее надежность и простота производства в значительной степени зависят от технологии. Поэтому при разработке технологии основные усилия должны быть направлены на организацию производственного процесса с целью повышения производительности труда, на увеличение выпуска изделий с единицы производственной площади, снижение себестоимости продукции и повышение надежности аппаратуры. Кроме того, существенное, а в отдельных случаях решающее значение имеет время подготовки и освоения производства. Наконец, следует также учитывать длительность производственного цикла, т. е. время от запуска изделия в производство до выпуска готовой продукции. При промышленном освоении выпуска радиоприборов подготовка производства разделяется, как правило, на следующие основные этапы: конструкторский, экспериментальный, технологический и организационно-производственный. Наибольшим удельный нес по трудоемкости и длительности цикла, составляющего 50—60% от всего времени освоения, приходится на этап технологической подготовки производства. Технологическая подготовка производства заключается в анализе технологичности разработанной конструкции, в проектировании технологических процессов получения заготовок, обработки деталей и сборки узлов и изделий, в разработке и изготовлении технологической оснастки, разработке технологии контроля, технологических спецификаций, нормативов и т. д. Проектирование технологического процесса состоит из: а) определения структуры процесса, т. е. разделения его на составляющие элементы, выбора оборудования, приспособления и инструмента; 35 б) установления межоперационных размеров, обоснования заданной точности, расчета режимов, определения технической нормы времени; в) сопоставления экономичности различных вариантов технологических процессов; г) оформления документации на принятые технологические процессы. Исходными документами при проектировании технологического процесса служат: рабочий чертеж детали, технические условия, объем выпуска (размер программного задания), принятые руководящие материалы, нормативы, Рабочий чертеж детали и должен содержать нужные проекции, псе размеры, правильно проставленные в соответствии с ГОСТ, псе обозначения степени шероховатости поверхностен, подлежащих обработке (по ГОСТ 2789-59)* все допуски и посадки с обозначениями по действующим ГОСТ, дополнительные требования к детали (к геометрической форме, покрытиям и др.), указание о марке материала, из которого изготовляется деталь. Технические условия (ТУ) содержат требования к наиболее ответственным и сложным деталям и составляются обычно в тех случаях, когда эти требования или особые замечания по их выполнению невозможно полностью изложить в рабочем чертеже. В технических условиях указывают, кроме того, назначение детали, методы контроля, общие сведения (в отдельных случаях) о хранении, таре, транспортировке, клеймении. Конструктивное оформление деталей, методы их изготовления и сборки узлов в большой степени зависят от предполагаемого объема им пуска изделий, который обусловливает также технологию их производства. Характером производства (степенью его массовости) определяется степень детализации технологических процессов и их содержание: оборудование, технологическая оснастка, режимы обработки и т. д. К основным руководящим материалам, которыми необходимо располагать при разработке технологического процесса, относятся технические характеристики оборудования, нормали на режущий и измерительный инструмент, приспособления и 36 штампы, нормативы припусков и межоперационных допусков, нормативы для технико-экономических расчетов, нормативы по техническому нормированию в зависимости от типа производства и уровня его организации. Нельзя провести четкую границу между окончанием разработки конструкции радиоприбора и началом проектирования технологического процесса его изготовления. Уже в процессе изготовления опытного образца в экспериментальном цехе должна быть проведена определенная технологическая подготовка. После изготовления и испытания опытного образца и внесения конструкторским бюро необходимых уточнений в расчеты скорректированные чертежи поступают в отдел главного технолога, где разрабатывается уточненный технологический процесс изготовления опытной партии приборов. Технологический процесс разрабатывается теперь довольно подробно, с учетом запланированного объема выпуска прибором дайной конструкции. После изготовления и испытания опытной партии конструкторское бюро окончательно уточняет чертежи, которые из категории опытных чертежей переходят в категорию рабочих. Затем отдел главного технолога приступает к разработке технологического процесса серийного (или массового) или, как говорят, валового производства для заданной программы выпуска изделий. Данные технологического процесса заносятся в технологические карты, ведомости загрузки оборудования, ведомости норм расхода на основные и вспомогательные материалы, ведомости на технологическое оснащение (различные виды инструмента, Приспособления, измерительные приборы, установки и оборудование для испытаний), ведомости требующейся рабочей силы, технологические инструкции и т. д. Основным документом технологического процесса является технологическая карта, в которой изложены сведения о структуре и содержании технологического процесса, разделении его на операции и переходы, о последовательности и режимах выполнения операций на выбранном оборудовании, режимах работы оборудования и технологического оснащения, о режимах 37 сборки, последовательности монтажа, методах регулирования, способах контроля и т. д. Указаниями, приведенными и технологических картах, руководствуются при изготовлении деталей, во время сборочных и монтажных работ, при регулировке и испытаниях. На радиотехнических заводах используют маршрутные и операционные карты. Маршрутная карта устанавливает последовательность прохождении обрабатываемого объекта (деталь, узел, прибор или изделие) по цехам и содержит описание всех операций, производимых над объектом (без выделения каждой операции в отдельном документе). Такая карта применяется в единичном и мелкосерийном производстве в тех случаях, когда не требуется точной деталировки технологического процесса и нет твердого закрепления обрабатываемого объекта за определенным оборудованием. В маршрутной карте указывают данные об основном материале и размерах заготовки, перечисляют цехи и мастерские, в которых должно производиться обработка, дают перечень операций, сообщают сведения об основном оборудовании и технологическом оснащении, профессии и разряде рабочего, а также нормировочные сведения. Операционная карта разрабатывается отдельно на каждую операцию. Она содержит, кроме перечисленных выше сведений, полный перечень всех переходов с подробным изложением данных о режимах, методике технологического контроля, геометрических и других параметрах, измерениях и испытаниях. Обычно в операционной карте имеется эскиз детали или уела с указанием мест обработки, способа закрепления, размещения инструментов. 'Таким образом, операционная карта содержит исчерпывающие сведения как для изготовителей, так и для контролеров отдела технического контроля, что позволяет им обходиться без чертежей. Операционные технологические карты применяются в серийном и массовом производствах. Существует большое количество различных видов технологических корт. Однако даже самые подробные из них не могут, конечно, охватить всего разнообразия технологических про38 цессов, осуществляемых при изготовлении радиоаппаратуры. Поэтому часто и дополнение к картам или же вместо них составляют технологические инструкции, в которых, помимо технологических режимов, излагаются физические и химические обоснования процессов, происходящих при обработке. 2.2. Основные понятия о производственном и технологическом процессах Дли рационального построения процесса изготовления радиоприбором большое значение имеет определение исходных принципиальных понятий о производственном и технологическом процессах. Производственным процессом называется совокупность действий, в результате которых сырье, материалы или полуфабрикаты, поступающие на завод, превращаются в готовую продукцию. Производственный процесс включает в себя не только непосредственные действия, направленные на изменение форм и свойств обрабатываемых деталей и сборку из них приборов, но и все необходимые для осуществления этих действий вспомогательные процессы, например подготовку производства, материально-техническое снабжение, ремонт оборудования, цеховой и внутризаводской транспорт и т. д. Соответственно этому производственный процесс можно разделить на основные и вспомогательные процессы. Основные процессы представляют собой собственно процессы изготовления основной продукции завода, предусмотренной государственным планом, т. е. получение заготовок, обработку и изготовление деталей, сборку узлов и общую сборку, регулировку и испытание приборов. В соответствии с этим цехи завода, занятые основными процессами производства, называются основными. Основные процессы производства разделяются на отдельные стадии — заготовительную, обработочную и сборочную. Аналогично этому и основные цехи делятся на заготовительные 39 (литейный, штамповочный), обработочные (механический, гальванический) и сборочные (цехи сборки узлов, общей сборки и регулировки приборов). Вспомогательные процессы представляют собой совокупность всех действий, обеспечивающих бесперебойное, планомерное, эффективное выполнение основных процессов, т. е. обслуживание основных цехов. Вспомогательные процессы осуществляются отделами, службами и соответствующими цехами завода. Последние называются вспомогательными. Они обеспечивают основные цехи инструментом, транспортом, энергией, тарой, различными услугами и осуществляют ремонт оборудования, зданий и сооружений. В соответствии с этим среди вспомогательных цехов имеются инструментальный, ремонтно-механический, электроремонтный, ремонтно-строительный, энергетический, транспортный, тарный и др. Технологическим процессом навивается часть производственного процесса, непосредственно связанная с последовательной сменой состояний продукта производства. Основой технологического процесса является операция, которая в свою очередь может разделяться на установки, позиции, переходы и проходы. Операцией называется часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте, одним рабочим (или группой рабочих) над определенной деталью или сборочной единицей (или совокупностью нескольких деталей, сборочных единиц). Примеры отдельных операций: штамповка пластин магнитопроводов, пропитка трансформаторов, прессование каркаса катушек и т. д. Установкой называется часть операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки или собираемого узла. Позицией называется каждое из различных положений неизменно закрепленной детали, сборочной единицы или инструмента относительно оборудования, на котором производит40 ся работа, например при закреплении детали в поворотном приспособлении. Переходом называется часть операции, включающая обработку одного или нескольких участков детали одним или несколькими одновременно действующими инструментами при неизменном режиме работы оборудования. Применительно к сборке переход характеризуется неизменностью сопрягаемых поверхностей и применяемого при этом инструмента (приспособлений). Примером может служить намотка катушки; при игом выполняется несколько следующих друг за другом переходом: установка каркаса, крепление вывода к каркасу и др. Проходом называется часть перехода, которая охватывает все действия, связанные со снятием одного слоя металла. Это понятие относится, главным образом, к механической обработке. Разработка и внедрение в производство высокопроизводительных и экономичных технологических процессии изготовления изделий радиоаппаратуры, систематическое совершенствование уже освоенных технологических процессов, проектирование и изготовление технологического оснащения, рациональное размещение оборудования составляют содержание работы соответствующих служб завода, называемых органами технологической подготовки Производства, Технологическая подготовка в конечном итоге определяет экономическую целесообразность освоения производства новых конструкций радиоприборов и нередко оказывает решающее влияние на экономические показатели работы предприятия. В общем цикле технической подготовки производства удельный вес технологической подготовки составляет в условиях единичного производства 20—25%, серийного — 45—50%, крупносерийного и массового — 60—70%. С технологической подготовкой производства связано большинство звеньев предприятия. Производство радиоаппаратуры отличается большим разнообразием технологических процессов. Наиболее типичными из них являются литье, штамповка, механическая обработка, 41 прессование деталей и узлов из пластинчатых масс, лакокрасочные и гальванические покрытия, сборочные, монтажные и регулировочные процессы и операции. 2.3. Особенности различных видов производств Различают три вида производств: единичное (индивидуальное), серийное (мелко- и крупносерийное) и массовое. Единичное (индивидуальное) производство характеризуется тем, что процесс изготовления одного или нескольких изделий либо вовсе не повторяется, либо повторяется через неопределенные промежутки времени. Признаки единичного производства: большая номенклатура изделий и малая программа; применение универсального оборудования и приспособлений, нормального рабочего и универсального измерительного инструмента; расположение оборудования группами по типам станков (токарные, фрезерные, зуборезные и др.). Примером единичного производства в радиопромышленности является изготовление уникальной радиолокационной установки для радиоастрономии. Производство называется серийным, если изготовление изделий ведется партиями или сериями, регулярно повторяющимися через определенные промежутки времени. Для серийного производства характерна периодичность выполнения операций технологического процесса по отдельным изделиям, т. е. цикличность. В зависимости от номенклатуры выпускаемых изделий и программы выпуска применяется универсальное или специализированное, а в отдельных случаях — специальное оборудование. Помимо нормального рабочего и универсального измерительного инструмента, в серийном производстве применяется специальный рабочий и измерительный инструмент. Различают мелкосерийное и крупносерийное производство — соответственно числу изделий в партии или серии. Мелкосерийное производство нуждается в частичном использовании специального оснащения, в закреплении операций 42 за определенным оборудованием и, наконец, в подробной разработке технологического процесса, норм и в планировании производства. Стоимость изделий в мелкосерийном производстве ниже, чем в единичном. Мелкими сериями изготовляются сложные объекты, например передвижные телевизионные станции, мощные радиопередающие устройства и т. п. Для повышения производительности трудя при выпуске радиоаппаратуры мелкими сериями следует применят, групповые способы обработки деталей и узлов. Эти способы основаны на классификации деталей и узлов по группам, а также на создании групповых технологических процессов обработки, которые действительны для сходных деталей или узлов, обрабатываемых на одном и том же оборудовании при одинаковом оснащении, одинаковых технологических режимах, и имеют общую последовательность операций и переходов. Эффективные результаты дает сочетание группового способа обработки с типовыми (унифицированными) технологическими процессами. В этом случае групповой способ можно широко использовать не только для Механической, но и для других видов обработки (например, пропитки, пал инки, выполнения неразъемных соединений, заготовки кабельных изделий). Творческое использование способа групповой обработки позволяет рационально решить вопросы сборки и монтажа изделий, изготовляемых мелкими сериями путем организации многопредметной поточной линии. Крупносерийное производство отличается от мелкосерийного более широким оснащением специальными приспособлениями и инструментами. Здесь можно использовать труд рабочих менее высокой квалификации, так как в результате разделения операций упрощаются технологические процессы. Цикл производства в этих условиях сокращается, а себестоимость продукции снижается. Массовое производство - это непрерывное изготовление продукции с соблюдением ритмичного, равномерного выпуска. 43 Рабочие места имеют узкоспециальный характер, каждый рабочий выполняет строго определенную операцию. Массовое производство радиоаппаратуры, как правило, является точным; его характеризуют следующие особенности: специализации рабочих мест для выполнения какой-либо одной определенной операции; размещение рабочих мест непосредственно одно за другим по ходу технологического процесса; непрерывная передача обрабатываемых деталей, неразъемных сборок, собираемых узлов и радиоприборов в целом с одной операции на другую с исключением промежуточного складирования; механизация межоперационной транспортировки обрабатываемых объектов; синхронизация операций, т. е. согласование длительности их выполнения на всех рабочих местах для того, чтобы загрузка (объем работы) всех рабочих мест была одинаковой; широкое применение специализированных и особенно специальных станков, приспособлении, автоматически действующих механизмов, измерительной и контрольной аппаратуры и т. п.; использование труда рабочих невысокой квалификации вследствие глубокой дифференциации технологического процесса и применения специализированного оснащения; детальная разработка технологического процесса на каждую операцию; изготовление деталей, узлов и приборов в соответствии с установленной системой допусков, что исключает необходимость в пооперационном контроле, минимальная себестоимость продукции и максимальное сокращение сроков ее изготовления. В крупносерийном и массовом производстве изготовляются широковещательная радиоаппаратура, телевизионные приемники и т. п. Высшей ступенью поточного производства являются автоматические линии, например, по изготовлению пластин магнитопроводов, резисторов типов ВС, УЛМ, МЛТ и других изделий. На таких линиях контроль электрических параметров осуществляется с помощью автоматической измерительной аппаратуры. Указанные виды производства различаются и по степени подробности разработки технологических процессов, формам и объему технологической документации. 44 2.4. Общие характеристики технологических процессов Типизация технологических процессов. Несмотря на огромное разнообразие конструктивных форм и размеров деталей радиоаппаратуры, все они представляют собой различные сочетания ограниченного числа поверхностей: наружных и внутренних цилиндрических поверхностей, поверхностей одинарной и двойной кривизны и т. д. Каждая форма поверхности детали может быть образована путем обработки на определенном виде оборудования с помощью соответствующего инструмента. Понятно, что детали, образованные сочетанием одинаковых по форме поверхностей, могут иметь общую структуру технологическою процесса обработки, хотя по конструкции они могут значительно различаться. Именно на общности обработки поверхностей одинакового вида и основывается классификация деталей, которая была впервые разработана и предложена проф. А. П. Соколовским для машиностроения. Эта классификация вполне может быть применена и к деталям радиоаппаратуры. Например, детали, имеющие форму тел вращения с отношением длины к диаметру, больше единицы, выделяют в класс «валы» и «оси». Такого же рода детали с осевыми отверстиями относит к классу «втулки». Если диаметр детали значительно больше длины, она должна быть отнесена к классу «диски» и т. д. Классификация деталей по указанным выше признакам наряду с классификацией технологических операций по общности характерных элементов конструкций деталей позволяет перейти к типизации технологических процессов. Для этого из ряда однотипных деталей (узлов), обладающих общими признаками, например одинаковой формой составляющих поверхностей, выбирают типовой представитель, т. е. деталь, обладающую наибольшим числом таких признаков, и по этому типовому представителю разрабатывают технологический процесс, основываясь на общности операций, применяемых при обработке данного ряда деталей. 45 В результате классификации деталей и типизации технологических процессов разработка технологических процессов в Советском Союзе была поставлена на научную основу. Если раньше разработка технологического процесса каждой новой конструкции детали представляла для технолога как бы новую задачу, то теперь она сводится лишь к использованию известных методов обработки отдельных поверхностей детали. Это упрощает, ускоряет и удешевляет стоимость технологических разработок, позволяет широко применить передовой опыт, находить и рекомендовать наиболее прогрессивные высокопроизводительные методы обработки определенных поверхностей деталей, улучшить техническое нормирование технологических процессов, упорядочить снабжение заводов инструментами и приспособлениями, обеспечить изучение технологии и подготовку кадров технологов, а также создать основные предпосылки для механизации и автоматизации технологических процессов с использованием специализированных и специальных полуавтоматов и автоматов. Классификация деталей и типизация технологических процессии позволяет на научной основе решать вопросы специализации и кооперирования предприятий и совершенно точно определять, на чем целесообразно специализироваться тому или иному предприятию и что желательно получить с других предприятий в порядке кооперации. В практике социалистической промышленности сложились две формы специализации: технологическая и предметная. В первом случае завод специализируется на определенном виде обработки, т. е. на изготовлении одним определенным способом различных деталей, а во втором — на производстве определенных деталей, узлов или приборов радиоаппаратуры. На многих радиозаводах появляется тенденция к предметной и к технологической специализации одновременно. Чем уже специализация завода, тем шире его связи с другими Предприятиями (кооперация). Концентрация и дифференциация технологического процесса. При разработке технологического процесса обработки деталей радиоприборов важно определить число операций. В слу46 чае, когда технологический процесс разбит на простейшие операции с малым числом переходов в каждой из них, он называется дифференцированным технологическим процессом Наоборот, если операции включают в себя большое количество переходов, технологический процесс называется концентрированным. Основным фактором, определяющим степень дифференциации технологического процесса, является вид производства и связанный с ним размер партий. Чем больше серия выпускаемых радиоприборов и меньше их номенклатура, тем на большее число операции может разбиваться процесс. Для дифференцированных процессов может, естественно, применяться более простое оборудование, снижаются требования к квалификации исполнителей, в следовательно, облегчается освоение производства. При концентрации операций облегчается планирование производственного процесса, повышается точность обработки в связи с обработкой детали при одной установке; повышается производительность в результате одновременной обработки нескольких поверхностей, а также сокращается вспомогательное время на установку и снятие детали. Во всех случаях для того, чтобы принять правильное решение о степени дифференциации технологических процессов, необходимо тщательно анализировать конкретные условия. Автоматизация технологических процессов. Под автоматизацией технологического процесса в широком смысле этого слова понимается автоматическое управление, автоматический контроль и автоматическое регулирование. Четко разделить функции автоматического управления и автоматического регулирования не всегда возможно. Принципиально первое понятие „шире, чем второе, так как автоматическое управление должно обеспечивать надлежащее протекание технологического процесса, в том числе, если нужно, с включением автоматического регулирования. Однако, рассматривая понятие управления в узком смысле, можно считан., что задачей его является выполнение таких действий, как пуск и ход и остановка рабочей машины, транспорт47 ные перемещения обрабатываемой детали, в том числе подача ее к мссгу обработки и установка, установочные и рабочие перемещении исполнительных органов машины, изменение режима работы, снятие и удаление обработанной детали. Структурная схема автоматического управления показана на рис. 2.1. Рис. 2.1. Структурная схема автоматического управления Переключения при автоматическом управлении могут осуществляться следующими основными способами: 1. В зависимости от положения распорядительного (задающего) устройства, например кулачкового вала или вращающегося электрического устройства (командоаппарата). Одним из наиболее известных примеров осуществления этого способа может служить система управления токарно-револьверного автомата. 2. В зависимости от времени, когда те или иные переключения В системе происходят автоматически после истечения определенных, заранее установленных промежутков времени, Этот способ применяется в тех случаях, когда требуется обеспечить определенную продолжительность процесса, в частности при термообработке, при изготовлении деталей из пластмасс. 3. В зависимости от перемещения исполнительного органа машины или обрабатываемой детали. 4. После достижения определенного значения управляемого параметра или определенного состояния объекта производства. Автоматический контроль при выполнении технологического процесса может иметь две цели: 1) контроль параметров, обусловливающих качество изготовляемой детали — размеров, веса, твердости и т. п.; 2) контроль параметров, обусловливаю- 48 щих нормальное протекание технологического процесса, — температуры, давления и т. п. Автоматическое регулирование технологического процесса имеет целью обеспечить точность его выполнения без участия человека. Необходимость в автоматическом регулировании возникает в тех случаях, когда, ограничиваясь лишь системой управления, нельзя обеспечить заданную точность вследствие влияния как погрешностей самой системы, так и случайных изменений различных факторов (например, напряжения в сети, температуры окружающей среды, толщин снимаемого слоя металла и т. д.). Современные системы автоматического регулирования выполняются по принципу замкнутых систем с обратной связью (рис. 2.2). Рис. 2.2. Структурная схема автоматического регулирования Сущность автоматического регулирования заключается в непрерывном измерении отклонений регулируемого пара метра от заданной величины и в подаче корректирующих импульсом на распорядительное звено (сплошная линия на рис. 2/2) или на промежуточное звено (пунктирная линия). Импульс, поступающий от измерительного устройства (чувствительного элемента), имеет знак, обратный основному импульсу, вызванному отклонением параметра, поэтому обратная связь в системах автоматического регулирования является отрицательной. 49 2.5. Пути повышения технологичности конструкции Приступая к проектированию радиоаппаратуры, конструктор в большинстве случаев имеет возможность разработать несколько вариантов принципиальной схемы проектируемого объекта, положив в основу их различные принципы действия, основанные на законах механики, оптики, гидравлики, пневматики, электротехники, или сочетания этих принципов. Основным критерием для выбора той или иной принципиальной схемы радиоприбора является технологичность конструкции при условии, что все возможные варианты равноценны в отношении параметров эксплуатационных качеств изделия. При одной и той же принципиальной схеме конструкцию отдельных узлов и деталей в большинство случаев можно оформить по-разному. Например, корпус радиоприбора можно выполнить либо в виде узла, состоящего из нескольких простых деталей, часть которых изготовляется холодной штамповкой, а другая — обработкой на автоматах, либо в виде одной сложной детали, отливаемой под давлением. Чтобы обеспечить требование технологичности конструкции деталей и узлов, нужно, ориентируясь на различные методы изготовления, наметить конструктивные варианты и выявить из них наиболее рациональные в технологическом отношении. Разные варианты конструкции могут отличаться не только по конфигурации, по и по материалам. Например, выбрав штампованную конструкцию, можно изготовить деталь из стали, а выбрав литье под давлением, из цинкового сплава. При составлении рабочих чертежей необходимо учитывать все требования к конфигурации и материалу детали, которые соответствуют намечаемым методам ее изготовления. Часто несущественные с конструктивной точки зрения «мелочи» и конфигурация детали или в материале (наличие того или иного компонента в сплаве) делают невозможным или неэкономичным применение намеченного технологического процесса. Весьма существенное значение имеет правильное указание размеров в чертеже, которые должны быть тесно увязаны с тех50 нологией изготовления детали. 15 чертежах (или в технических условиях) должны содержаться и прямые указания технологического характера: о методах термической обработки, об окончательной отделке поверхности, о покрытиях и т. п. В работах проф. И. И. Буловского и доцента Л. В. Поваляева и других авторов сформулированы основные принципиальные направления и пути повышения технологичности приборов, которые могут быть распространены и на радиоаппаратуру: 1. Сокращение числа деталей прибора без усложнения их конструкции, Чем меньше число деталей в приборе при прочих равных условиях, тем меньше затрат па подготовку производства и на изготовление прибора. 2. В приборах новой конструкции и модернизируемых — максимальное использование деталей и узлов, ранее освоенных в производстве. Преемственность должна соблюдаться не только для конструктивных элементов, но и для принципа действия системы прибора (магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, индукционная и др.). 3. Унификация деталей и узлов данного прибора, обеспечивающая увеличение применяемости одних и тех же узлов в разных частях конструкции данного прибора и в других приборах. Пользуясь этим, можно ограничить количество типоразмеров деталей и узлов и произвести их нормализацию. Обеспечением повторяемости и применяемости нормальных деталей и узлов достигается при подготовке производства и изготовлении прибора тот же эффект, что я при использовании деталей и узлов, уже освоенных в производстве, для новых и модернизируемых конструкций приборов. 4. Сокращение количества типоразмеров отверстий, резьб, фасок и других конструктивных элементов в приборе на основе их нормализации. Это ограничивает набор применяемого инструмента и контрольно-измерительных средств и снижает процент брака. 5. Расчленение прибора на самостоятельно собираемые, проверяемые и взаимозаменяемые узлы и подузлы, не требую51 щие при монтаже (общей сборке) прибора предварительной разборки. Это позволяет разделить сборку" прибора на узловую и общую; вынести узловую сборку из сборочного цеха в предметные цехи и участки, т. е. осуществлять там как изготовление деталей узла, так и его сборку; резко сократить трудоемкость сборки; модернизировать узлы без существенных изменений конструкции прибора в целом; обеспечить специализацию и кооперирование производства заводов по отдельным узлам, а также использовать места соединений узлов для компенсации ошибок изготовления. 6. Назначение параметров точности изготовления и качества поверхности в полном соответствии с эксплуатационными требованиями прибора (без «запаса»). 7. Обеспечении взаимозаменяемости деталей. Взаимозаменяемость позволяет сократить или полностью устранить при сборке доделочные и пригоночные работы по месту. 8. Правильный выбор конструкции компенсационных звеньев, обеспечивающих упрощение регулировочных работ. 9. Компоновка прибора, обеспечивающая удобство и простоту сборки при минимальном числе положений прибора в процессе сборки. Если конструкция прибора позволяет вести все сборочные операции при одном положении, то это значительно упрощает технологическое оснащение, уменьшает брак, упрощает систему организации поточной сборки. 10. Выбор рациональной конфигурации деталей прибора, обеспечивающей: а) достаточную жесткость детали, что упрощает процесс обработки, позволяет повысить режимы резания и исключает влияние деформации детали на точность обработки; б) удобство установки на станке или в приспособлении благодаря правильному оформлению технологических баз и уменьшению числа различных положений детали в процессе обработки и измерения, что снижает трудоемкость обработки и нормы времени па вспомогательные операции, а также повышает точность изготовления; 52 в) доступность поверхностей и элементов для обработки и измерения, что уменьшает количество и упрощает конструкцию технологического оснащения, уменьшает трудоемкость обработки и устраняет брак; г) возможность обработки и измерения с помощью нормального и стандартного режущего и измерительного инструмента; д) возможность концентрированной обработки при сравнительно высоком удельном значении непрерывного машинного времени, а также возможность последовательной обработки в много местных приспособлениях, что создает основные предпосылки для широкого внедрения многостаночного обслуживания; е) простоту получении заготовки. 11. Конструирование деталей прибора, сходных по конфигурации, размерам, характеру заготовок, сочетанию и взаимному расположению основных обрабатываемых поверхностей, точности и чистоте поверхности, Это позволяет типизировать как технологические процессы изготовления деталей в целом, так и револьверные автоматные настройки, т. е. создать ряд ступеней стандартных, постепенно усложняющих настроек, позволяющих на каждой последующей ступени обрабатывать детали, которым соответствовали бы предыдущие ступени, и, наконец, типизировать настройки по сходству установок инструмента. Такая последовательная типизации ведет к сокращению объема и трудоемкости технологической подготовки производства, к уменьшению технологической документации, к рациональному применению высокопроизводительных методов обработки и оборудования и более широкому использованию передового опыта новаторов. 12. Применение заготовок деталей, получаемых высокопроизводительными методами (литьем в кокиль, под давлением и по выплавляемым моделям, холодной и горячей штамповкой, прессованием пластмасс и др.), исключающими дальнейшую механическую обработку или сводящими ее к минимуму. Повышение точности заготовительных фаз производства является одной из задач современной технологии, решению которой спо53 собствует специфика радиоприборостроения (малые размеры деталей, невысокие требован ил к прочности ряда деталей, не несущих значительных нагрузок, широкое применение цветных металлов, выпуск при боров в сравнительно больших количествах). Многие заводы успешно заменяют механическую обработку деталей радиоприборов высадкой, волочением, калибровкой (чеканкой) и объемной штамповкой (прессованием). Применение высадки, например, резко повышает производительность труда, дает экономию металла 15—40% и более' высокую прочность деталей. Замена фрезерования и ручной доводки зачисткой или калибровкой в штампах уменьшает трудоемкость в десятки раз. Технологичность конструкции заметно повышается при применении штамповки в сочетании со сваркой или пайкой твердым припоем для получения деталей сложных пространственных форм и деталей, имеющих сечение с резко изменяющимися размерами. Эффективным является также применение фасонной холодной пакатки для получения зубьев, резьбы, рифленых поверхностей, делений и цифр, фасонных деталей из листового материала и для сборки некоторых пространственных деталей из листового материала. Особую роль при решении проблемы технологичности конструкции радиоприборов играет метод получения деталей и узлов на основе порошковой металлургии. Порошковая металлургия дает возможность изготовить детали с особыми физическими свойствами, которые иногда невозможно получить иным путем. Выбранные методы изготовления заготовок и деталей в большой степени определяют оформление их конструкции, исполнение чертежей, а следовательно, и выбор материала детали, ее конфигурацию, допуски, расстановку размеров на чертеже с точки зрения выбора баз при обработке, учет при конструировании детали условий, обеспечивающих минимальный расход ма54 териала, возможное упрощение и удешевление потребных штампов, форм и других видов оснастки. Некоторые конструкторы и технологи считают, что применение и конструкции прибора деталей, получаемых обработкой без снятия стружки, оправдывает себя только в массовом и серийном производстве вследствие больших затрат на 'технологическую оснастку. Это представление ошибочно. Использование универсального максимально удешевленного технологического оснащения, особенно оснастки из нормализованных элементов, позволяет применять высокопроизводительные методы обработки без снятии стружки и в условиях производства малого числа приборов. 13. Широкое внедрение деталей, изготовляемых из заменителей дефицитных и дорогих материалов, в частности деталей из пластмасс имеют малый удельный вес, значительную прочность, стойкость к агрессивным средам, отличные диэлектрические свойства, хороший внешний вид непосредственно после прессования без дополнительных отделочных операций. 14. Правильный выбор металлов и сплавов для деталей и частей радиоаппаратов. Использование новых отечественных электротехнических металлов и сплавов позволяет создать принципиально иные электрические схемы радиоприборов, существенно улучшив при этом эксплуатационные качества (точность, надежность) этих изделий, а также значительно улучшить их технологичность. На габаритные размеры и вес прибора, характер технологического процесса, трудоемкость и стоимость работы значительно также выбор материалов дли электрических цепей — проводников, термокомпенсирующих сплавов и др. 15. Установление рационального сортамента и номенклатуры применяемых материалов. Сокращение сортамента и номенклатуры материалов по их наименованиям, размерам, профилю и маркам способствует экономии материалов, использованию отходов, улучшению условий снабжения, уменьшению запасов материалов на складах, а следовательно, и ускорению оборачиваемости оборотных средств 55 3. ОСНОВЫ ТОЧНОСТИ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОИЗВОДСТВА РАДИОАППАРАТУРЫ 3.1. Общие понятия и определения производственных погрешностей Современная радиоэлектронная аппаратура, которая эксплуатируется, как правило, в сложных условиях, должна отвечать важнейшим техническим требованиям: иметь высокую надежность, обеспечивать взаимозаменяемость деталей и узлов, минимальный объем регулировочных и доводочных работ и т. д. Однако на практике эти требования не всегда выполняются. Одной из причин такого положения является отсутствие хорошо разработанной методики расчета электрических допусков изделий радиоаппаратуры. Обычно эти допуски устанавливают, исходя из значительного разброса величин параметров изделий изза производственных погрешностей и дальнейшего рассеивания их в условиях эксплуатации, например под воздействием окружающей среды и т. п. Ввод дополнительных подстрочных элементов для компенсации этих погрешностей увеличивает объем регулировочных работ и снижает надежность аппаратуры. Если номинальные значения параметров схем находят обычными методами инженерного расчета, то допуски на эти параметры устанавливают либо «на глазок» и достаточного основания, либо экспериментально. И в том, и в другом случае возможны существенные ошибки, которые, не повышая, увеличивают трудоемкость схемы. Коллектив инженеров под руководством В. И. Гусева и Н Фомина провел анализ производственных погрешностей радиоэлектронной аппаратуры и разработал методику расчета электрических допусков радиоэлектронных устройств, которая позволяет обоснованно назначить и выбрать допуски на параметры электровакуумных, полупроводниковых и других элементов схем, обеспечивающих заданные допуски на выходные параметры изделий. 56 Под электрическими допусками на радиоаппаратуру понимают пределы, в которых должны находиться ее электрические параметры согласно заданным техническим условиям. Это понятие может быть отнесено не только к электрическим параметрам всего изделия, но и к параметрам отдельных, входящих в него электрических функциональных узлов и блоков. Обоснованный выбор электрических допусков на радиоаппаратуру является важнейшим фактором повышения ее надежности. Степень проявления и влияния отказов в значительной мере зависит от правильности выбора и обеспечения допусков на характеристики используемых радиодеталей, а также допусков на выходные и входные электрические параметры радиоэлектронных схем. Применяемый в настоящее время метод подбора и частичного расчета дли определения допусков на радиоаппаратуру нельзя признать удовлетворительным. Для проведения научно обоснованных расчетов допусков надо знать: зависимость между входными и выходными параметрами системы, устройство узлов; изменение выходных параметров радиоэлектронных узлов в зависимости от разброса характеристик радиодеталей; изменение выходных параметром радиоэлектронных узлов в зависимости от воздействия различных внешних и внутренних факторов и процессов старения; зависимость выходных параметров радиоэлектронных узлов от паразитных емкостей, индуктивностей и т. д. Надежность радиоаппаратуры, предназначаемой для эксплуатации и тяжелых условиях, можно улучшить, повысив точность ее изготовления путем введения соответствующих электрических допусков на параметры элементов схем с учетом воздействия температуры окружающей среды, старения и других факторов, влияющих па разброс характеристик. Так, учитывая старение и температуру при расчете электрических допусков, неизбежно приходят к необходимости уменьшить производственный разброс параметром элементов схем. По данным В. П. Гусева, проблему точности производства радиоэлектронной аппаратуры следует решать в трех направлениях: 57 1) исследование производственных погрешностей радиоаппаратуры; 2) обоснование расчета электрических допусков радиоаппаратуры; 3) техническое обеспечение расчетной точности. В процессе изготовления любого вида продукции, особенно радиоаппаратуры, как известно, невозможно обеспечить выпуск изделий с абсолютно тождественными количественными показателями. Мри любом неизменном технологическом процессе изготовления даже одной партии изделий одним и тем же рабочим на одном и том же оборудовании и даже в пределах одной наладки (настройки) последнего все-таки появляются некоторые колебания геометрических и физических параметров этих изделий. Еще более существенные различия наблюдаются в разных партиях, изготовленных разными рабочими и на различном оборудовании. Это изменение значений параметров отдельных деталей, которые колеблются в определенных пределах, обычно называется вариацией, а ряд значений параметров для всей партии или выборки деталей — вариационным рядом. Вариационный ряд отражает закономерности существующего технологического процесса. Если этот ряд представить графически, то получится кривая распределения параметров изготовляемой детали, узла или погрешностей их производства. Таким образом, под производственными погрешностями понимаются различного рода отступления от значений номинальных параметров, указанных в чертежах, нормалях, технических условиях и другой технической документации. Причины производственных погрешностей деталей и узлов весьма многочисленны и разнообразны. Они могут порождаться неточностями оборудования, инструмента и оснастки; деформациями системы станок — инструмент—деталь под влиянием действующих на нее усилий при механической обработке; температурными деформациями при обработке; деформациями из-за остаточных напряжений; колебаниями величины припусков на обработку; изменением механических свойств материала но сечению; различными отклонениями при выполнении таких важнейших в 58 технологии производства радиоприборов операций, как намотка, сушка, пропитка и т. д. Производственные погрешности можно классифицировать по различным признакам, Учитывая, что они являются следствием выполнения технологического процесса, их, естественно, надо классифицировать но виду самого технологического процесса. Например, погрешности прессования, намотки, сборки, монтажа и т. д. Этот класс погрешностей можно также рассматривать применительно к отдельным операциям технологического процесса. По конструктивному признаку производственные погрешности могут быть отнесены к деталям, узлам, блокам, устройствам, системам. В этом случае производственная погрешность рассматривается как результат воздействия ряда (или комплекса) технологических процессов на данное изделие. Например, производственная погрешность прополочного переменного резистора является следствием воздействия процессов изготовления проволоки, каркаса, наматывания, зачистки контактной дорожки, сборки, регулировки и т. д. Производственные погрешности выходных параметров блоков, устройств и систем являются следствием влияния нестабильности технологических процессов изготовления отдельных радиодеталей, процессов сборки и монтажа, а также целого ряда других факторов, связанных с типом производства радиоаппаратуры. 3.2. Законы распределения производственных погрешностей и методы их анализа Как сказано выше, при изготовлении изделий радиоаппаратуры возникают производственные погрешности — отклонения от номинальных величин, указанных в чертежах и технических условиях. Знание причин, порождающих эти погрешности, и характера последних совершенно необходимо при изучении и решении ряда технических и производственных вопросов. Речь идет о назначения допусков на изготовление отдельных деталей, 59 изучении точности их производства, обосновании выбора определенного технологического процесса и применяемых материалом, выборе методов сборки, регулировки и контроля параметров отдельных деталей и узлов, а также изделия в целом. Производственные погрешности исследуют статистическими методами, выявляя прежде всего законы распределения этих погрешностей г. Использование статистических характеристик, т. е. кривых распределения отклонений, средних арифметических значений, средних квадратичных отклонений, основано главным образом на том, что производственные погрешности по своему существу являются величинами случайными, подчиненными общим законам теории вероятностей и математической статистики. Основное средство статистического метода — построение кривых распределения. С их помощью можно оценить предельное значение суммарной погрешности. Таблица Сводные данные для построения кривой распределения Интервалы отклонений, Частота Частость мкм m m/N от до -60 -50 2 0,011 -50 -40 5 0,027 -40 -30 9 0,050 -30 -20 35 0,194 -20 -10 59 0,328 -10 0 57 0,318 0 +10 13 0,072 Сумма N=180 1,00 Кривая распределения строится следующим образом. Предположим, что при каком-то установившемся технологическом процессе обработали партию деталей, которые затем измерили универсальным инструментом. При этом установлено, что погрешность характеризуется некоторой совокупностью численных значений, представляющих собою отклонения от номинального значения размера. Найденные отклонения выписывают в порядке убывания 60 их абсолютных величин и полученный ряд разбивают на интервалы, после чего подсчитывают число деталей в каждом интервале. Рис. 3.1. Кривая распределения погрешностей На основании полученных данных составляют таблицу (см. табл.). По данным таблицы строят кривую распределения (рис. 3.1). Для этого по оси абсцисс откладывают значение погрешностей, а по оси ординат — частность. Ломаная линия а при бесконечном увеличении числа интервалов превращается в плавную кривую б, называемую кривой практического распределения. Сущность закона распределения производственных погрешностей в значительной степени определяется условиями их возникновения. Необходимо располагать сведениями о том, сохранялись ли постоянными условия изготовлении, рассматриваются ли погрешности для отдельной партии или же в общем ряду продукции при смешении нескольких партий, рассматривается ли вся партия пли выборка. Обычно исследуют закон распределения производственных погрешностей дли одной партии продукции. При этом предполагают следующие условия: производственная погрешность представляет собой сумму отдельных первичных погрешностей, которые вызываются действием большого числа случайных и некоторого числа систематических факторов; 61 число случайных факторов и параметры вызванных ими первичных погрешностей не изменяются во времени; среди первичных погрешностей нет доминирующих, т.е. все случайные факторы по своему влиянию на общую суммарную погрешность составляют величину одного порядка; все случайные факторы взаимно независимы, т. о. оператор не влияет на работу оборудования в процессе изготовления деталей, когда оборудование работает по циклу автоматического получения размеров. Рис. 3.2. Кривая нормального распределения Если все перечисленные условия выполняются, то производственные погрешности подчиняются закону нормального распределения, для которого характерно плотное сосредоточение отклонений около их центра группирования и медленное симметричное уменьшение числа отклонений по мере их отдаления в обе стороны от центра группирования (рис. 3.2). Аналитическое выражение нормального закона распределения (часто называемого законом Гаусса) имеет следующий вид: ( x x)2 1 2 2 2 , (3.1) f ( x) e где f(x) – координата кривой распределения; 62 x — среднее арифметическое из всех величин x; σ — среднее квадратичное отклонение. Таким образом, главными характеристиками распределения погрешностей по закону нормального распределения являются среднее арифметическое значение x и среднее квадратичное отклонение σ. Среднее арифметические значение определяется по формуле x x1 x2 x3 ... x N x N N . (3.2) Если вычисления производятся для большого числа случаев, удобнее группировать детали в партии по интервалам. Тогда расчет ведется по формуле k x m x1 m1 x 2 m2 ... x k mk N n1 n2 ... nk . (3.3) Среднее квадратичное отклонение определяется по формуx i 1 i i ле k mi i 1 ( xi x ) 2 N . (3.4) Для формул (3.3) и (3.4): k – число интервалов; n1, n2, ... , nk – количество деталей в каждом интервале; N – общее количество отклонений (деталей); m – частота в i -м интервале (i = 1, 2, ... , k). Следует отметить, что нормальный закон распределения играет исключительно важную роль и теории вероятностей и занимает среди других законов распределении особое положение. Это наиболее часто встречающийся на практике закон распределения. Главная особенность, выделяющая ого среди других законов, состоит в том, что он представляет собой предельный случай, к которому приближаются другие законы распределения 63 при наступлении весьма часто встречающихся типичных условий. Многочисленные статистические данные показывают, что в большинстве технологических процессов производства конденсаторов, резисторов и других массовых радиодеталей наблюдается нормальное распределение производственных погрешностей. В связи с этим нормальный закон распределения применяется как основной, универсальный в технике, особенно для автоматизированных технологических процессов, когда устранены все систематические факторы, существенно влияющие на погрешности. Кривая закона нормального распределения позволяет дать объективную оценку качества тех пли иных технологических процессов, а также сравнить их между собой. Кривая нормального распределения позволяет добиться стабильности технологическою процесса, фиксировать его нарушения, а иногда и установить их причины, Пользуясь кривой нормального распределения, можно определить вероятный процент брака и соответствие между назначенным допуском и возможной точностью обработки на данном оборудовании. Однако утверждение, будто бы распределение случайных погрешностей произведет» должно всегда подчиняться нормальному закону, неверно теоретически и не подтверждается экспериментальными данными. Закон нормального распределения действителен в тех случаях, когда факторов, вызывающих рассеивание, много, они взаимно независимы, носят случайный характер, не измени юте и во времени и среди них нет какихлибо отдельных доминирующих факторов. Но всех других случаях законы распределения существенно отличаются от закона нормального распределения. 64 Рис. 3.3. Диаграмма точности (упрощенная схема) Зная закон распределения и численные значения соответствующих ему параметров, можно наиболее полно характеризовать точность обработанных детален. Однако в ряде случаев этого недостаточно для решения технологических задач, так как, располагая упомянутыми выше данными, мы не имеем все же представления об изменении точности обработки во времени и не можем четко отделить влияния на рассеивание размеров систематических факторов от случайных. Для этого разрабатываются диаграммы точности. Диаграмма точности схематично представлена на рис. 3-3. Жирной сплошной линией указано положение центра группирования размеров в различные моменты времени t от начала процесса обработки или, что то же, для различных порядковых номеров деталей (n). Половина узкой заштрихованной полосы соответствует значению σt — среднего квадратичного отклонения распределения размеров в данный момент времени. Рассеивание в каждый момент времени — «мгновенное» рассеивание — обусловливается факторами случайного характера. С достаточным для практических целей приближением можно полагать, что мгновенное рассеивание подчиняется нормальному закону распределения. При этих условиях ширина полосы, ограниченной пунктирной линией и определяющей поле мгновенного рассеивания, t 6 t Изменение положений центров группирования, изображенное на диаграмме жирной линией, обусловлено факторами 65 систематического характера. Эта линия определяется зависимостью x (t ) где x — центр группирования, а t — время от начала процесса обработки. Имея диаграмму точности, можно установить также закон распределения погрешностей размеров во всей партии обработанных деталей. Обратную задачу, т. е. построить диаграмму точности, имея кривую распределения, практически решить невозможно. Диаграммы точности могут быть получены либо статистическим методом путем измерения выборок деталей, извлекаемых по ходу выполнения процесса обработки, либо расчетным путем с помощью соответствующих экспериментальных и теоретических исследований. Если внести изменения в условия, изложенные выше и сопутствующие возникновению нормального распределения, и принять, к примеру, что среди источников возникновения производственных погрешностей имеется фактор, резко выделяющийся (доминирующий среди всех остальных по оказываемому им влиянию на суммарную производственную погрешность (при этом нарушается третье из приведенных выше условии), то закон распределения суммарной погрешности будет в основном определяться законом распределения отклонений, вызванных этим доминирующим фактором. Работами Н. А. Бо- родачева, А. Б. Яхина, А. П. Соколовского и др. установлено, что существование доминирующего фактора с переменным характером изменения — вначале замедленным, а затем ускоренным приводит к возникновению распределений, весьма близких к кривой нормального распределения. В этом случае изменяется среднее арифметическое значение и кривая распределении, сохраняя свою форму, смещается по оси абсцисс. Вопросы точности при производстве радиоэлектронной аппаратуры весьма сложны и многообразны. Разработка технологического процесса даже высококвалифицированными технологами на основе лишь критических соображений, индивидуального опыта или интуиции неизбежно влечет за собой ошибки, 66 которые приводят либо к браку, либо к ненужным усложнениям технологического процесса и значительному удорожанию продукции. В каждом отдельном случае необходимо применять научно обоснованный анализ и расчеты на точность. Для анализа производственных погрешностей используют расчетно-аналитический и статистический методы. Расчетно-аналитический метод основан па проведении теоретических и экспериментальных исследований с целью выявить первичные погрешности и установить функциональную зависимость между той или иной из этих погрешностей и фактором, ее порождающим. Суммарная погрешность при расчетноаналитическом методе определяется в зависимости от характера и взаимодействия составляющих погрешностей. Статический метод основывается на определении суммарной погрешности непосредственно составляющих первичных погрешностей путем измерения некоторого числа деталей и обработки результатов измерений с помощью математической статистики, как это было показано выше. При использовании расчетно-аналитического метода применяют несколько способов расчета производственных погрешностей параметров узлов, блоков и устройств радиоаппаратуры: метод максимум - минимума, метод квадратичного сложения и метод расчета, использующий основные положения теории вероятностей. Для расчета на максимум - минимум выполняют арифметическое суммирование всех предельных отклонений производственных погрешностей: отдельно складываются плюсовые отклонения и отдельно — минусовые. Недостаток метода состоит к том, что при разнообразных, не вполне реальных комбинациях отклонений величин элементов схемы он дает преувеличенные от 1,5 до 10 раз значения производственной погрешности выходного параметра. При расчетах по методу квадратичного сложения вычисляют корень квадратный из суммы предельных отклонений параметров элементов схемы. Этот метод также имеет недостатки, связанные с трудностями учета и правильною суммирования ве67 личин, определяющих центры группирования отклонении элементов схемы и поле допуска, а также квадратичные суммы предельных, а не средних квадратичных отклонений. Результаты расчетов по этому методу имеют заниженные (примерно и 6 раз) значения производственной погрешности выходного параметра. Метод, расчета использующий основные положении теории вероятностей, применим сланным образом к случайным величинам, т. е. к производственным погрешностям входящих элементов. Принципиальной основой метода является применение следующих- правил суммирования независимых составляющих отклонения выходного параметра: а) алгебраическое суммирование величин, характеризующих центры группирования погрешностей, т. е. средних значений; б) квадратичное суммирование величин, характеризующих рассеивание погрешностей, т. е. средних квадратичных отклонений. Нельзя забывать, что последний способ расчета предполагает следующие допущения: 1) отклонение параметра от номинального значения не является случайной функцией времени; 2) входящие элементы взаимно независимы; 3) закон распределения параметра нормальный, что в большинстве случаев выполняется па практике. Статистический метод анализа позволяет устанавливать качественные взаимосвязи первичных погрешностей, учитывать характер их влияния на суммарную погрешность. Первым этапом статистического анализа является конкретный анализ исследуемого процесса с последующим выбором объектов исследования, определение объема экспериментов и назначение средств технического контроля. Большое значение для результатов исследования имеют не только средства и методы, но и техника измерения. Необходимо обеспечить тщательное соблюдение одинаковых условий проведения экспериментов и измерений. За этими подготовительными работами следуют: 68 1) наблюдения изучаемой детали (измерение параметров, веса, определение свойств и т. д.); 2) группирование полученного при наблюдениях статистического материала; 3) сверка результатов наблюдения и вычисления параметров распределения изучаемой детали (узла); 4) анализ параметров распределения изучаемой детали (узла). Расчетно-аналитический и статистический методы оценки производственных погрешностей не исключают, а дополняют друг друга. 3.3. Влияние производственных погрешностей на конструктивные, производственные и эксплуатационные характеристики радиоаппаратуры Как уже говорилось, производственные погрешности параметров схемных элементов неизбежны и в зависимости от условий возникновения подчиняются различным законам. Эти производственные погрешности соответственно вызывают определенный разброс выходных параметров узлов, блоком и устройств. Эти колебания могут быть весьма значительными. Для их компенсации применяют так называемые регулировочные элементы схем или элементы, подбираемые при регулировке радиоаппарата, которые па принципиальных схемах обозначают звездочками. В качестве регулировочных элементов используют переменные резисторы, переменные и полупеременные конденсаторы, магнитодиэлектрические пли ферритовые сердечники. Регулировочные работы разбиваются на два класса: заводские и эксплуатационные. Заводская регулировка обычно производится всеми органами настройки, включая и те, которые находятся внутри радиоаппарата, и подбором «элементов со звездочками». Посредством этого вида регулировки аппаратура приводится в рабочее состояние. Эксплуатационная регулировка выполняется с помощью органов управления, выведенных на передние панели радиоаппаратов, и обеспечивает получение опти69 мальных выходных параметров с учетом конкретных условий эксплуатации. Введение регулировочных элементов схему и большинстве случаев является крайне нежелательным, так как снижает, как правило, производственно - эксплуатационные показатели аппаратуры. Практика показывает, что значительная доля регламентных работ при эксплуатации радиоаппаратуры связана с ее разрегулировкой из за плохой фиксации регулировочных элементов. Около 30—50% затрат рабочего времени приходится на регулировку и контроль выходных параметров радиоаппаратуры на этапе производства. И хотя регулировочные работы обычно проводятся рабочими высокой квалификации, время выполнения одной и гои же регулировочной операции меняется и довольно широких пределах. Иногда регулировщики заняты работой по отысканию и исправлению дефектов, которые не связаны непосредственно с регулировочными операциями. Для устранении такого несоответствия характера выполняемых работ прямому назначению регулировочного участка В. П. Гусев предложил: а) заменить так называемые регулировочные операции по выявлению дефектов контрольными, которые выполняются на специальных автоматических установках с обязательным перемещением их па участки сборки и монтажа; б) ввести механизацию и автоматизацию труда на участке сборки и монтажа для уменьшении дефектов, повышения качества и производительности труда. Трудоемкость регулировочных работ радиоэлектронной аппаратуры можно снизить, вводя предварительную настройку отдельных узлов. Следует подчеркнуть, что только па основе расчета конструктор может решать вопрос о технико-экономической целесообразности, а в ряде случаев о технической возможности сборки радиоаппаратуры с минимальным объемом регулировочных работ или вовсе без регулировки. 70 3.4. Предупредительный контроль Весь ход и содержание технологического процесса сказываются на признаках качества изготовляемых изделии, и наблюдение за этими признаками дает возможность оценить процесс в целом. Поэтому в большинстве случаев технологические процессы производства радиоаппаратуры сопровождаются периодическим контролем качества небольшой масти (выборки) изготовляемой продукции. Такого рода выборочный предупредительный контроль осуществляется рабочими и наладчиками, работниками отдела технического контрили или автоматическими устройствами. Обобщение производственного опыта привело к созданию общей статистической теории предупредительного (текущего) контроля качества продукции; методы такого контроля получили название статистических. Любой статистический метод предупредительного контроля характерен тем, что периодически непосредственно у рабочего места (станка, пресса, верстака и т. д.) проверяется небольшая часть изготовленной продукции и устанавливается необходимость подналадки оборудования или остановки технологического процесса. Необходимость предупредительного контроля и выбор его метода определяются результатами предшествующего статистического анализа процесса Изготовления продукции. Статистический анализ не только помогает выявить и устранить основные причины, вызывающие появление брака, но позволяет также установить технологические факторы и признаки качества продукции, на которые следует обратить основное внимание при предупредительном контроле. Наиболее часто функции предупредительного контроля возлагаются на рабочих и наладчиков, поэтому применяются простейшие способы предупредительного контроля (способы предельных размеров и сокращенного допуска, выборочный контроль годности). Надежность такого контроля будет тем выше, чем лучше отлажен технологический процесс. Основное 71 внимание Технического персонала цеха должно быть направлено па состояние оборудовании, оснастки и на соблюдение технологических режимов. Для снижения стоимости контроля на некоторых производствах совмещают предупредительный контроль процесса обработки и сборки с окончательной приемкой готовых партий, т. е. с приемочным контролем. При таком совмещении изделия текущей выборки проверяются контролером по всем показателям качества, причем в значительной мере осуществляется выборочный контроль годности. При совмещении предупредительного и приемочного контроля необходимо отделять друг от друга подпартии (части общих партий), которые образуются из деталей (узлов), изготовленных между двумя текущими выборками. По результатам проверки выборки относительно каждой подпартии принимается соответствующее решение — передать ее для дальнейшего использования без дополнительной проверки или подвергнуть сплошной проверке. Различают три способа выборки: 1) из изделия, изготовленных к моменту контроля; 2) из изделий, извлеченных наугад из подпартии; 3) комбинированная выборка, т. е. часть изделий извлекается из подпартии (60—70%), а остальное является текущей выборкой. Комбинированная выборка позволяет оценить качество подпартии в целом и состояние процесса в момент контроля. Надежность совмещенного контроля зависит от его темна, а также от стабильности процесса обработки; последнее условие является решающим. Наиболее прогрессивное направление в области внедрения статистических методов контроля — полная их автоматизация, что имеет особо важное значение при автоматизации всего процесса изготовления изделий. По степени автоматизации различают блокирующий контроль для определения момента разладки процесса обработки и его своевременной остановки и управля72 ющий (активный) контроль, обеспечивающий автоматическую подналадку процесса обработки. По способу отбора изделий для автоматического контроля различают: сплошной контроль — проверке подвергается каждое изделие, движущееся но потоку; выборочный групповой контроль — проверке подвергается часть изделий потока, причем отбор этой части осуществляется отдельными группами (например, по пять изделий после каждых 100 изделий, проходящих по потоку), и выборочный единичный контроль — единичные изделия отбираются из потока для проверки через регулярные промежутки времени (например, отбирается каждое двадцатое или каждое десятое изделие). По способу установления годности контролируемого изделия различают: альтернативный (качественный) контроль, при котором изделия классифицируются как «годные» или «брак»; количественный контроль, когда производится количественная оценка контролируемого признака качества. 3.5. Приемный статистический контроль Приемный контроль служит для окончательного определения годности продукции. Если проверяется каждая единица продукции, то приемный контроль называется сплошным. Если же на соответствие чертежу и техническим условиям проверяют часть изделий и по результатам проверки судят о годности всей предъявленной продукции, то приемный контроль называется выборочным или статистическим. Приемный контроль, как правило, является завершающей операцией определенного этапа технологического процесса, поэтому ему может предшествовать операционный предупредительный контроль. Выбор метода приемного контроля и его эффективность в значительной мере определяются, во-первых, характером причин, вызывающих брак, которые выявляются на основе статистического анализа, а во-вторых, профилактикой брака в процессе изготовления продукции. 73 Приемный контроль может быть использован для проверки качества укомплектованных партий, качества подпартии перед комплектованием партии и для проверки качества изделий, движущихся по линии поточной и конвейерной обработки (сборки). Простейший приемный статистический контроль укомплектованной партии состоит из следующих этапов: 1) извлечение выборки из партии; 2) проверка изделий, входящих в выборку; 3) принятие решения о качестве партии. Возможны три вида решений: принять партию, продолжать контроль (извлечь еще одну или еще несколько выборок) или забраковать партию. I простейшем случае ограничиваются одним из двух решений — принять пли забраковать партию; забракованная партия может быть либо подвергнута сплошной проверке, либо полностью изъята или возвращена исполнителю для разбраковки и исправления. Главным, что определяет надежность выборочного контроля, является установление числа изделий, подлежащих контролю, и правил, на основе которых выносится решение о годности партии. Выборочный контроль не может исключить случаи пропуска брака. Полную гарантию качества принятой продукции может дать только сплошной контроль. Однако при высоком гимна проверки изделий степень надежности сплошного ручного контроля обычно невелика, так как на качестве приемки сильно сказывается утомление контролеров. Переход к выборочному контролю с тщательной я медленной проверкой изделий повышает надежность контроля. Выборочный контроль, естественно, неизбежен при испытаниях с разрушением изделия. Он целесообразен при межоперационной приемке продукции, при контроле массовых изделий и во всех случаях, когда сплошной контроль связан с большими издержками. Существует целый ряд методов статистического приемного контроля, предназначенных дли кип, чтобы удовлетворить по74 требности производства при различных условиях. Можно указать положения, общие для всех этих методов. Если в соответствии с правилами приемного контроля но выборке (или по нескольким выборкам) судят о годности всей партии, то может быть указана зависимость между долей дефектности, имеющейся в партии, и вероятностью ее забракования. Эта зависимость, выраженная графически, так же как и в случае предупредительного контроля, носит название оперативной характеристики контроля. Основная масса сведений о качестве продукции, как правило, складывается из данных о контроле выборок изделий. Поэтому весьма важна оценка входного и выходного качества по этим данным. Поскольку оценка входного качества поданным контроля выборок весьма приблизительна и предварительная оценка выходного качества может быть лишь ориентировочной, производят последующую оценку выходного качества, основываясь на подсчете числа пропущенных при контроле дефектных изделий. Наличие предварительной и последующей оценок позволяет удовлетворить заданным требованиям к выходному качеству. 3.6. Испытания радиоаппаратуры Радиоаппаратура становится все более сложной, содержит во многих случаях тысячи и десятки тысяч элементов, и нередко выход из строя хотя бы одного элемента приводит подчас к выходу из строя изделия и к связанным с этим большим материальным потерям. Поэтому очень важно организовать, надежный контроль качества элементов, поступающих па сборку, а так же контроль операций сборки, монтажа и регулировки аппаратуры. Трудоемкость контрольно-испытательных работ очень велика, и ее сокращение является одним из важных путей снижения себестоимости продукции. Под испытанием радиоаппаратуры понимается проверка ее соответствия техническим требованиям. Испытания включают контроль параметров радиоаппаратуры и ее элементов при различных условиях эксплуатации и с 75 течением времени. В более узком смысле слова под испытаниями понимается проверка устойчивости работы аппаратуры при воздействии внешних факторов: климатических, механических и электрических. Обычно все параметры, характеризующие изделие, с достаточной пол нотой отражены в соответствующей технической документации (в технических условиях, чертежах, ведомственных нормалях, государственных стандартах). Испытания радиоаппаратуры с точки зрения получаемых результатов можно разделить на две основные группы: испытания, результаты которых можно выразить количественно (проверка величин параметров); испытания, которые пост в основном качественный характер (например, проверка внешнего вида, соответствия чертежу и некоторые другие). Наибольшее число испытаний при проверке каждого изделия радиоаппаратуры связано с определением ее погрешностей. Испытания изделий радиоаппаратуры на всех этапах проектирования ее должны всемерно способствовать выявлению недостатков и улучшению конструкции и технологии изготовления. Методика испытаний опытных образцов существенно отличается от испытаний серийно изготовляемых изделий. Испытания опытных образцов и опытных серий называются предварительными испытаниями и подразделяются на стендовые и полевые. Стендовые испытания происходят на месте изготовления аппаратуры в специально оборудованных лабораториях по всем параметрам, предусмотренным ТУ. В процессе стендовых испытаний не всегда можно воспроизвести весь комплекс условий эксплуатации, поэтому проводят испытания в реальных условиях работы аппаратуры: на самолете, корабле, автомобиле и т. д. В серийном производстве изготовленные изделия подвергают испытаниям, которые можно разделить на приемные, приемо-сдаточные, периодические и проверочные. 76 4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВОК 4.1. Способы получения заготовок и их выбор Металлические детали радиоаппаратуры за отдельными исключениями можно изготовить механической обработкой материалов, поставляемых металлургической промышленностью в виде прут-кон, полос, лент или листов. Однако для уменьшения расхода материала и сокращения объема малопроизводительной механической обработки целесообразно получать заготовки, приближающиеся по форме и размерам к готовой детали, без снятия стружки. Такие особенности деталей радиоаппаратуры, как малые размеры, значительный удельный пес диетных металлов, повышенные требования к точности размеров и внешнему виду, серийный или массовый (в большинстве случаев) характер производства, способствуют широкому применению прогрессивных способов обработки без снятия стружки: литья в металлические формы (кокили), под давлением, но выплавляемым моделям, обработки давлением (включая холодную и горячую штамповку), высадку, волочение, накатывание резьбы, накатывание зубчатых колес) и др. Технологические процессы, основанные на использовании способов обработки без снятии стружки, по сравнению с процессами, основной частью которых является механическая обработка металлов резанием, обладают следующими основными преимуществами: 1) более высокая производительность; 2) меньший расход металла (главным образом вследствие уменьшения или полного устранения припусков на механическую обработку); 3) меньшее количество операций и меньшая длительность производственного цикли; 4) относительно постоянная и высокая степень точности, зависящая II основном от точности изготовления инструментов (штампов, форм) и в меньшей степени от искусства рабочего; 77 5) благоприятные условия для механизации и автоматизации технологического процесса и дин перехода па многостаночное обслуживание; 6) в большинстве случаев экономия производственной площади. Выбор вида заготовки, а следовательно, и способа ее получения имеет важное значение, так как определяет расход материала, трудоемкость процесса изготовления детали, конструкцию технологической оснастки и в конечном счете себестоимость детали. С другой стороны, выбор способа получения заготовки определяется следующими основными факторами: 1) имеющееся на данном предприятии оборудование; 2) конструкция и, в частности, размеры детали; 3) род, профиль и технологические свойства применяемого материала; 4) объем производства, т. е. количество изготовляемых деталей в единицу времени. Для решения попроси, какой вид заготовки целесообразно применять и каждом отдельном случае, необходимо выполнять технико-экономический расчет с учетом стоимости, материала и изготовления заготовки, а также стоимости обработки до получения готовой детали. Таким образом, на выбор вида заготовки влияют как конструктивные, так и технологические соображения. Конструктор радиоаппаратуры должен хорошо знать технологию производства радиоприборов и в процессе разработки аппаратуры и деталей привлекать технологов для совместного решения основных конструктивно-технологических вопросов. Важным показателем целесообразности выбора того или иного вида па кнопки является коэффициент использования материала: k Qд / Qз , где Qд — вес готовой детали; Q3 — вес заготовки. 78 Разумеется, идеальным случаем было бы k= 1. Для того чтобы улучшить коэффициент использования материала, заготовку по конфигурации и по размерам следует приближать к готовой детали. Размеры обрабатываемых поверхностей детали, а также припуски на обработку должны быть минимальны. Наибольший коэффициент использования материала дают технологические процессы с использованием обработки давлением — холодной штамповки, а также различных видов точного литья. 4.2. Основные виды холодной штамповки Основной способ получения заготовок в радиотехнической промышленности — холодная штамповка. В радиовещательных приемниках число штампованных деталей, как правило, составляет 40—60% от общего количества всех деталей. Существуют такие радиоприборы, в которых до 90% деталей получают с помощью холодной штамповки. Широкое применение штампованных деталей объясняется прежде всего их малой стоимостью, большой производительностью при изготовлении и относительно небольшой материалоемкостью. Холодной штамповкой выполняется несколько десятков различных операций. Большинство из них осуществляется только в результате пластических деформаций без разрушения материала заготовки, например вытяжка, гибка, отбортовка, рельефная а и др. Другие операции, например вырубка, обрезка, пробника отверстий, обрезка-гибка и др., производятся с местным разрушением материала. Штамповка обладает рядом преимуществ перед другими видами обработки материалов: 1) простота технологического процесса (возможность при малом числе переходов получать детали весьма сложной формы); 2) высокая производительность (каждый технологический переход выполняется за один удар пресса), позволяющая на небольшой площади при малом количестве единиц оборудования изготовить и короткие сроки большое количество деталей; 79 3) относительная и абсолютная дешевизны деталей, обусловленная простотой оборудования, возможность использования рабочих относительно низкой квалификации, высокой стойкостью инструмента и др.; 4) хорошая приспосабливаемость оборудования и штампов к различным масштабам производства (от среднего до массового) и возможность полной или почти полной автоматизации и механизации работ; 5) возможность комбинирования с другими видами технологических процессов (обработкой резанием, спаркой, пайкой, прессованием пластмасс и др.); 6) удобство утилизации отходов (полосы и ленты); 7) возможность применения и массовом, серийном и мелкосерийном производстве; 8) достаточная точность. Основа точной штамповки высокая культура эксплуатации штампов. штамповки — сравнительно высокая стоимость штампов. Недостаточно высокое качество поверхности деталей, сложность получения толстостенных заготовок. Затраты по эксплуатации штампов, отнесенные к единице продукции, резко возрастают при малых программах выпуска, когда штампы далеко не доводятся до полного износа. Особенно велики эти затраты, если общее число изготовляемых деталей меньше трех- четырехкратной стойкости штампа. Рис. 4.1. Листовой вырубной штамп 80 Снижение стоимости изготовления штампов достигается различными путями. Наиболее эффективными и пригодными для любого объема производства являются нормализация и стандартизация деталей и узлов штампов, а также серийный выпуск таких деталей и узлов инструментальными заводами в централизованном порядке. В этом случае стоимость и трудоемкость изготовления штампов снижаются на 25—30%. Экономичность применения холодной штамповки при малом объеме производства обусловливается в первую очередь выбором рациональной конструкций штампа. В на стоящее время имеется ряд, конструкций специальных и универсальных штампов, разработанных для этих условий. Из них в первую очередь следует отметить листовые (рис. 4.1), т. е. пинцетные и вафельные, упрощенные (рис. 4.2) и литые штампы. Рис. 4.2. Упрощенный вырубной штамп Длительность операций на упрощенных штампах превышает длительность операций на инструментальных штампах в 10—12 раз, в на литых — в 15—40. Во столько же раз увеличиваются и расходы по заработной плате Основными преимуществами листовых и литых штампов являются малые трудоемкость и стоимость их изготовления. Наряду с приведенными конструкциями штампом широкое применение в мелкосерийном производстве находят быстро81 сменные пластинчатые штампы, пакеты которых изготавливают, дли каждой детали, и устанавливают в стандартном блоке, обслуживающем ряд пакетов, Замена пакета длится несколько минут. Стойкость стандартного блока достаточно велика и составляет 1,5—2,5 млн. ударов, а стоимость его изготовления меньше стоимости изготовления инструментального штампа таких же габаритов. При очень малом объеме производства применяется поэлементная штамповка на универсальных штампах - конструкции В. М. Богданова. Метод поэлементной штамповки заключается в том, что контур деталей образуется за ряд последовательных переходов. Как известно, контур любой детали можно составить из отдельных элементов — прямых линий, закруглений, отверстий и т. д. Таким образом, имея набор универсальных штампов из совершенно одинаковых, но по-разному сопряженных между собой элементов, можно построить различные по конфигурации и размерам детали (рис. 4.3), обрабатывая их контуры поэлементно на различных штампах. Рис. 4.3. Детали, полученные методом поэлементной штамповки По характеру обрабатываемого материала различают штамповку из листового материала, обычно называемую просто штамповкой, и штамповку из пруткового материала, которую называют холодной высадкой. 82 Все операции, выполняемые холодной штамповкой, можно разбить на две группы: 1) разделительные операции, посредством которых одна часть материала полностью или частично отделяется от другой. К таким операциям относятся от резка, вырубка, пробивка, под резка, обрезка, зачистка и калибровка; 2) формоизменяющие операции, посредством которых плоская или пространственная заготовка превращается в пространственную деталь заданной формы и размеров. К таким операциям относятся гибка, отбортовка, вытяжка, чеканка, объемная штамповка и др. Для сокращения технологического цикла, повышения точности и штампуемых деталей и увеличения производительности отдельные операции штамповки объединяют, т. е. выполняют их одновременно в одном штампе. Такое объединение технологически различных операций штамповки называется комбинированной штамповкой. Вопросы технологии холодной штамповки изложены в трудах проф. А. Н. Малова. Рассмотрим более подробно основные ее операции. а) Отрезка Крупные заготовки отрезают ножницами, а мелкие заготовки и (в виде исключения) полосы – в штампах на прессах. Отрезка на ножницах. Заготовки, отрезаемые на ножницах, можно разделить в зависимости от их конфигурации в основном на два вида: 1) заготовки с контурами, очерченными прямыми линиями; 2) заготовки с контурами, очерченными кривыми или сопряженными кривыми и прямыми линиями. Заготовки первого вида, имеющие форму простых геометрических фигур прямоугольника, квадрата, треугольника, трапеции и т. д. отрезают па ручных рычажных ножницах (балансирных) и на приводных гильотинных или дисковых ножницах с прямо поставленными ножами. 83 Заготовки второго вида отрезают на дисковых ножницах с наклонно поставленными ножами или па вибрационных ножницах. Если отделение одной масти материала от другой (на ножницах) происходит по замкнутому контуру, операция получает название вырезки И мелкосерийном производстве заготовки с прямолинейными контурами ил листов толщиной по более 2 мм и шириной до 450 мм отрезают по упору па ручных рычажных ножницах, а заготовки шириной более 450 мм — но разметке. Точность отрезки но упору соответствует 7-му классу, а по разметке — 9-му. Узкие и длинные заготовки при отрезке на ножницах искривляются, поэтому после отрезки их подвергают правке. В серийном и массовом производстве для отрезки применяют гильотинные и дисковые ножницы. Данные о точности отрезки на гильотинных ножницах приведены в табл. 4 1. Таблица 4.1 Точность отрезки па приводных гильотинных ножницах (в мм) Толщина Ширина отрезаемой заготовки, мм заготовки, 30 40 50 75 100 125 150 200 мм 0,5 ±0,2 ±0,2 ±0,3 ±0,3 ±0,4 ±0,4 ±0,4 ±0,5 0,5-1,0 ±0,3 ±0,3 ±0,3 ±0,3 ±0,4 ±0,4 ±0,4 ±0,5 0,1-2,0 ±0,3 ±0,3 ±0,3 ±0,4 ±0,4 ±0,4 ±0,5 ±0,5 2,0-3,0 ±0,3 ±0,3 ±0,4 ±0,4 ±0,4 ±0,5 ±0,5 ±0,5 3,0-4,0 ±0,4 ±0,4 ±0,4 ±0,5 ±0,5 ±0,6 ±0,6 4,0-5,0 ±0,6 ±0,6 ±0,8 ±0,8 ±1,0 ±1,0 5,0-7,0 ±0,8 ±1,0 ±1,0 ±1,4 ±1,4 Кроме гильотинных ножниц, для отрезки полос применяют дисковые ножницы с прямо поставленными ножами: в серийном производстве — однороликовые, в массовом — многороликовые. Точность отрезки на дисковых ножницах с прямо поставленными ножами соответствует 7-му классу. Полосы, отрезае84 мые на дисковых ножницах, искривляются и нуждаются в правке; кроме того, на них остаются заусенцы, которые приходится устранять вручную специальными скребками. Отрезка (вырезка) заготовок с криволинейными контурами, как указывалось выше, выполняется на дисковых ножницах с наклонно поставленными ножами. Точность отрезки (вырезки) соответствует 8—9-му классам. Наименьший радиус кривизны, который может быть получен при отрезке (вырезке), зависит от диаметра ножей и составляет от 0,4 до 0,7 последнего. Отрезка (вырезка) заготовок с малыми радиусами кривизны (меньше 12 мм) и вырезка отверстий без предварительного сверления при условии, что толщина материала не превышает 3 мм, выполняется по разметке па вибрационных ножницах. После отрезки требуется ручная обработка (опиливание) для удаления заусенцев и подсечек по контуру. Точность отрезки (вырезки) на вибрационных ножницах соответствует 9-му классу. Рис. 4.4. Схемы отрезки без перемычек в универсальном отрезном штампе: а – прямоугольных заготовок от листа; б и в – треугольников от полосы; г – трапеции от полосы Отрезка в штампах на прессах. Отрезка заготовок (деталей) из листового материала в штампах на прессах выполняется либо без перемычек между отрезаемыми заготовками (безотходная отрезка), либо с перемычками. Точность отрезки в штампах соответствует 8—9-му классам. Отрезка без перемычек (рис. 4-4) 85 осуществляется на универсальном отрезном штампе с ножами, расположенными под углом 90° друг к другу и повернутыми под углом 45° относительно вертикальной осп штампа. Особенностью этого способа является получение двух заготовок (деталей) за один ход пресса. Заготовки, ширина которых равна ширине полосы, а часть контура очерчена кривыми линиями, получают, вырубая часть материала (перемычку) фасонным пуансоном. При толщине материала до 1,0 мм минимальная ширина перемычки принимается равной 3 мм, а при толщине более 1,0 мм — от двух до четырех толщин разрезаемого материала. б) Вырубка и пробивка Вырубка. При вырубке происходит отделение заготовки от исходного материала (листа) по замкнутому контуру. Вырубкой киот плоские детали и заготовки различных форм и размены рубка осуществляется в штампах на эксцентриковых или кривошипных прессах простого действия. При выборе штампов для вырубки необходимо исходить из объема производства, размеров и конфигурации изготовляемых деталей. В мелкосерийном производстве для штамповки небольших деталей с плавным контуром на листа толщиной до 1,0 мм (для стали) или до 1,5 мм (для цветных металлов) применяют вафельные штампы. Если толщина листа превышает приведенные значения, вырубку выполняют по шаблону или по разметке в просечных штампах. При серийном производстве (до 25 000 шт.) небольших деталей ил материала толщиной менее 3 мм можно применять пластинчатые штампы. Наконец, при серийном производстве деталей па материала толщиной более 3 мм и при массовом производстве деталей из материала любой толщины следует применять инструментальные штампы (как правило, с направляющими колонками). В раде случаем стоимость материала составляет 60—75% от общей себестоимости штампованных деталей, поэтому рациональное использование материала и его экономия, особенно в серийном в массовом производствах, являются весьма важной 86 задачей. Экономия материала достигается путем наивыгоднейшего расположения вырубаемых деталей в полосе, а полос — в листе, или, как принято говорить, наивыгоднейшего «раскроя материала», форма которого должна соответствовать конфигурации вырубаемых деталей и обеспечивать наименьший отход материала. Раскрой с перемычками применяют для получения деталей с криволинейным контуром — независимо от допусков на размеры и требований к чистоте поверхности среза, а также деталей, контур которых образовав прямыми линиями, но имеющих допуски на размеры по 5- 7-му классам точности. Для деталей с прямолинейным контуром, изготовляемы» по 8 -9-му классам точности с пониженными требованиями к чистоте поверхности среза, применяют раскрой без перемычек. Раскрой листа на полосы нужно проектировать с таким расчетом, чтобы от каждого листа оставалось возможно меньше отходов. Лист может быть раскроен в продольном или в поперечном направлении. Продольный раскрой выгоднее в отношении производительности при вырубке и отрезке. В условиях массового производства, особенно при вырубке деталей из цветных металлов, необходимо также решить задачу рационального использования отходом. Пробивка. Пробивкой получают отверстия различных форм и размеров в деталях из листа (плоских и объемных). Чаще пробивают отверстия круглые, квадратные и прямоугольные, с закруглениями или без них. Минимальные расстояния между кромками отверстий при пробивке, а также между краем полосы (детали) и кромкой отверстия определяются конфигурацией детали, формой отверстия и толщиной штампуемого материала. Эти расстояния должны быть достаточны, чтобы исключить возможность разрушения перемычки при пробивке или вырубке. Если в детали нужно пробить два или более отверстий, то одновременная пробивка их возможна только в том случае, когда расстояние между кромками отверстий превышает следующие величины (в миллиметрах). Толщина материала . . . . 0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 87 Расстояние между кромками отверстий . . . . 2,0 3,0 3,5 4,5 5,0 5,0 6,0 6,0 При вырубке и пробивке материал по поверхности среза упрочняется, в результате чего изменяются его механические и физические свойства. Качество поверхности среза, глубина упрочненного (наклепанного) слоя, а вместе с этим и стойкость штампов зависят от величины зазора между пуансоном и матрицей. Если зазор больше определенного для каждого материала максимального значения, то при вырубке (пробивке) деталь получает изгиб и возникает значительная конусность по поверхности среза. Если же зазор меньше некоторой минимальной величины, то поверхность среза расслаивается, а на верхней кромке детали образуются заусенцы г неровными зубчатыми краями. Кроме того, при заниженных зазорах стойкость штампов резко падает. Предельные величины зазоров при вырубке (пробивке) приведены в табл. 4.2. Таблица 4.2 Зазоры между пуансоном и матрицей при вырубке и пробивке Величина зазора в процентах от толщины штампуемого материала Материал Минимальная Максимальная Алюминий . . . . . . . . . . 3 8 Медь, отожженная латунь, мягкая сталь . . . . . . . . . 5 12 Дюралюминий твердый, латунь наклепанная, сталь средней твердости . . . . . 6 14 Твердая сталь . . . . . . . . 7 16 Фибра, текстолит, гетинакс толщиной до 4 мм . . . . . . 2,5 6 То же толщиной более 4 мм. 2 5 Картон, бумага, кожа, асбест . . . . . . . . . . 1,5 3 Слюда . . . . . . . . . . . . 5 9 88 Точность, достигаемая при вырубке и пробивке, зависит от ряда факторов. Основные из них: а) точность изготовления рабочих, фиксирующих и направляющих деталей штамма и степень их износа; б) размеры вырубаемой детали или пробиваемого отверстия, сложность их конфигурации II толщина материала; в) точность базировки заготовки при пробивке и отрезке (вырубке части контура); г) величина зазора между пуансоном и матрицей и равномерность его распределения; д) тип штампа и его конструктивные особенности (с направлением пли без направления, наличие делительных устройств и т. д.); е) упругие деформации детали при вырубке или пробнике; ж) плоскостность полосы при вырубке или детали (заготовках при пробнике); з) техническое состояние пресса и упругие деформации станины при нагрузки (ударе). в) Надрезка, отрезка и просечка Все прочие операции, относящиеся к группе разделительных, мало отличаются от отрезки, вырубки и пробивки. Их особенности обуславливаются назначением и характером выполняемой работы. Для получения в деталях из листа язычков, упоров-лапок и т. п. (рис. 4.5) применяется надрез к а по части контура, что достигается соответствующей заточкой пуансона. Надрезка сопровождается изгибом надрезаемой части металла. Подбирая угол скоса пуансона, можно не только получить изгиб надрезанной части на угол до 90°, но и придать детали нужную форму. 89 Рис. 4.5. Детали с язычками, полученными надрезкой Для удаления излишков материала или неровных краев после вытяжки, рельефной штамповки, штамповки истечением и объем-поп штамповки производится обрезка. Крупные заготовки в мелкосерийном производстве обрезают на дисковых ножницах с наклонно поставленными ножами. Мелкие заготовки, представляющие собой тела вращения (без фланцев), независимо от толщины стенок в мелкосерийном производстве и при толщине стенок более 1,5 мм в серийном и массовом производстве обрезают на токарных или револьверных станках. Заготовки с фланцем любой толщины и формы, заготовки любой формы без фланца, но с толщиной стенок менее 1,5 мм в серийном и массовом производстве обрезают в штампах. Точность обрезки соответствует 7—9-му классам. Рис. 4.6. Детали, полученные надрезкой Для получения плоских деталей с отверстиями и без отверстий из листовых неметаллических материалов (бумага, картон, кожа, т. д.) применяют просечку. В отличие от вырубки пробивки при просечке отсутствуют сопряженные режущие кромки (есть пуансон, но нет матрицы). Просечку выполняют с применением подкладок (обычно фибра, иногда дерево) или без них. При просечке без подкладок в заготовках необходимо предварительно пробивать по кондуктору отверстия под фиксаторы и применять штампы с направляющими кантиками; при просечке с подкладками предварительной пробивки не производят, а операцию ведут в штампах без направляющих. 90 г) Зачистка (чистовая вырубка) и калибровка Зачистка. Зачистку в штампах применяют в следующих случаях: 1) если точность размеров отштампованных деталей невелика (Ответствует 3—4-му классам); 2) если предъявляются повышенные требования к чистоте поверхности среза; 3) когда наружный контур детали используется в качестве базы выполнения последующих операций. Зачистка осуществляется в штампах на эксцентриковых, кривошипных или вибрационных прессах. В отличие от вырубки процесс зачистки сопровождается снятием стружки. Рис. 4.7. Укладка заготовок на матрицу для зачистки: 1 – матрица; 2- заготовка; а – срезанный припуск Существуют две схемы выполнения зачистки: обычная схема, когда матрица имеет размеры зачищаемой детали, а пуансоны меньше матрицы на величину зари, обычно не превышающего 3—8 мк, и схема зачистки пуансоном «полнее» матрицы. Во втором случае матрица имеет размеры зачищаемой детали, а пуансон— размеры заготовки, поступающей на зачистку. При зачистке по этой схеме пуансон не доходит до поверхности матрицы примерно на 0,2—0,3 мм. Деталь проталкивается через матрицу следующей по порядку зачищаемой деталью. Для предотвращения вырывов металла по кромкам зачищаемые заготовки, имеющие конусность по поверхности среза, необходимо укладывать на поверхность зачисткой матрицы более широкой частью (рис. 4.7). 91 Калибровка. Калибровка применяется для повышения точности размеров и чистоты Поверхности отверстий после сверления или пробивки. Калибровка производится как со снятием, так и без снятия стружки. Особенностью калибровки со снятием стружки является отсутствие сопряженных режущих кромок. Роль матрицы выполняет пластина с лупкой, диаметр которой не меньше полуторного диаметра калибруемого отверстия. Рис. 4.8. Последовательность гибки деталей на универсальногибочных штампах и характерные профили изгибаемых деталей Калибровку отверстий без снятия стружки осуществляют с помощью дорна, шарика или соответствующего сечению калибруемого отверстия какого-либо тела вращения, При этом происходит уплотнение поверхностного слоя отверстия, Припуск- под калибровку без снятия стружки в основном зависит от свойств материала обрабатываемой детали и точности исполнения от92 верстия под калибровку. Обычно он составляет 0,05—0,1 мм. Точность калибровки 0,02— 0,05 мм. Чистота поверхности соответствует 8—10-му классам. д) Гибка и правка Гибка. Процесс гибки состоит в изгибании части плоской или объемной заготовки под углом (или по радиусу) к другой ее Части. Гибка производится на гибочных машинах, в приспособлениях, на прессах в штампах и на профилировочных станках. Крупные детали из листового материала, требующие прямолинейной гибки, в мелкосерийном и серийном производстве изгибают на ручных гибочных машинах или в специальных приспособлениях (при толщине исходного материала до 2—2,5 мм). Для гибки более толстого материала применяют приводные гибочные станки. Мелкие детали в серийном и в массовом производстве изгибают в штампах па прессах; в серийном производстве применяются простые и универсальны штампы, а в массовом — специальные. В универсальных штампах гибка деталей с несколькими линиями изгиба расчленяется на ряд последовательных операций, число которых равно числу изгибов детали (рис. 4-8). Весьма важное значение имеет радиус гиба: если он слишком мал, то и разрыв наружных слоев материала. Минимальная допустимая величина радиуса зависит от механических свойств материала, его толщины, направления линии гиба относительно направления прокатки, положения заусенца при гибке, угла изгиба. Правка (рихтовка). Полосы после отрезки на ножницах и большинство деталей после галтовки, вырубки и пробивки на штампах последовательного действия нуждаются в правке (рихтовке). Правка плоских заготовок выполняется в штампах на Фрикционных или чеканочных прессах или же на вальцах. Вальцы обычно применяются для правки полос и листов, штампы — для иранки мелких заготовок. е) Вытяжка 93 Объемные полые детали различных форм из листового материала получают вытяжкой в штампах на кривошипных прессах простого или двойного действия. Различают вытяжку без утонении и вытяжку с утонением. Рис. 4.9. Деталь, полученная обратной вытяжкой При вытяжке без утонения превращение плоской заготовки в полую деталь или последующие изменения ее формы происходят без преднамеренного изменения толщины исходного материала, хотя в действительности на некоторых участках детали имеет место утонение, а на других — увеличение толщины. При вытяжке с утонением изменение формы плоской или предварительно вытянутой заготовки происходит с заранее заданным утонением стенок. Вытяжка без утонения может производиться с прижимом и без прижима заготовки. Для вытяжки с прижимом необходимо применять прессы двойного или простого действия; в последнем случае в конструкции штампа должно быть предусмотрено прижимное устройство; вытяжка без прижима производится и на прессах простого действия. Вытяжка с утонением выполняется только без прижима заготовки, на прессах простого действия. Глубокую вытяжку осуществляют за несколько операций. Для получения деталей с двойной стенкой (рис. 4.9), а также обычных деталей с фланцем применяют обратную, или, как иногда называют, реверсивную вытяжку. При изготовлении тонкостенных деталей сложной рельефной формы применяют вы94 тяжку в штампах с резиновым пуансоном (матрицей) и гидравлическую вытяжку. ж) Выдавливание Выдавливание из листового материала на токарнодавильных станках используется дли получения полых деталей, имеющих форму тел вращения с толщиной стенок, равной толщине исходного материала, Выдавливание применяется при небольшом количестве обрабатываемых деталей, когда нерентабельно изготовлять вытяжные штампы или если детали имеют форму, которую невозможно получить вытяжкой. Толщина материала, обрабатываемого выдавливанием, не превышает 1 мм для стали и 1,5—2 мм цветных металлов. Рис. 4.10. Последовательность штамповки детали со сложным рельефом Выдавливание представляет собой малопроизводительную операцию, которую при обычных условиях работы может выполнить лишь высококвалифицированный рабочий. з) Рельефная штамповка 95 Рельефная штамповка применяется для выдавливания на плоской заготовке выпуклого или вогнутого рельефа (рифтов, гофров). Рельефная штамповка выполняется в штампах на эксцентриковых и кривошипных прессах. Глубокий и сложный рельеф получают за несколько операций. Сначала штампуют наиболее удаленные от края заготовки рифты (рис. 4.10), постепенно переходя к краю заготовки. В процессе рельефной штамповки происходит «утяжка» материала, что вызывает искажение вызывает искажение контура плоской части заготовки, устраняемое последующей обрезкой. Утяжка, а следовательно, и припуск на обрезку тем больше, чем сложнее и глубже рельеф и чем ближе он расположен к краям заготовки. и) Отбортовка Отбортовка применяется для образования в полой плоской заготовке с предварительно пробитым отверстием (иногда и без него) отверстия большего диаметра с замкнутым цилиндрическим или иной формы бортом. Отбортовка применяется также для повышении жесткости некоторых деталей радиоприбора (крышки, корпуса и т. п.) с применением операции гибких плоских краев по контуру детали. Отбортовка выполняется в штампах на эксцентриковых и кривошипных прессах. Минимальная высота отбортовки зависит от толщины стенки заготовки, а максимальная — от механических свойств ее материала, чистоты обработки растягиваемой кромки и степени ее упрочнения. Если высота детали должна быть меньше минимально допустимой высоты кромки, а также для получения толщины кромки, равной толщине материала детали, выполняют отбортовку на большую высоту, а излишек материала удаляют обрезкой. Если же высота отбортовки детали должна быть больше максимально достижимой, то деталь изготовляют вытяжкой с последующей пробивкой отверстия и отбортовкой. к) Штамповка истечением 96 Сущность процесса штамповки истечением (экструдингпроцесса) заключается в следующем. Если к заготовке, положенной в полость матрицы, приложить, ударное давление пуансона, то материал приходит и пластическое состояние и течет в зазор между матрицей и пуансоном навстречу движению последнего или в углубление матрицы ни направлению движения пуансона (рис. 4.11) .Первый случай представляет собой обратный, а второй — прямой способ штамповки истечением. Рис. 4.11. Способы штамповки истечением: а – обратный; б – прямой Штамповкой истечением обрабатывают свинцовые сплавы, олово, алюминий, латунь, значительно реже — малоуглеродистую сталь. Точность деталей, получаемых штамповкой истечением, зависит и основном от свойств материала и точности изготовления штампов. Минимальные допуски при штамповке деталей из алюминиевых сплавов следующие: Толщина стенки ................................... ±0,03 ÷ 0,05 мм Толщина дна ......................................... ÷0,1 мм 97 Диаметр: внутренний ........................... ±0,03 мм наружный.............................. ±0,05 » При штамповке истечением деталей из медных сплавов допуски увеличиваются на 15—20%, из цинковых — на 10—15%. л) Чеканка Чеканка представляет собой операцию обжатия заготовки с целью получения гладких поверхностей и точных размеров, а также выпуклого рисунка, надписей и т. п. на поверхности детали. Чеканка выполняется при помощи штампов на специальных чеканочных прессах или на винтовых фрикционных прессах. Различают три вида чеканки: плоскостную, объемную и комбинированную. При плоскостной чеканке обработке подвергаются только отдельные параллельные плоскости штампованных деталей, при этом допускается изменение конфигурации детали в направлениях, перпендикулярных направлению давления. Во избежание коробления, особенно при чеканке длинных деталей, необходимо подвергать частичному обжатию некоторые поверхности детали, не требующие точных размеров. При объемной чеканке обрабатываются все поверхности штампованных деталей, а избыточный материал вытесняется из штампа в виде заусенца, который в дальнейшем удаляют с детали обработкой на наждачном круге, запиловкой вручную или обрезкой в специальном обрезном штампе. Объемная чеканка позволяет получать штампованные детали высокой точности. Комбинированная чеканка состоит из последовательных операций и плоскостной чеканки. Сначала осуществляют объемную чеканку, а по отдельным, наиболее точным поверхностям оставляют припуск под плоскостную чеканку. Комбинированную чеканку применяют обычно в тех случаях, когда требуется получить чистые, гладкие поверхности с точными размерами между отдельными плоскостями. Качество и точность чеканных 98 деталей зависят от предварительной подготовки заготовок, т. е. от состояния их поверхности и величины припусков. м) Объемная штамповка К объемной штамповке относятся операции высадки, прессования и кернения. Высадка. При высадке на заготовках из листового материала — плоских, изогнутых или вытянутых — получают местные утолщения любой формы; высадкой сплошных заготовок из проволоки или прутка получают заготовки винтов, заклепок и т. п. Высадка деталей из листового материала осуществляется в штампах на фрикционных и чеканочных прессах, а деталей из проволоки или прутков — на холодновысадочных автоматах. На рис. 4.12 приведены примеры высадки наружных утолщений на полых и плоских заготовках. Число операций при высадке зависит от количества материала, требующегося для образования данного утолщения. Если L ≤ 2а и k > 1,5 а (рис, 4-12) или L = (2,5 ÷ 3) а и k ≤ 1,5 а, то высадку можно выполнить за одну операцию; если же L > 3 а и k < 1,5 а, то высадка выполняется за две операции и более. При высадке за две операции и более необходимо производить междуоперационный отжиг для восстановления пластических свойств материала. 99 Рис. 4.12. Высадка на полых и плоских заготовках Прессование. Операция прессования применяется для изготовления плоских деталей с неглубоким рельефом. Прессование производится из полосы, прутка или отдельной заготовки. Материал для прессования должен обладать хорошими пластическими свойствами. Прессование в полосе применяется при изготовлении мелких деталей. Если в детали нет отверстий, то после прессования полоса поступает на штамп для вырубки; при наличии отверстий полоса передается на штампы для пробивки и вырубки. Кернение. Кернение, т. е. разметка отверстий под сверление не при помощи керновочных штампов, применяется в серийном и массовом производстве при изготовлении мелких плоских деталей с большим количеством отверстий и сложным их расположением. При кернении в штампах отпадает необходимость сверления отверстий по кондукторам, что увеличивает производительность этой операции и снижает себестоимость продукции. Общим для всех форм керновочных углублений является то, что угол кернения а меньше угла при вершине сверла; обычно этот угол равен 80-90° н) Комбинированная штамповка 100 Под комбинированной штамповкой понимается выполнение Л пух или нескольких технологически различных операций в одном штампе. Она осуществляется в штампах последовательного и совмещенного действия. Экономическая целесообразность применения комбинированной штамповки зависит от общего числа обрабатываемых деталей, а техническая возможность осуществления этого способа — от их размеров, конструкции и точности. Комбинированная штамповка в штампах последовательного действия. Применяется при изготовлении мелких деталей (5—9-го классов точности) из материала толщиной от 0,3 до 6 мм, когда допускается смещение отверстия по отношению к контуру. На рис. 4.13 приведены примеры совмещения пробивки и отрезки плоской детали. Эти операции объединяют в одном штампе. Рис. 4.13. Схемы последовательной пробивки и отрезки: 1 – упор; 2 – отрезной пуансон; 3 – полоса; 4 и 5 – детали; 6 – пуансон для формования зубцов В тех случаях, когда выполняются последовательно пробивка и вырубка, необходимо осуществить несколько переходов, число которых зависит от расстояния между кромками отверстий, между кромками отверстий и кромкой контура вырубаемой детали и от формы контура вырубаемой детали. 101 По способу выполнения выруб последовательная и последовательно-параллельная. Последовательная вырубка применяется дли изготовления крупных деталей мри однорядном раскрое полосы и для мелких деталей—при встречном п многорядном раскрое полосы Последовательно-параллельная вырубка применяется для изготовления длинных, но узких деталей, При этом способе по всей длине полосы в один ряд располагается несколько вырубных и соответственно им несколько дыропробивных пуансонов. Последовательная гибка может осуществляться двумя основными способами: 1) заготовка перед гибкой полностью отделяется от полосы или ленты и 2) заготовка перед гибкой частично отделяется от полосы пли ленты путем надрезки или частичной вырубки контура детали. Рис. 4.14. Последовательная гибка в полосе с предварительной надрезкой Схемы, приведенные на рис. 4.14, иллюстрируют второй способ последовательной гибки в комбинированных штампах, т. е. способ, при котором гибке предшествует предварительная частичная обрезка контура штампованной детали. При схеме, приведенной на рис. 4.14, а, за первый переход производится пробивки отверстия, за второй переход – частичная обрезка и, наконец, за третий переход — гибка и отрезка. По схеме на рис. 4.14, б при первом переходе происходит пробивка отверстий, при 102 втором — частичная обрезка по контуру, при третьем — гибка и при четвертом — отрезка. Рис. 4.15. Последовательная вытяжка в полосе Последовательная вытяжка полых деталей в полосе осуществляется двумя способами: 1) непосредственно в полосе или ленте с вырубкой вытянутой детали во время последнего перехода (рис 4.15) и 2) с частичным отделением заготовки при первом переходе, вытяжкой и окончательной вырубкой вытянутой детали во время последнего перехода (рис. 4.16). В процессе последовательной вытяжки без предварительного Частичного отделения заготовки при первом переходе происходит туннельная деформация полосы. Комбинированная штамповка в штампах совмещенного действии. Этот вид штамповки применяется для изготовления точных деталей с малым числом переходов (3—5-го класса точности) из материала толщиной не более 3,0 мм, если допускается смещение отверстий, но отношению к контуру. Рис. 4.16. Последовательная вытяжка в полосе с предварительной надрезкой 103 Комбинированной штамповкой в штампах совмещенного действия можно получать как плоские, так и объемные полые детали. В тех случаях, когда к точности изготовления детали предъявляют повышенные требования, а поверхность среза должна быть чистой, совмещают вырубку с обжимом, вырубку с зачисткой матрицей и вырубку с зачисткой пуансоном «полнее» матрицы При штамповке полых деталей наиболее часто совмещают вырубку с вытяжкой и вырубку, вытяжку и пробивку. 4.3. Технологичность конструкции холодноштампуемых деталей а) Материалы, обрабатываемые холодной штамповкой Плоские детали изготовляют с применением отрезки, вырубки, пробивки, надрезки, 8ачистки, просечки из всех металлов и сплавов, поставляемых в листах, полосах и лентах, а также из листовых неметаллических материалов: бумаги, картона, резины, слюды, миканита, гетинакса, текстолита, фибры, кожи, войлока, фетра, ткани и лакоткани, листовой прессованной пробки, органического стекла. Гибкой и вытяжкой сравнительно легко изготовлять детали из кожи, целлулоида, картона, бумаги, органического стекла. Мри выборе сортамента листового материала конструктор должен стремиться применять наименьшее количество марок и толщин материалов для всех деталей радиоприбора: это позволяет рационально использовать отходы. В качестве общего критерия штампуемости материалов для всех видов штамповочных операций при прочих равных условиях (одинаковая конструкция и точность штампа, а также сложность детали) принимают стойкость штампа, т. е. количество заготовок, отштампованных до того момента, когда требуется пе104 реточка штампа из-за его затупления. При штамповке-вырубке, пробивке и обрезке специфическими критериями штампуемости являются качество поверхности среза и величина заусенцев после вырубки определенного количества деталей; при штамповкегибке — угол пружинения и рассеивание его значения, которое тем больше, чем тверже материал; при штамповке вытяжке — коэффициент вытяжки (отношение диаметра полой детали или заготовки к диаметру плоской заготовки или вытяжки, полученной на предыдущей вытяжной операции). Чем меньше коэффициент вытяжки материала, тем легче происходит процесс вытяжки деталей из него и тем меньшее число переходов необходимо для изготовления детали. б) Технологические требования к элементам конструкции плоских деталей Наружные контуры плоских штампованных деталей и кромки вырубаемых отверстий должны быть но возможности просты. Для получения точной геометрической формы штампуемой детали и снижения трудоемкости изготовления штампа необходимо, чтобы глубина впадин и высота выступов наружного контура детали были не меньше толщины листа, т. е. h ≥ t (рис. 4.17а), а ширина впадины а или выступа b (рис. 4.17, б) — соответственно а > 0,7 t (но не менее 0,5 мм) и b > It (но не менее 1 мм). Величина перемычки К при пробивке (вырубке) между кромками отверстий, а также между отверстиями и наружными кромками детали зависит от толщины стенки детали (рис. 4.18). 105 Рис. 4.17.. Впадины и выступы на наружных контурах плоских деталей Радиус R закругления деталей, показанных на рис. 4.19, которые изготовляются путем вырубки в полосе перемычек, должен быть больше половины ширины т полосы (ленты), т. е. R > 1 /2 т. Несоблюдение этого правила приводит к образованию уступов и впадин в месте сопряжений закругления с прямолинейным участком контура детали (см. рис. 4.19). Рис. 4.18. Размеры перемычек между смежными отверстиями и краем детали 106 Рис. 4.19. Детали с закругленными концами, получаемые путем вырубки перемычек Для повышения технологичности деталей, получаемых холодной штамповкой, нужно при проектировании продумывать очертания их наружного контура так, чтобы повысить коэффициент использования металла и, в частности, обеспечить безотходную штамповку. Острые углы (внутренние и внешние) сопряжения линий контура рекомендуется округлять. Радиус закругления R3 = (0,5 ÷ 1) t. в) Технологические требования к элементам конструкции изогнутых деталей Основное технологическое требование к конструкции деталей, получаемых гибкой, максимальная простота формы изгибов. Такие детали можно разделить па следующие группы: 1) по направлению линии изгиба — в одной, двух и нескольких плоскостях; 2) по числу гибок в каждой плоскости — один изгиб, два и более. Наиболее предпочтительны простейшие формы изгибов: Гобразные и П-образные, т, е, угольники и скобы, При этом следует стремиться, располагать линию изгиба перпендикулярно направлению проката (и соответствии с ГОСТ на материал). Рис. 4.20. Расположение отверстий в изогнутых деталях 107 Необходимо также правильно назначать радиусы изгиба. Если радиус изгиба слишком мал, деформация растяжения наружных слоев материала в зоне изгиба может привести к разрушению детали (появляются трещины). Наименьший допустимый радиус изгиба зависит от толщины и пластических свойств материала. Длина отгибаемой части должна быть не меньше утроенной толщины материала, в противном случае гибка получается плохой, так как рабочие части штампа не имеют достаточной опорной поверхности для создания изгибающего момента. При пробивке отверстий в нагибаемых деталях (их желательно получать комбинированной штамповкой одновременно с вырубкой плоской заготовки) необходимо, чтобы наименьший размер L, определяющий положение оси отверстия относительно отогнутой полки (рис. 4.20), был L ≥ 0,5 d + R + 3 t. При несоблюдении этого условия необходимо пробивать или сверлить отверстие в изогнутой заготовке. В этом случае L ≥ 0,5 d + R. Для повышения жесткости длинных изогнутых деталей (а также и плоских деталей) следует предусматривать ребра жесткости (рифты) в направлении, перпендикулярном направлению линии изгиба. г) Технологические требования к элементам конструкции полых деталей В конструкции полых деталей из листового материала, изготовляемых штамповкой-вытяжкой, следует учесть технологические особенности указанной операции. В принципе вытяжкой можно изготовить очень сложные детали, но для этого требуются дорогостоящие штампы, и при малых размерах партий себестоимость таких деталей очень высока. Потому вопрос о целесообразности этой операции нужно решать исходя из объема производства. Наиболее технологичны цилиндрические детали типа корпусов, стаканов с отношением высоты к диаметру не больше 0,5—0,6. Такие детали получают за одну операцию вытяжки и называют «мелкими». 108 При вытяжке на отдельных участках детали обычно происходит уменьшение толщины материла (даже, как уже говорилось выше, при вытяжке без утонения) в пределах 20% от толщины исходной заготовки. Это следует учитывать при проектировании. Наибольшее уменьшение толщины материала происходит в зоне сопряжения дна с боковыми стенками; наоборот, в зоне сопряжения боковых стенок с фланцем толщина материала увеличивается. При вытяжке с утонением надо иметь в виду, что степень уменьшения толщины боковых стенок предопределяет наименьшее число переходов вытяжки. д) Технологические требования к элементам конструкции деталей при выбортовке, рельефной штамповке и обжатии При отбортовке необходимо, чтобы наименьший радиус г сопряжения (рис. 4.21) удовлетворял соотношениям r = (4 ÷ 5) t при t ≤ 2 мм; r = (2 ÷ 3) t при t > 2 мм. Рис. 4.21. Образование борта по краям отверстия, пробитого в плоской заготовки Рис. 4.22. Образование рельефа 109 Диаметр отверстия под отбортовку приближенно определяют по формуле d 0 D 2 4hD , где D — диаметр отбортовки; h — высота отбортовки. Предельное отношение диаметров d0/D, при котором не возникает разрушения материала (коэффициент отбортовки k), составляет 0,58—0,60 для мягкой стали и латуни и 0,65 — для линия. При отбортовке отверстий диаметром до 5 мм наибольшее значение коэффициента k не должно превышать величины d k 0 0,45 Dt . При отбортовке отверстий нецилиндрической формы значения r и d0 определяют иp соотношений, приведенных выше, принимая в качестве D удвоенное значение наименьшего радиуса скругления углом отбортованного отверстия. Материал деталей, изготовляемых с применением рельефной штамповки, должен иметь повышенную точность по толщине, поскольку штамп и атом случае работает «в упор», и хорошие пластические свойства, При назначении формы и размеров рельефа детали (рис. 4-22) дли получения рельефа за одну операцию штамповки необходимо ограничивать относительную деформацию, соблюдая отношение L1 L 100 L , где L1 – развернутая длина по сечению штампуемого рельефа; L – расстояние между крайними точками рельефа; δ – относительное удлинение при растяжении. 4.4. Получение заготовок способами литья а) Литье в землю 110 Основное достоинство литья в землю — незначительные первоначальные затраты на оснастку. Недостатками этого вида литья, приобретающими и производстве радиоаппаратуры важное значение, являются низкая производительность, главным образом в сияли с большой трудоемкостью формовки, и невысокая точность размеров отливаемых деталей (по 7-9-му классам) из-за моделей и стержней, искажения их формы (коробления) и процессе эксплуатации и хранения, погрешностей при сборке форм (смещения стержней, несовпадения опок), раскачивания модели перед извлечением ее из формы, деформация формы при заливке, неопределенности усадки при охлаждении и коробления отливок в процессе термической обработки. При машинной формовке точность несколько выше, чем при ручной. Низкая чистота поверхности заставляет в ряде случаев применяют, дополнительную механическую обработку отливок даже по несопрягаемым поверхностям. При литье и землю велико количество отходов, так как, кроме значительных припусков на механическую обработку, происходят потерн металла на угар (например, при литье из бронзы и латуни эти потерн составляют около 7—8%); отходы на литники при литье мелких деталей достигают 50%; значительны так называемые деклассированные отходы, т. е. отходы, которые нельзя использовать в производстве без предварительной обработки (сплески, сор и т. п.). Сравнительно велик процент брака, обнаруживаемого иногда только и процессе механической обработки отливок. К тому же механические свойства отливок невысоки. На заводах, изготовляющих радиоаппаратуру, литье в землю применяется лишь в индивидуальном и мелкосерийном производствах; в серийном производстве оно используется для получения деталей, например антенных отражателей из алюминиевого сплава. б) Литье в кокиль Литье в металлическую форму (кокиль) по сравнению с литьем и землю дает большую производительность и позволяет 111 получать отливки с более высокой точностью размеров (в основном по 4-му и 5-му классам) при чистоте поверхности, соответствующей примерно 3-му классу. Вследствие ускоренного процесса кристаллизации благодаря охлаждению металла стенками кокиля получается более плотная и мелкозернистая структура металла, а следовательно, и более высокая (на 10—20%) прочность отливок. Недостатком этого способа является высокая стоимость чугунных или стальных кокилей, которая окупается только при значительном объеме производства. Кроме того, литьем в кокиль трудно получать отливки сложной конфигурации. Литье в кокиль применяют главным образом в серийном и массовом производстве деталей средней сложности из цветных сплавов и чугуна, если большинство размеров должно быть выдержано примерно по 5-му классу точности. Проектируя детали, изготовляемые литьем в кокиль, надо иметь и виду следующее: 1) избегать большого количества выступающих частей на детали; 2) проектировать детали без впадин, идущих в направлении выемки отливки, которые мешают выбивать отливку из кокиля; 3) избегать резких переходов от толстой стенки отливки к тонкой; 4) наружные и внутренние углы между необрабатываемыми поверхностями отливки должны иметь закругления радиусом не менее 3 мм; 5) предусматривать литейные уклоны поверхностей отливаемых деталей под углом более 1°; 6) для мелких деталей (вес отливки до 1,0 кг) минимальная толщина необрабатываемых стенок должна быть не менее 5 мм для чугуна; 2,5—4 мм для латуни и бронзы и 2—2,5 мм для алюминия. в) Литье под давлением 112 Основными достоинствами литья под давлением являются большая производительность и высокая степень точности получаемых отливок, что почти полностью исключает необходимость в их механической обработке. Отливки имеют высокую прочность. Уменьшаются отходы материала, так как отпадает необходимость оставлять припуски на обработку. Повышенная прочность отливок и хорошее заполнение форм металлом позволяют проектировать тонкостенные отливки (толщина стенок алюминиевых отливок может быть доведена до 1 мм). Поэтому литье под давлением целесообразно применять для получения небольших тонкостенных деталей сложной конфигурации, которые при других способах изготовления потребовали бы длительной и многооперационной механической обработки. Вследствие высокой стоимости форм литье под давлением рентабельно славным образом в крупносерийном и массовом производствах, Однако в ряде случаев литье под давлением можно использовать и при изготовлении небольших партий деталей, если применяй, формы, собранные из нормализованных элементов. Основные, наиболее трудоемкие узлы (верхняя и нижняя плита, зубчатые передачи для привода системы выталкивателей и стержней) используются для получения ряда отливок различных конструкции с помощью сменных вставок — пуансонов и матриц. При решении вопроса о целесообразности применения литья под давлением нужно учитывать, кроме стоимости форм, необходимость механической обработки отливок. Детали, отлитые под давлением, подвергают механической обработке, если: 1) нужно выдержать точность размеров выше 4—5-го классов; 2) требуется точно выдержать расстояния между центрами отверстий; такие отверстия сверлят на станках, так как неравномерная усадка отливок не позволяет выдержать эти размеры с достаточной точностью; 113 3) необходимо получить в отливках отверстия, размеры которых выходят за предельные значения, указанные в табл. 4.3, так как поток металла, заполняющего форму со скоростью до 80 м/сек, может изогнуть и даже поломать длинные и тонкие стержни, оформляющие такие отверстия. Таблица 4.3 Минимальный шаг резьбы 3 3 5 4 3 3 3 10 10 10 8 5 4 4 0,7 0,7 0,75 1,0 1,0 1,5 1,5 технологически возможный сквозное отверстие 0,5 0,75 1,0 1,5 1,5 2,5 2,0 применяемый на практике глухое отверстие 1,0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,0 наружный технологически возможный Оловянные…. Свинцовые…. Цинковые…... Магниевые…. Алюминиевые Медные……... Чугун ………. применяемый на практике Предельные размеры отверстия и резьб, мм Предельные размеры Предельные размеры отверстий резьб МиниМаксиМинимальный мальный мальная диаметр диаметр глубина внутренний Сплавы 5 5 8 12 12 12 12 10 10 10 15 15 - 5 5 10 12 12 - 4) отливается резьбовая деталь. Необходимость механической обработки резьбы вызывается следующими обстоятель114 ствами. Наружная резьба может быть получена либо в замкнутых, либо в разъемных частях формы. В первом случае отливка извлекается из формы путем вывинчивания; при этом резьба любого профиля получается чистой, без заусенцев; однако этот способ малопроизводителен. При оформлении резьбы в разъемных формах необходимо вводить добавочную операцию механической обработки для удаления следа разъема. Внутреннюю резьбу с вывинчиваемыми стержнями можно получить только при литье легкоплавких сплавов (цинковых, свинцовистых). Тугоплавкие сплавы (например, алюминиевые) имеют значительную усадку, поэтому приходится прилагать очень большие усилия для выпиливания стержней. В тугоплавких сплавах целесообразнее оформлять при литье гладкие отверстия, а затем нарезать их механическим способом; 5) литейные уклоны (конусность), облегчающие извлечение отливок из формы, не допускаются по конструктивным соображениям. Литье деталей без конусности сопряжено с быстрым износом форм и с повышением процента брака, поэтому целесообразнее! отливать детали с литейными уклонами, удаляя их механической обработкой; Рис. 4.23. Изготовление детали с поднутрением 6) деталь должна иметь поднутрения, получение которых при литье связано с применением сложных форм и снижением производительности процесса. Поднутрения целесообразнее получать механической обработкой. Например, деталь, показанную на рис. 4.23, а, можно сначала отлипать без поднутрений (рис. 4.23, б), а излишен металла удалять растачиванием. Литье мелких деталей средней точности из цинковых, свинцовистых и оловянных сплавов ведут на компрессорных машинах. Для литья деталей из алюминиевых, медных и магние115 вых сплавов, а также деталей высокой точности (независимо от материала) целесообразнее поршневые (гидравлические) машины, позволяющие: 1) получать отливки хорошего качества с небольшим количества воздушных включений (в поршневых машинах воздух не воздействует непосредственно на металл, как в компрессорных) и без окисления металла при литье магниевых сплавов; 2) развивать более высокое давление, чем компрессорные машины; это в свою очередь позволяет снизить рабочую температуру расплава, что уменьшает термическую усталость и износ формы; 3) получать более плотные отливки благодаря воздействию на расплав высокого конечного статического давления. Для литья под давлением применяются одно- и многогнездные формы. Преимуществом последних является более высокая производительность. Однако производительность формы не пропорциональна числу гнезд. Так, производительность четырех-гнездной формы для литья одной из корпусных деталей средней сложности превышает производительность одногнездной формы для этой же детали ее в 4, а лишь в 2—2,5 раза. Это объясняется тем, что при применении многогнездной формы пропорционально числу гнезд уменьшается лини, время литья, составляющее незначительною часть общего штучного времени. Но время на уход за формой и ев смазку С увеличением числа гнезд увеличивается (а они Составляет большую часть штучного времени). Применение многогнездных форм значительно снижает удельный расход металла и увеличивает выход отливок. Конструкция деталей, изготовляемых литьем под давлением, должна отвечать следующим основным требованиям: 1) конфигурация детали должна быть такой, чтобы ее можно было быстро извлекать из формы, для чего следует предусматривать литейные уклоны наружных и внутренних поверхностей деталей; 2) для лучшего заполнения формы металлом и облегчения выбивки отливок из формы нужно закруглять наружные и внут116 ренние углы; 3) не следует конструировать отливки с большой разницей в толщине стенок, так как вследствие неравномерного остывания металла могут образоваться усадочные трещины и раковины, а также возникнуть внутренние напряжения; 4) толщину стенок- необходимо выдерживать в пределах, допускаемых условиями литья. Минимальная предельная толщина стенок обусловлена текучестью металла; попадая в узкое пространство между стенками формы, расплав может застыть, не заполнив форму. Максимальная толщина стенок отливки зависит от типа литьевой машины; во избежание появления усадочных и газовых пор и раковин не рекомендуется конструировать детали со стенками толще 10 мм; 5) не следует проектировать их усиление утолщением стенок (рис. 4.24, а) в местах наибольших напряжений. Прочность деталей нужно повышать, предусматривая соответствующие ребра жесткости, уголки стенки таврового и коробчатого сечения и т. д. (рис 4.24, б). Вообще при конструировании деталей, изготовляемых литьем под давлением, следует избегать скопления материала в отдельных местах во избежание образования усадочных раковин. На рис. 4.25, а и б показан пример неправильного и правильного оформления отливок; 6) при конструировании отливок, особенно из цинковых сплавов, необходимо учитывать их последующую усадку. Следует избегать несимметричных деталей с тонкими кронштейнами или какими-либо другими частями, значительно вынесенными из основной массы металла; 7) следует избегать всякого рода выступов и выемов в детали, для оформления которых необходимо применение составных и подвижных стержней; 8) надписи и цифры на деталях следует делать выпуклыми. Для литья под давлением в основном применяются цинковые, алюминиевые, медные, свинцовистые и оловянистые сплавы. Литье под давлением деталей из чугуна широкого промышленного применения еще не получило. 117 Из цинковых сплавов можно отливать сложные и тонкостенные детали на высокопроизводительных автоматических машинах, так как эти сплавы не прилипают к форме. Рис. 4.24. Повышение прочности детали, отливаемой под давлением, ребрами жесткости: а – неправильно; б – правильно Рис. 4.25. Оформление детали, отливаемой под давлением с целью исключить образование раковин: а – неправильно; б – правильно Отливки из цинковых сплавов хорошо воспринимают защитные декоративные и упрочняющие покрытия без предварительной отделки (обычно ограничиваются обработкой на пескоструйном аппарате), хорошо полируются, допускают пайку и обладают высокими механическими свойствами, особенно при работе на сжатие. Однако цинковые сплавы имеют большой удельный вес по сравнению с алюминием, недостаточную стойкость против коррозии, склонны к изменению размеров со временем. Отливки из алюминиевых сплавов, содержащих в качестве основных присадок кремний и медь, легки, устойчивы против коррозии и не изменяют с течением времени размеров и механических свойств. Вместе с тем отливки из алюминиевых сплавов 118 обладают меньшей точностью размеров, чем цинковые, что объясняется высокой рабочей температурой литья и большой усадкой при затвердевании. Из-за этого требуется дополнительная механическая обработка отливок. Отливки из этих сплавов имеют более высокую стоимость. Магниевые сплавы не имеют большого распространения в производстве радиоаппаратуры. Из медных сплавов в основном применяют латунь. Для литья деталей, подлежащих дополнительной механической обработке, применяют мунцевую (свинцовистую) латунь. Из оловянистых сплавов получают отливки, обладающие большой точностью размеров. Недостатками оловянистых отливок являются малая прочность, плохая устойчивость против температурных воздействий и высокая стоимость. Поэтому оловянистые сплавы используют для литья точных деталей с малой шероховатостью поверхности, не испытывающих существенных механических нагрузок, например деталей вращающихся конденсаторов. Свинцовистые сплавы дешевы и хорошо противостоят химическим воздействиям. Прочность отливок из этих сплавов невелика. Они могут быть использованы лишь для литья деталей, не испытывающих механических нагрузок. Твердость свинцовистых сплавов может быть повышена присадкой сурьмы. Прибавка олова улучшает п механические и литейные свойства. Точность размеров деталей, отлитых под давлением, может быть получена в зависимости от сплава и конфигурации детали по 4-му и 5-му классам, а в отдельных случаях при тщательном изготовлении и доводке формы по 3-му классу точности. Ухудшение точности размеров отливок возникает из-за неточности изготовления формы п ее износа; расширения формы вследствие нагрева в процессе работы; неточности взаимного расположения подвижных частей формы в процессе литья; неравномерности давления, а также из за деформации отливок во время хранения. Усадка отливок при неравномерной толщине стенок или наличии отдельных скоплений металла, кроме изменения размеров, вызывает коробление отлитой детали. 119 Чистота поверхности деталей, отлитых под давлением из алюминиевых и цинковых сплавов, соответствует 4-му классу, а деталей из медных сплавов — 2-му классу. г) Литье по выплавляемым моделям Способ литья по выплавляемым моделям (прецизионное литье) состоит в следующем. Изготовляют восковую модель (воск, парафин, канифоль), которую заформовывают в огнеупорную форму, приготовленную из особой массы; после этого, нагревая форму, выплавляют восковую модель, форму прокаливают и в полученную полость заливают металл. После затвердевания и охлаждения металла отливку выбивают из формы, очищают и удаляют литники. Примером деталей, изготавливаемых литьем под давлением из металлических сплавов, являются различные каркасы, например, для прецизионных переменных проволочных потенциометров с линейностью по величине сопротивления ±0,1 + 0,05%. Кроме того, литьем под давлением изготавливают сложные шасси и корпуса радиоприборов, отличающихся повышенной механической прочностью, точными размерами и необходимой чистотой поверхности. Механическая обработка таких шасси минимальна. Рассмотрим более подробно отдельные этапы процесса. Восковые модели отливают в металлических прессформах. Последние изготовляют из легкоплавких сплавов в стальных разъемных гильзах (рис. 4.26). Нижнюю стальную гильзу 1 заполняют быстросхватывающимся цементом, в который вдавливают металлическую модель 2 отливаемой детали, изготовленной с учетом усадки и с необходимыми для последующей механической обработки формы припусками. Модель вдавливают в цемент так, чтобы она выступала над плоскостью разъема 3. Затем, устанавливая на нижнюю гильзу 1 верхнюю гильзу 4, заливают ее легкоплавким сплавом на 12—15 мм выше модели и прессуют залитый сплав в течение 20—30 мин плунжером 5, плотно входящим в гильзу 4. 120 Рис. 4.26. Стальная гильза для изготовления пресс-форм из легкоплавких сплавов Усилие прессования равно 4—6 т. После этого прессформу разбирают, плоскость разъема полируют и высверливают несколько конических отверстий под центрирующие штифты. В той же последовательности изготовляется другая половина пресс-формы. Пресс-форма может быть изготовлена и механической обработкой. Восковые модели плавят в автоклаве при 60—70° С. Расплавленную восковую массу заливают в пресс-форму под давлением до 3 am. После охлаждения (на что требуется до 10 мин) пресс-форму разбирают и осторожно извлекают из нее восковую модель. Для изготовления формы модель (или блок из нескольких моделей) устанавливают на модельной плите и, накрыв опокой, помещают на вибрационный стол и осторожно заполняют опоку формовочным песком или заливают формовочной массой. После формовки форму обрызгивают из пульверизатора раствором жидкого стекла и сушат в течение 2— 3 ч при комнатной температуре и в течение 2 ч в печи при 100—120° С. Воск при этом плавится и вытекает из формы. Из сушильной печи форму переносят в муфельную печь, где выдерживают для удаления влаги при 150° С в течение 1,5—2 ч; после этого температуру печи равномерно повышают до 800—850° С и при этой 121 температуре выдерживают форму около 2 ч, чтобы выгорел скоксовавшийся остаток воска. Металл для заливки плавят в высокочастотных или дуговых электроплавильных печах. Иногда во избежание окисления расплавленного металла над его поверхностью создают защитную газовую среду. Расплавленный металл заливают в горячую форму на центробежной машине в вакууме или под давлением сжатого воздуха. Литье по выплавляемым моделям позволяет отливать детали небольших размеров и сложной конфигурации, к которым предъявляются требования повышенной точности. При этом могут быть выдержаны следующие допуски (мм): Размер Допуск Размер Допуск До 6 0,065 25-20 0,15 6 – 12 0,075 50-100 0,22 12 – 25 0,1 Более 100 0,25 Детали, отлитые по выплавляемым моделям, имеют прочность не ниже, чем заготовки, выполненные ковкой или прокатом. Основной недостаток этого способа литья, ограничивающий его применение, — значительная стоимость восковых моделей, формовочных материалом, специальных приспособлений и оборудования, а также печен дли сушки и обжига форм. д) Литье в оболочковые формы Литьем и оболочковые формы на песчано-смоляных смесей изготовляют средине и мелкие отливки из чугуна, стали и цветных сплавов с повышенной точностью размеров и улучшенной чистотой поверхности. Для отливок, получаемых в оболочковых формах, назначают: припуски на механическую обработку 0,2— 0,25 мм, допуски на необрабатываемые размеры 0,3— 0,7 мм на 100 мм и шероховатость поверхности 4— 5. Отливки не имеют пригара и других дефектов. Литье в оболочковые формы наиболее выгодно в крупносерийном и массовом производствах деталей. В радиопромыш122 ленности литье в оболочковые формы имеет пока ограниченное применение. Оболочковые формы состоят из двух скрепленных между собой тонкостенных полуформ — оболочек, изготовляемых обычно из смеси мелкозернистого кварцевого песка с термореактивной феноло-формальдегидной смолой (4—6% смолы). Для получения оболочковой полуформы песчано-смоляную смесь наносят на металлическую плиту специальной конструкции, на которой укреп лены металлические модели, покрытые разделительным составом и нагретые до 220—280° С. В тонком слое смеси, прилегающем к моделям, смола плавится и связывает зерна песка, в результате чего в течение 12— 25 сек образуется полутвердая оболочка. После удаления излишка песчано-смоляной смеси модельную плиту с оболочкой помещают в печь с температурой 300—350° С, где в течение 45— 90 сек смола отверждается, а оболочка спекается, приобретая необходимую прочность. Затем готовую оболочку снимают с модельной плиты с помощью толкателей. Полученные таким образом две полуформы (нижнюю п верхнюю) после установки стержней (получаемых тем же способом) спаривают по имеющимся в них фиксаторам. Спаренные оболочковые формы скрепляют скобами, струбцинами или (в механизированных производствах) склеивают. Формы перед заливкой помещают в специальные контейнеры и засыпают металлической дробью или песком или же заливают в особых зажимах или под грузом. После охлаждения отливок оболочковые формы разрушают. Для изготовления оболочковых полуформ применяют высоко производительные автоматы. Способом литья в оболочковые формы изготовляют волноводы и отдельные детали волноводных трактов сложной конструкции с внутренними отверстиями и полостями (антенные коммутаторы, вращающиеся волноводы и т. п.). 123 5. ПОВЕРХНОСТНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ, ХИМИЧЕСКАЯ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА 5.1. Общие сведения Все покрытия независимо от их назначения должны иметь прочное сцепление с изделиями, на которые они наносятся, и составлять с ними как бы одно целое, не отслаиваться под действием толчков, ударов, встряхивания, многократного изгиба. Покрытия различают по основному назначению и по способу нанесения. По основному назначению покрытия разделяют на защитные, защитно-декоративные и специальные. Защитные покрытия служат для предотвращения коррозии металла деталей в условиях эксплуатации. Защитно-декоративные покрытия наносят на детали, требующие декоративной отделки при одновременной защите их в процессе эксплуатации от коррозии. Специальные покрытия предназначаются для сообщения поверхности деталей особых свойств или защиты основного металла деталей от влияния особых сред, например: серебрение применяется для повышения поверхностей электропроводности токонесущих деталей, меднение деталей — с целью их защиты от науглероживания при цементации; специальные покрытия применяют для изготовления элементов аппаратуры, таких как проволочные резисторы и др. По способу нанесения различают покрытия металлические негальванические, неметаллические химические, металлические и неметаллические, гальванические и лакокрасочные. Выбор покрытия детали должен быть сделан в зависимости от условий, в которых будет работать радиоаппаратура и ее отдельные детали. По этому признаку защитные покрытия разделяют на группы, соответствующие различным условиям эксплуатации. 124 5.2. Подготовка поверхности перед нанесением покрытий Высококачественное покрытие может быть, получено только в том случае, если поверхность, на которую оно наносится, достаточно гладкая и чистая, без окалин и грубых следов обработки. Поэтому почти всегда нанесению покрытия предшествует тщательная подготовка поверхности детали. Очистку и подготовку поверхностей осуществляют механическим, химическим, электрохимическим и ультразвуковым способами. а) Механические способы Механическая обработка поверхности применяется для удаления окалины, ржавчины, шлаковых включений, старой краски, царапин и других дефектов. Для этого поверхность детали подвергают пескоструйной, дробеструйной или дробеметной очистке, крацеванию, галтовке, шлифованию, полированию. Гидропескоструйную и дробеструйную очистку применяют для удаления с поверхности металла грубых неровностей и очистки ее от окалины, шлаковых и других включений, имеющихся, например, на поверхности литых изделий. Гидропескоструйную очистку производят струей пульпы — смеси просеянного кварцевого песка с водой, подаваемой с боль скоростью из специального аппарата через направляющее сопло под давлением сжатого воздуха около 4 am и выше. Частицы песка, с силой ударяясь о поверхность детали, отделяют загрязнении и матируют обрабатываемую поверхность, благодаря чему улучшаются условия ее сцепления с защитными пленками. Обработанная песком поверхность обладает повышенной активностью, легко корродирует, особенно во влажной атмосфере, быстро адсорбирует пыль и жировые загрязнения. В этом серьезный недостаток пескоструйной обработки, поэтому поверхности, очищенные песком, рекомендуется сразу же подвергать дальнейшей обработке или же консервировать химическими растворами. 125 Вместо пескоструйной обработки в последнее время с успехом применяют ударную обработку мелкой стальной дробью, поток которой направляется на очищаемую деталь с помощью дробеметных аппаратов. Твердость дробинок должна превосходить твердость материала обрабатываемой детали. Крацевание — обработка поверхности изделия вращающимися щетками из стальной, латунной или медной проволоки диаметром 0,2—0,4 мм. Крацевание применяют для удаления заусенцев, окислов, остатков жировых загрязнений (после обезжиривания), травильного шлама и других дефектов поверхности. Крацевание обычно производится мокрым способом, т. е. с применением жидкости, облегчающей работу щеток и улучшающей качество отделки поверхности. Для этой цели применяются 3— 5%-ные растворы соды, поташа или трехзамещениого фосфата натрия, мыльная вода, водная суспензия венской извести, пемзы, мела и т. д. Крацевание применяется также для окончательной отделки покрытия, нанесенного на поверхность изделия; в этом случае, например, при отделке электролитического покрытия крацевание производят с чистой водой или сухим способом. Изделия с полированной поверхностью обрабатывают крацеванисм вручную волосяными щетками. При этом очистку ведут Обязательно с применением жидкой смеси из мела или венской извести и воды; можно использовать также мыльную воду, слабые (2-—3%-ные) растворы соды, поташа. Для обработки металлов, разрушающихся в щелочных растворах, применяют кашицу из мелко раздробленного чистого мела и воды. Обработка изделий в барабанах и колоколах имеет целью сглаживание и очистку поверхностей, главным образом мелких изделий, удаление грубых неровностей, заусенцев и пр. Детали загружают во вращающийся барабан (или колокол), где они трутся и царапают друг друга краями. При этом поверхность деталей не только выравнивается, но и очищается от ржавчины и окалины. 126 Иногда наряду с изделиями в барабан загружают куски железа, стекло, опилки, наждак, песок, гравий. Такая обработка изделий называется галтовкой. Для ускорения галтовки в барабан вводят также слабые растворы кислоты или- щелочи, мыльную воду и т. п., которые облегчают удаление окислов. Если на поверхности деталей имеется толстый слой окалины, то перед галтовкой их обрабатывают в кислотах. Галтовка продолжается от 2—4 ч до нескольких дней в зависимости от состояния поверхности, веса и материала обрабатываемых изделий, скорости вращения барабана. Так, штампованные изделия обрабатываются от 2 до 8 ч, отливки из латуни — 10— 15 ч. Очень хорошие результаты дает полирование мелких изделий шариками из закаленной стали. Загруженные вместе с изделиями в барабан шарики сглаживают мелчайшие неровности поверхности, не снимая при этом стружки. Такая обработка применяется также для отделки гальванического покрытия. При полировании стальными шариками (до блеска) в барабаны добавляют только чистую воду. Продолжительность полирования колеблется в пределах 0,5—10 ч (в зависимости от твердости материала обрабатываемых деталей). Шлифование — это процесс обработки металлов (и неметаллов) резанием, при котором острые грани мелких зерен абразивного материала снимают с обрабатываемого металла очень тонкую стружку, обеспечивая сравнительно гладкую и ровную поверхность. Шлифование осуществляется на станках абразивными досками или кругами и во вращающихся барабанах или колоколах. Обработка абразивными кругами — наиболее распространенный вид шлифования. По характеру обработки поверхности и степени зернистости кругов процесс шлифования делится на несколько операций или переходов (3—5) с постепенным уменьшением величины зерна. Этим достигается высокое качество отделки поверхности с наименьшими потерями обрабатываемого металла. 127 В цехах металлопокрытий круги для шлифования изготовляют преимущественно из эластичных материалов: войлока, кожи, фетра, ткани. Зерна абразивных материалов наклеивают с помощью связок по периферии круга. Полирование заключается в обработке металлов (и неметаллов) с целью удаления мельчайших неровностей с поверхности детали и придания ей зеркального блеска. Полирование поверхности изделий применяется в гальванических цехах для подготовки поверхности металла и для отделки покрытия (главным образом электролитических осадков меди, никеля и хрома). Полирование производится на станках кругами из полотна, фетра, замши, шерсти и т. п. и во вращающихся барабанах. В отдельных случаях детали полируют вручную в специальных полировальных приспособлениях. Для полирования применяют более мелкозернистые абразивные материалы, чем для шлифования, которые в смеси с другими веществами (связками) наносят на круги во время работы. При правильном ведении процесса полирования выравнивание Поверхности детали не должно сопровождаться заметными потерями металла. Как известно, большинство металлов обладает способностью быстро окисляться на воздухе. Совершенно чистая поверхность железа на воздухе покрывается окисью в течение 0,05 сек. Этой особенностью обладают даже такие металлы, как серебро. Поэтому поверхность всех металлов на воздухе всегда бывает покрыта тончайшей пленкой окиси (толщиной около 0,0014 мкм), которая защищает металл от дальнейшего окисления. При полировании такой поверхности зерна абразива снимают только поверхностную окисную пленку, обнажая чистый металл. Но под действием кислорода воздуха обнажившаяся чистая поверхность металла вновь окисляется, и таким образом происходят как бы периодические изменения состояния наружных слоев поверхности металла, в результате чего снимаются все выступы, пока не получится совершенно гладкая, свободная от трещин и бугорков поверхность. 128 б) Химическая и электрохимическая обработка поверхности К химическим и электрохимическим видам обработки поверхностей относятся обезжиривание, травление и декапирование. Жировые вещества по своей химической природе делятся на две основные группы: омыляемые и неомыляемые. В первую группу входят все растительные и животные жиры, т. е. сложные эфиры глицерина и высокомолекулярных органических кислот, чаще всего стеариновой, олеиновой, пальмитиновой. Эти жиры называются омыляемыми потому, что под действием щелочи они разлагаются, давая мыла — растворимые в воде соли жировых кислот и глицерин. Вторую группу жиров представляют масла, состоящие из смеси углеводородов различного состава и различной консистенции (от очень легких жидкостей до твердых тел): газолин, вазелин, парафин, различные смазочные масла и т. п. Под действием щелочи жиры этой группы химически не разлагаются и поэтому называются неомыляемыми. Как первые, так и вторые жировые вещества в воде практически нерастворимы и удаляются с поверхности металлов химической пли электрохимической обработкой. При химическом обезжиривании применяют растворы щелочей, щелочных солей и ряд органических растворителей. Обезжиривание в щелочных растворах сводится к омылению животных и растительных жиров и эмульгированию масел. Хотя минеральные масла (неомыляемые жиры) химически не разлагаются при воздействии щелочей, они могут при известных условиях образовывать с последними эмульсии и благодаря этому сравнительно легко отделяются от поверхности металла. В качестве эмульгаторов при химическом способе обезжиривания металлов в щелочных растворах могут служить: жидкое стекло, мыло, жирные кислоты, декстрин, клей, различные белковые вещества и др. Их добавляют в щелочной раствор в небольшом количестве (0,5—3,0 г/л). При определении концентрации эмульгатора исходят из эмульгирующей способности каж129 дого из них, из рода и количества масляных загрязнений поверхности. Одним из очень важных условий, гарантирующих полное удаление с поверхности изделий омыляемых и неомыляемых жиров, является повышенная температура щелочных растворов. Мыла, получающиеся в результате обезжиривания, растворяются в горячих щелочах значительно лучше, чем в холодных. Рекомендуется поддерживать температуру щелочных растворов от 70° С и выше — до кипения. Обезжиривание в органических растворителях сводится к обычному процессу растворения как омыляемых, так и неомыляемых жиров. Для этой цели применяются керосин, бензин, толуол, трихлорэтилен, четыреххлористый углерод. Наиболее эффективны действующие растворители жиров — трихлорэтилен С2НС13, тетрахлорэтилен (перхлорэтилен) С2С14, четыреххлористый углерод СС14, дихлорэтилен С2Н2С12 и дихлорэтан С2Н4С12. В отличие от бензина, бензола, керосина и толуола эти вещества не воспламеняются и позволяют производить обезжиривание при повышенной температуре. Они прекрасно растворяют жиры и масла и не оказывают разъедающего действия на металлы. Немногие металлы, с которыми реагируют некоторые растворители, особенно трихлорэтилен, — это магний, алюминий и их сплавы. Для обезжиривания магния и алюминия лучше применять тетрахлорэтилен. Существенными недостатками органических растворителей, особенно хлорированных, ограничивающими их применение, являются ядовитость и относительно высокая стоимость. Необходимо также иметь в виду, что растворители, особенно трихлорэтилен, в присутствии влаги при высокой температуре гидролизуются с образованием небольшого количества соляной кислоты, которая может вызвать коррозию обезжириваемых деталей. При использовании легковоспламеняющихся органических растворителей детали обезжиривают только погружением последовательно в нескольких ваннах — двух или трех (и больше) — с очисткой поверхности деталей волосяными щетками. 130 Обезжиривание негорючими органическими растворителями производится погружением в жидкость, обработкой парами растворителя и его распылением. Для обезжиривания в нарах применяют растворители преимущественно с относительно низкой температурой кипения. Электрохимическое обезжиривание. Электрохимическое обезжиривание производится в щелочном растворе на катоде или на аноде. Чаще применяют катодное обезжиривание или комбинированное — сначала на катоде, затем на аноде. Эффективность электрохимического метода обезжиривания в некоторых случаях во много раз превышает эффективность обычных химических способов очистки. В качестве электролитов для обезжиривания используют едкий натр, углекислый натрий, углекислый калий, фосфорнокислый натрий, цианистый натрий или калий и др. Иногда в эти растворы добавляют небольшое количество эмульгатора — мыла или жидкого стекла. Одним из электродов служит обрабатываемая деталь, другим — стальные никелированные или, еще лучше, никелевые пластинки. Железо, не покрытое никелем, на аноде при катодном обезжиривании частично переходит в раствор, загрязняя его, и частично осаждается на катоде. Это особенно нежелательно при катодном обезжиривании полированных изделий непосредственно перед нанесением покрытия. Перемешивание электролита интенсифицирует процесс обезжиривания. Повышенная температура раствора (60—70° С) при электрохимическом обезжиривании оказывает примерно такое же влияние, как и при химической обработке. Повышение температуры растворов, как известно, увеличивает их электропроводность, что позволяет понизить (при равной плотности тока) напряжение на зажимах электродов. Следовательно, при электрохимическом обезжиривании повышенная температура уменьшает расход электроэнергии. Это особенно важно, когда в качестве электролита употребляются слабопроводящие соли и электролиз производится при высокой плотности тока. 131 Обычно при химическом обезжиривании температуру электролита поддерживают в пределах 60—80° С. Плотность тока при обезжиривании должна быть такой, чтобы количество выделяющихся пузырьков газа было достаточным и для механического отделения капелек масла с поверхности обрабатываемой детали, и для перемешивания раствора. Повышение плотности тока, следовательно, должно оказывать большое влияние на скорость обезжиривания. Обычно плотность тока при электрохимическом обезжиривании равна 3—10 а/дм2. Напряжение на зажимах электродов при обезжиривании в обычных растворах едких щелочей и их солей колеблется в зависимости от состава и концентрации раствора, плотности тока, температуры и расстояния между электродами в пределах 3—12 в, а иногда и выше. Расстояние между электродами при обезжиривании определяется главным образом величиной и формой изделий, а также соображениями наибольшей экономии электроэнергии и оставляет обычно 5—15 см. Травление — это процесс удаления окислов с поверхности металлов путем обработки изделий в растворах кислот и кислых солей или щелочей. Травление производится как химическим, так и электрохимическим способом. Выбор способа травления зависит от природы металла, характера и толщины слоя покрывающих его окислов, а также от характера предварительной (механической) и дальнейшей его обработки, а выбор травильного раствора определяется прежде всего его химическим взаимоотношением с окислами данного металла. Травление протекает успешно только в том случае, если поверхность изделия предварительно очищена от жировых загрязнений, поэтому оно должно следовать, как правило, после операции обезжиривания. Исключение представляет травление в щелочном растворе (химическое и электрохимическое), применяемое для металлов, легко растворяющихся в щелочах. Химический способ травления состоит в погружении изделий в выбранный раствор кислоты или щелочи, реагирующей с окислами данного металла. На практике для травления пользуются растворами кислот. 132 Электрохимическое травление производится на аноде или на катоде. Анодное травление основано на электролитическом растворении металла и механическом отрывании окислов выделяющимся кислородом. На катоде при этом происходит бурное выделение водорода. В качестве электролита применяют растворы кислот или раствор соли соответствующего металла. Электродами служат: анодом — изделие, подлежащее травлению, катодом — свинец, медь, железо и др. Плотности тока обычно высокие: 5—10 а/дм2 и выше. Катодное травление происходит в результате восстановления и механического отрывания окислов металла выделяющимся водородом. В качестве электролита берут раствор кислоты или соли, обладающий хорошей электропроводностью. Наилучшими электролитами при катодном травлении являются растворы, содержащие смесь серной и соляной кислот. Анодом служит свинец, сплав свинца с сурьмой или кремнистый чугун. Плотность тока при катодном травлении такая же, как и при анодном. Декапирование — еще один вид химической обработки изделий, несколько отличающийся от обычного процесса травления металлов. Оно производится непосредственно перед погружением изделий в гальванические ванны. Эта операция необходима прежде всего для быстрого удаления легкого налета окисла, образующегося очень часто на поверхности очищенных изделий при их транспортировке или во время хранения. Для химического декапирования применяются более слабые травильные растворы, чем для обычного травления. Во избежание разрушения поверхности изделия операция декапирования длится очень недолго — от нескольких секунд до 1 мин. Чаще всего для химического декапирования железа и стали применяют 3—5%-ныйi раствор серной или соляной кислоты. Изделия из меди и ее сплавов декапируют в 5—10%-ном растворе серной кислоты и в разбавленных растворах смеси фосфорной и соляной кислот. Цинк и алюминий декапируют в 3%-ном растворе соляной кислоты; хорошие результаты получаются также при обработке цинка и его сплавов в 3—5%-ном растворе серной кислоты или в 5—10%-ном растворе фосфорной кислоты при 133 комнатной температуре. Кроме того, для обоих металлов применяют декапирование в разбавленных растворах щелочей (5— 10%-ном КОН или NaOH) при температуре 20-60° С. Электрохимический способ декапирования заключается в том, что деталь (анод) перед покрытием обрабатывают в чистых растворах серной, фосфорной и хромовой кислот, а также в растворах кислых сернокислых солей при комнатной температуре. Очень хорошие результаты получаются при анодном декапировании изделий из стали в растворе, содержащем 60—84% серной кислоты; начинать работу нужно при высокой концентрации серной кислоты. Температура раствора 15—25° С; анодная плотность тока 5—10 а/дм2; напряжение 10—12 в. Продолжительность процесса около 1 мин. в) Ультразвуковая очистка Сравнительно недавно для очистки поверхности изделий от загрязнений стали использовать метод возбуждения жидкости энергией звуковых колебаний высокой частоты с помощью магнитострикционных и других вибраторов. При этом происходит так называемая кавитация, иначе говоря, «захлопывание» пузырьков газа, образующихся при периодическом сжатии и расширении жидкости под действием знакопеременного давления. Механизм кавитации состоит в том, что при воздействии ультразвуковой энергии на жидкость в ней возникают очень высокие мгновенные гидростатические и гидродинамические давления. Если сумма гидродинамического и гидростатического давлений достигает некоторого критического значения, пузырьки газа и пара, обычно присутствующие в жидкости, приобретают способность к неограниченному росту. При увеличении давления сверх критического значения пузырьки сокращаются и исчезают. Сокращение пузырьков происходит с очень большой скоростью и сопровождается своего рода гидравлическими ударами, вызывающими предельно высокие местные давления. Как правило, кавитация сопровождается разрушением поверхности твердого тела, находящегося в жидкости, и сопровождается отрывом прилипших к поверхности изделия частиц загрязнений, а 134 также разрушением окислов. Явления, происходящие на загрязненной поверхности при очистке в жидкости, возбуждаемой ультразвуковыми колебаниями, включают несколько процессов, протекающих одновременно и определяемых частотой колебаний. При низких ультразвуковых частотах преобладает механическое действие кавитационных ударов, нарушающих сцепление между частицами загрязнений и поверхностью очищаемой детали, в результате чего загрязнения отделяются, а затем эмульгируются или диспергируют в рабочей жидкости (растворителе). Химическое воздействие растворителя на загрязнения усиливается интенсивным движением жидкости. При высоких частотах важную роль играет повышение температуры в поверхностном слое благодаря поглощению энергии ультразвуковых колебаний и превращению их в тепло. Обычно очистка мелких и очень мелких деталей производится на предельно высоких частотах (до 1 Мгц), а очистка крупных деталей, особенно если в них имеются пустоты, — на низких (20—40 кгц). При очистке гладких поверхностей точных изделий (например, полированных легких металлов) использование очень низких частот нежелательно, так как можно повредить их поверхность. Изделия из пластмасс, сильно нагревающиеся на высоких частотах из-за интенсивного поглощения колебаний, также обрабатывают на низких частотах. Ультразвуковую очистку ведут в различных средах, в том числе в воде или водных растворах солей, которые иногда эффективно заменяют сравнительно дорогие органические растворители. Применяют щелочные растворы с рН от 7,5 до 13 и концентрацией от 7,5—15 г/л до 120—240 г/л. в зависимости от природы и степени загрязнения изделий. Температура этих растворов должна быть 54—65° С. Растворы низких концентраций используют для очистки деталей от полировочных паст, средних концентраций — для очистки цветных металлов от жировых загрязнений, высоких — для очистки стальных деталей от паст и красок. При некоторых концентрациях возможно удаление окалины и ржавчины. Кислые растворы с температурой 54—71° С 135 применяются при концентрациях 5—50% для удаления окалины, ржавчины и нагара. Из органических растворителей для ультразвуковой очистки наиболее распространен трихлорэтилен. Он обладает хорошей растворяющей способностью, относительно безвреден и недефицитен и характеризуется более низкой, чем у водных растворов, температурой возникновения кавитации (32—50° С). Некоторые растворители, например бензол и сероуглерод, сильно поглощают ультразвуковую энергию; выделяющиеся при этом пузырьки, скапливаясь у излучающей поверхности преобразователя, снижают эффективность его работы. Ультразвуковая очистка эффективна только при хорошем смачивании поверхности изделий растворителем. Поэтому для удаления с поверхности очищаемых деталей пузырьков воздуха и газов и устранения воздушных мешков в каналах и отверстиях в процессе очистки детали встряхивают, а для лучшего смачивания в состав растворителя вводят поверхностно-активные вещества, понижающие поверхностное натяжение 5.3. Металлические негальванические покрытия При производстве радиоаппаратуры применяют несколько способов металлических негальванических покрытий; вакуумное испарение, катодное распыление, горячее распыление, горячую металлизацию. Вакуумное испарение (возгонка) — это способ нанесения на обрабатываемое изделие тонкой металлической пленки путем конденсации паров металла в вакууме. Вакуумное испарение обеспечивает весьма большую прочность пленок, причем управление процессом осаждения сравнительно несложно. Испарение в вакууме (возгонка) широко применяется при нанесении тонких слоев родия или палладия для повышения механической прочности ранее осажденного на поверхность изделия серебра; для изготовления высокоточных безындукционных резисторов, работающих в СВЧ-приборах; при изготовлении металлизированных резисторов (МЛТ); в технологии печатных 136 схем; для придания поверхностям высокой отражающей способности; для создания тонких электропроводящих слоев на электроизоляционных материалах. В ряде случаев применение вакуумного испарения является единственным средством для решения сложных конструктивных и технологических задач. Достаточно упомянуть о том, что в измерительной аппаратуре, работающей в диапазоне СВЧ, применяются тонкие слюдяные пластинки, на которые вакуумным испарением осаждается слой палладия толщиной не более 200А. Рис. 5.1. Схема установки для испарения металлов: 1 — испаритель; 2 — заготовка; 3 — штуцер к вакуумному насосу Обрабатываемую деталь, на поверхность которой нужно нанести слой металла, помещают в вакуумной камере (10-3—10-5 мм рт. ст.) над испарителем (рис. 5.1), в качестве которого в простейшем случае используется пластинка из тугоплавкого материала, разогреваемая до температуры испарения электрическим током. Во многих случаях интенсивное испарение металла начинается при температуре ниже температуры плавления, когда давление паров металла превысит давление в испарительной камере. Скорость испарения металла зависит от его температуры. Как видно из табл., температуры, при которых упругость насыщенных паров достигает определенных значений, существенно различаются для различных металлов, даже близких по темпера137 туре плавления (например, хром и платина). Из табл. видно также, что давление паров металла изменяется примерно на целый порядок с изменением температуры на 10%. В связи с этим регулирование скорости испарения часто бывает затруднено. Таблица Зависимость скорости испарения металла от его температуры Температура, °К, соответствующая Температура давлению Элемент плавления, насыщенных паров, мм рт. ст. °К 0,01 0,1 1 10 100 1000 Ртуть 246 266 290 320 354 399 234 Цинк 490 523 567 620 681 762 692 Литий 680 740 814 905 1018 452 Висмут 890 970 1070 1190 544 Сурьма 973 903 Свинец 770 830 910 1000 1110 1260 600 Олово 1148 505 Хром 1190 2073 Серебро 1080 1180 1310 1460 1233 Золото 1445 1336 Алюминий 1470 1610 1780 933 Железо 1694 1803 Никель 1717 1723 Платина 2332 2043 Молибден 2755 2873 Вольфрам 3505 3673 При малой длительности периода испарения существенное влияние на результат процесса оказывает период разогрева и охлаждения испарителя. Для улучшения результатов процесса необходимо обеспечить постоянство скорости подъема и понижения температуры испарителя либо экранировать поверхности осаждения на время установления постоянной температуры. 138 Перед нанесением покрытия поверхность тщательно очищают от жировых пятен, пыли и других загрязнений, протирая ее этиловым спиртом, и высушивают в термостате. Толщина слоя покрытия зависит от степени разрежения, температуры и времени испарения. К недостаткам вакуумного испарения относятся длительность процесса и малый коэффициент использования испаряемого металла, который осаждается не только на покрываемом изделии, но и на поверхности всех предметов, находящихся под колпаком, а также и на внутренних его стенках. Катодное распыление. Осаждение пленок металла методом катодного распыления основано на явлении переноса металла с катода на анод при тлеющем разряде в газах. Простейшая схема установки для катодного распыления показана на рис. 5.2. Катод изготавливают из металла, который нужно нанести на поверхность изделия. Материал анода не играет роли. Обычно анодом служит железо или алюминий. Обрабатываемое изделие помещают в поток ионизированного газа параллельно катоду вблизи темного катодного пространства. Интенсивность J осаждения наиболее велика, когда катодное темное пространство заполняет от 1/2 до 1/3 расстояния между катодом и поверхностью изделия. Размер катодного темного пространства легко регулируется степенью разрежения: с повышением давления размер его уменьшается. Интенсивность распыления при прочих равных условиях регулируют величиной приложенного напряжения. Разность потенциалов, необходимая при катодном распылении, составляет от 10 до 30 кв. Процесс переноса частиц металла с катода на изделие протекает при разрежении 10-3— 10-4 мм рт. ст. 139 Рис. 5.2. Схема установки для катодного распыления: 1 — катод, 2 — анод; 3 — заготовка; 4 — штуцер к вакуумному насосу; 5 и 6 — герметичные выводы к источнику высокого напряжения Интенсивность распыления зависит от свойств материала катода и состава газовой среды. Любой металл распыляется, например, в азоте, значительно быстрее, чем в водороде, а в аргоне почти в 6 раз быстрее, чем в водороде. В среде гелия распыление всех металлов очень незначительно. Примеси некоторых газов могут оказывать избирательное действие. Например, введение в камеру паров ртути ускоряет скорость распыления хрома, алюминия и сравнительно мало влияет на интенсивность распыления других металлов. Металлы, имеющие высокую температуру испарения, распыляются, как правило, с меньшей скоростью. Способ катодного распыления удобен тем, что скорость процесса легко поддается управлению. Регулируя величину тока, можно изменять время распыления от долей секунды до нескольких часов. В процессе откачки газа из камеры при небольшом разрежении, когда распыление еще не происходит, благодаря действию тлеющего разряда осуществляется безупречная очистка поверхности осаждения, что очень важно для прочного закрепления пленки. Недостаток способа катодного распыления — в непременном присутствии в камере газа, что часто приводит к захвату его 140 атомов и прочному их включению в осаждаемую пленку, а также и трудности распыления некоторых тугоплавких металлов и сплавов, представляющих в ряде случаев большой практический интерес благодаря их химической стойкости и высокому удельному сопротивлению. Горячее распыление заключается в том, что расплавленный металл распыляется сжатым газом и осаждается на поверхности обрабатываемого изделия. Посредством горячего распыления на поверхность любого материала можно нанести любое металлическое покрытие. Покрытие наносят распылительным пистолетом (рис. 5.3). Ствол пистолета состоит из трех металлических трубок, вставленных одна в другую. По трубке меньшего диаметра подается проволока из металла, который используется для образования покрытия. По трубке среднего диаметра поступает горючая смесь газов: водорода и кислорода или ацетилена и кислорода. Между наружной стенкой средней трубки и корпусом ствола, который представляет собой третью трубку самого большого диаметра, подается под давлением азот или углекислый газ. На конце корпуса ствола укреплена насадка с отверстием, через которое разбрызгивается расплавленный металл. Частицы распыленного металла переносят очень незначительное количество тепла, поэтому способом горячего распыления можно металлизировать тончайшие ткани, конденсаторную бумагу, полистироловую пленку и другие материалы с низкой нагревостойкостью. Рис. 5.3. Схема камеры плавления пистолета для горячего распыления металла: 1 — камера плавления; 2 —проволока; 3— канал подачи нейтрального газа; 4 — канал подачи горячей смеси 141 Исследование микроструктуры металлизированного слоя показывает, что он состоит из чешуек металла, связанных между собой, а также с основанием только силами сцепления. Это объясняется тем, что поверхность распыленных частиц металла во время переноса через воздушное пространство, отделяющее пистолет от покрываемой поверхности, успевает окислиться. Количество окислов составляет 1—2% (по весу) от общего количества металла в зависимости от состояния атмосферы и свойств наносимого металла. Частицы металла с окисленной поверхностью, ударяясь о поверхность обрабатываемого изделия, деформируются и образуют чешуйки, отделенные одна от другой пленками окиси. Поэтому металлизированный слой — пористый, а присутствие окислов ухудшает его защитные свойства (которые, однако, могут быть повышены увеличением толщины слоя). Подготовка поверхности перед горячим распылением состоит в удалении жировых пленок и загрязнений. Гладким поверхностям необходимо придать шероховатость путем гидропескоструйной обработки, что значительно увеличивает силу сцепления частиц наносимого металла с основанием. Металлические поверхности, если это возможно, желательно нагревать до 200—250° С. При поддержании указанной температуры нагрева в течение процесса металлизации оловом, цинком, медью возможна некоторая спайка металла покрытия с основанием. Горячая металлизация применяется для нанесения покрытия на металлические изделия. Широко распространены горячее лужение и цинкование, которые осуществляются погружением изделия в расплавленный металл после предварительной тщательной очистки его поверхности от загрязнений и окислов. При горячем лужении хорошо очищенное изделие смачивают флюсом, например хлористым цинком, и погружают на короткое время в расплавленное олово или припой — сплав олова со свинцом. Затем изделие вынимают и быстро встряхивают, пока расплавленное олово или припой не успели еще застыть; излишек олова или припоя при этом сбрасывается с поверхности из142 делия. Для получения равномерной толщины слоя олова на больших поверхностях еще не успевшее застыть покрытие быстро протирают сухой тряпкой. При массовом горячем лужении мелкие детали предварительно подвергают травлению, затем промывают холодной водой, нейтрализуют и обезжиривают в содовом растворе. После этого детали засыпают в проволочную корзину и вместе с ней погружают в ванну с водным раствором хлористого цинка. Встряхивая корзину, детали освобождают от излишков флюса и пересыпают в другую проволочную корзину, нагретую до температуры 200—250°С, которую быстро погружают в тигель с расплавленным припоем на 10—15 сек. После этого корзину с деталями переносят к центрифугу и вращают со скоростью 1 000—1 500 об/мин в течение 8—10 сек. При этом излишки еще не успевшего застыть припои отделяются от деталей и выбрасываются через отверстия корзины к стенкам каркаса центрифуги, застывают и падают в сборник. 5.4. Неметаллические химические покрытия Из химических способов отделки и покрытия поверхности деталей радиоаппаратуры наиболее распространены оксидирование, фосфатирование и антикоррозионное азотирование. Оксидирование представляет собой процесс создания окисной пленки исходного металла на поверхности деталей. Пленка имеет толщину около одного микрона, т. е. размеры деталей при оксидировании практически не изменяются. Химическое оксидирование — один из способов защиты от коррозии стальных деталей, а также деталей из меди, алюминия и магния и их сплавов. Поэтому оксидированию подвергаются детали, размеры которых выполнены по 1—3-му классам точности. В зависимости от применяемых электролитов существуют три вида оксидирования: щелочное, бесщелочное и химическое. Стальные детали оксидируют в стационарных ваннах щелочным и бесщелочным (кислотным) способами. 143 Щелочное оксидирование производится в Горячих концентрированных растворах едких щелочей в присутствии различных окислителей. Широкое применение имеет раствор, состоящий из едкого натра NaOH (650—700 г/л), азотистокислого натрия NaNO2 (200—220 г/л), азотнокислого натрия NaNO3 (50—70 г/л) и перекиси марганца МnО3 (20—25 г/л). В этом растворе, нагретом до 138—145° С, изделия выдерживают от 60 до 90 мин в зависимости от процентного содержания углерода в стали. Температура нагрева деталей из легированных сталей 150—155° С, время оксидирования 1,5—2 ч. После обработки в растворах детали тщательно промывают проточной подогретой водой (40—45° С) и протирают щетинными щетками. Затем в стационарной ванне с устройством для встряхивания детали промывают горячей (70—95° С) водой под душем в течение 10—15 сек. После обработки в мыльном растворе при температуре 70—95° С в течение 15—20 мин проводится вторичная промывка горячей водой под душем с последующей сушкой в сушильном шкафу при непрерывной циркуляции воздуха, подогретого до 70—90° С. Затем детали проваривают в масле при температуре 110—120° С в течение 10—15 мин. Внешний вид получаемой окисной пленки можно изменять, применяя различные окислители. Бесщелочное (кислотное) оксидирование стальных деталей образует защитную пленку из фосфатов кальция и окислов железа. Получаемая при этом пленка толщиной около 15 мкм по устойчивости против коррозии и механической прочности превосходит пленку, образующуюся в щелочно-нитратных растворах. Химическое оксидирование алюминия и алюминиевых сплавов ведут в растворах, содержащих щелочь и хроматы щелочных металлов. Предварительно обезжиренные в щелочном растворе изделия оксидируют в течение 10—15 мин в стальной ванне при 85—100° С в водном растворе 50 г/л кальцинированной соды и 15 г/л хромовокислого натрия. Полученную пленку, 144 обладающую хорошей адсорбционной способностью, закрепляют обработкой в растворе хромового ангидрида (20 г/л). Оксидированные поверхности закрашивают цинкохроматным грунтом АПГ. При оксидировании меди и ее сплавов в щелочносульфатных растворах получаются окисные пленки различной толщины темно-синего и коричневого цветов; в отдельных случаях эти пленки используют в качестве грунта для лакокрасочных покрытий. Фосфатирование — это химический процесс образования на поверхности деталей пленки фосфатов. Пленка имеет шероховатую поверхность, обладает высокой адсорбционной способностью, является хорошим грунтом для смазок, лаков, красок, прочно сцепляется с основным металлом. Фосфатирование практически не изменяет размеров деталей. Вместе с тем фосфатная пленка неэлектропроводна, не поддается паянию и разрушается от ударов. Работа фосфатированных деталей на трение не допускается. Фосфатирование стальных деталей состоит из подготовки поверхности детали (предварительная обработка), получения фосфатного покрытия (собственно фосфатирования) и дополнительной обработки фосфатированных деталей для усиления какого-либо свойства покрытия. Предварительная обработка деталей заключается в обезжиривании, очистке от ржавчины и окалины и промывке. Для фосфатирования применяют главным образом растворы фосфорнокислых солей марганца, цинка и железа и свободной фосфорной кислоты с теми или иными добавками, улучшающими процесс образования фосфатного покрытия. Крупные детали погружают в ванну на подвесках, а мелкие — в специальных сетчатых корзинах, перфорированных барабанах и т. д. Детали, загруженные во вращающихся барабанах, получают более ровный фосфатный слой с мелкокристаллической структурой. Время, необходимое для образования фосфатного слоя требуемой толщины, зависит от состава ванны, температуры и качества поверхности фосфатируемых деталей и колеблется от нескольких минут до часа и более. Толщина наносимого фос145 фатного слоя составляет от 0,001 до 0,015 мм в зависимости от назначения детали. По окончании фосфатирования детали тщательно промывают сначала холодной проточной водой, затем горячей и тщательно просушивают в сушильных шкафах при 200—300° С. Азотирование состоит в насыщении поверхности стальных деталей азотом в потоке аммиака при температуре 500—650°С. Антикоррозионному азотированию подвергают детали из малоуглеродистых сталей, выполненные по 2-му и 3-му классам точности и работающие в средних и жестких условиях эксплуатации (например, оси под посадку шарикоподшипников и других деталей, зубчатые колеса, втулки, кольца, муфты, детали, штифтуемые на осях). Для деталей толщиной или диаметром менее 1,5 мм и для пружин антикоррозионное азотирование не применяется. Лучшие антикоррозионные свойства поверхности стали получаются, если режим процесса азотирования обеспечивает за относительно короткое время максимальную и равномерную концентрацию азота в поверхностном слое с образованием твердого раствора нитридов в железе. Это зависит от качества подготовки деталей, от температуры процесса азотирования, равномерности и скорости подачи аммиака к поверхности обрабатываемых деталей, от полноты предварительной очистки аммиака от влаги, от степени диссоциации аммиака и от условий охлаждения деталей. Чем лучше механически подготовлена поверхность детали, тем выше качество азотирования. Перед азотированием детали тщательно обезжиривают. Температура процесса азотирования и его продолжительность тесно связаны между собой. С повышением температуры до 700° С скорость процесса резко возрастает, а затем начинает заметно падать, так как при высоких температурах превалирует процесс распада нитридов. Так, количество поглощаемого сталью азота при температуре 600° С в 3 раза больше по сравнению с азотированием при температуре 500° С (при одинаковой продолжительности процесса). Увеличение времени азотирования 146 также ведет к возрастанию количества азота, поглощенного сталью, и глубины азотированного слоя. Азотирование при температуре ниже 500° С не обеспечивает надежной защиты от коррозии. Как правило, в первое время насыщение стали азотом происходит наиболее интенсивно, затем скорость процесса азотирования уменьшается и определяется скоростью диффузии азота в металл. Продолжительность азотирования определяется получением коррозионно-устойчивого беспористого слоя. Увеличение длительности процесса сверх установленных пределов повышает хрупкость как азотированного слоя, так и самого металла. На поглощение азота сталью влияет и степень диссоциации (распада) аммиака. На степень диссоциации аммиака влияет не только температура, но и полнота загруженности контейнера стальными деталями. Сталь усваивает только атомарный азот, поэтому необходимо, чтобы молекулы аммиака адсорбировались на поверхности стальных деталей и на этой же поверхности претерпевали диссоциацию. Максимальное насыщение стали азотом происходит при диссоциации аммиака в пределах 15—45%. Процесс азотирования обычно проводят при диссоциации аммиака в пределах 20—30%. 5.5. Металлические и неметаллические гальванические покрытия При выборе способа защиты металлических деталей от коррозии путем нанесения гальванических покрытий из других металлов исходят из электрохимических свойств металла в данной среде. Одним из этих свойств является способность металла с определенной силой переходить в раствор в указанной среде. Эта сила характеризуется электрохимическим потенциалом, выражаемым в вольтах. Чем меньше (алгебраически) электрохимический потенциал металла в данной среде, тем больше его стремление перейти в раствор. Металл с меньшим потенциалом является анодом, растворяемым электродом, и его способность 147 перейти в раствор, т. е. разрушаться, больше, чем у электрода с большим электрохимическим потенциалом. На металлы с отрицательным потенциалом, например цинк, алюминий, их сплавы и железо, нельзя нанести металлы с более положительным потенциалом, например медь, из простых кислых электролитов (в подобных случаях приходится прибегать к цианистым ваннам, а это связано с рядом неудобств). Гальваническое покрытие является анодным, если в данной среде электрохимический потенциал металла покрытия меньше, чем потенциал металла детали. Защита в этом случае имеет электрохимический характер. Металл детали и металл покрытия (при наличии нарушений и пор в последнем) можно рассматривать как короткозамкнутый электрический элемент с определенной разностью потенциалов, для которого окружающая атмосфера с определенным содержанием активных газов и влаги является растворяющей средой. Поэтому анодные покрытия защищают детали в агрессивной среде даже при нарушении целостности слоя, так как металл анодного покрытия, являющийся растворяемым электродом, скорее подвергается разрушению, чем металл детали. Покрытие называется катодным, если в данной среде электрохимический потенциал металла покрытия больше, чем потенциал металла детали. Катодные покрытия защищают металл детали только механически. При нарушении целостности слоя покрытия быстрее разрушается металл изделия. При любом виде гальванических покрытий надо стремиться к уменьшению разности потенциалов основного металла и металла покрытия. Эта разность не должна быть более 0,5 в. Защитные свойства и продолжительность срока службы анодных покрытий в основном зависят от их толщины, защитные же свойства катодных покрытий зависят от толщины и пористости покрытия. Пористость — один из очень существенных недостатков гальванических покрытий. Другим большим недостатком гальванических покрытий является невозможность получения равномерного по толщине слоя пленки на всех участках поверхности сложной формы. Не 148 рекомендуется наносить покрытия на собранные узлы, так как в местах соединений металл деталей остается непокрытым. Еще хуже то, что в этих местах могут оставаться следы кислот (из-за трудности промывки), создающие очаги коррозии. На радиозаводах для гальванического покрытия мелких деталей применяют вращающиеся ванны (колокола) с наклонной осью вращения. Стальной корпус ванны (колокол) 1 (рис. 5.4) покрыт внутри резиной или термопластичной массой, на которую укладывают медные контактные пластины — катоды. Анодная пластина 2 крепится на штанге, удерживаемой на неподвижном кронштейне. Обрабатываемые детали насыпают на дно ванны, наполненной электролитом, они контактируют через медные пластины со стальным корпусом ванны. Перемещение деталей при вращении колокола обеспечивает равномерность покрытия. После покрытия детали вынимают, тщательно промывают проточной водой и высушивают. Рис. 5.4. Ванна с наклонной осью вращения: 1 — колокол; 2 — анод; 3 — коническая передача; 4 — редуктор привода; 6 — электродвигатель Крупные изделия обрабатывают в стационарных ваннах, где детали подвешивают к стержням с помощью проволочных подвесок. Для покрытия мелких изделий в стационарных ваннах применяют корзинки или ведра из металлической сетки. Стаци149 онарные ванны нередко оборудуют транспортерами, которые перемещают обрабатываемые детали в ванне параллельно анодам. Плотность тока регулируется вручную автотрансформатором или с помощью автоматического регулятора. Основными процессами, подлежащими механизации и автоматизации в гальванических цехах, являются уже рассмотренные процессы подготовки деталей к покрытию и непосредственно процессы нанесения гальванических покрытий. И в том и в другом случае должны быть автоматизированы процессы: загрузка деталей в ванну, их движение из этой ванны в другую через определенные промежутки времени и выгрузка, а также подача растворов, регулирование заданных режимов, плотности тока, температуры и др. При использовании автоматов функции рабочего сводятся только к загрузке и выгрузке изделий, уже промытых и высушенных. Один рабочий может обслужить несколько гальванических автоматов, причем качество покрытия получается весьма стабильным; время выдержки деталей в электролите автоматически регулируется в зависимости от концентрации электролита, его температуры и других факторов. На рис. 5.5 показана схема транспортирующего устройства гальванического автомата. Колокола 1 прикреплены к бесконечной цепи 2, которая периодически перемещается с шагом, равным расстоянию между колоколами. При передаче из одной ванны в другую колокола поднимают, чтобы не задеть за стенки ванны. При перемещении цепи в направлении, указанном стрелкой, ролик 5 встречает кулачок 3, скользя по которому приподнимает колокол и удерживает его в таком положении до тех пор, пока ось колокола не будет находиться против середины ванны. В этом положении ролик соскакивает с кулачка, и колокол опускается в ванну. Положение погруженного колокола определяется винтом 4, в который при опускании колокола упирается червячное колесо 6, служащее для вращения колокола в ванне. Стенки корпуса колокола изготовляют из пластмассы или покрывают резиной; в ряде случаев колокола выполняют из медной сетки, дно которой служит катодом, а стержень 7 анодом. Необходимо 150 отметить, что на радиозаводах подобные транспортирующие устройства и автоматы применяются для гальванических покрытий как мелких, так и крупных деталей, транспортируемых на индивидуальных подвесках. Рис 5.5. Схема транспортирующего устройства автомата для гальванических покрытий Для поддержания заданных режимов в ваннах применяются автоматические регистрирующие устройства и измерительные приборы. Одним из наиболее важных параметров, подлежащих автоматическому регулированию, является плотность тока. Регулирование плотности тока, как известно, производится изменением напряжения на штангах ванны, поэтому важным является выбор источников постоянного тока и регуляторов, обеспечивающих плавное регулирование напряжения. Для автоматического регулирования требуется, чтобы регулятор напряжения просто и надежно сочленялся с исполнительным механизмом реверсивного действия. В зависимости от материала верхнего слоя покрытия различают цинкование, кадмирование, меднение, латунирование, 151 никелирование, хромирование, покрытие сплавами олово— свинец (электролитическое лужение), серебрение и золочение. Цинкование — это типичное анодное покрытие, применяемое почти исключительно для защиты черных металлов. Цинковое покрытие имеет среднюю твердость, выдерживает развальцовку и изгибы, плохо паяется и сваривается, не поддается облуживанию. В сухом воздухе цинковое покрытие устойчиво. В присутствии влаги при нормальной температуре образуется окисная пленка толщиной 5—10А, обладающая защитными свойствами. Во влажной среде при 60—80° С цинк быстро коррозирует. Морская вода и кислоты особенно быстро разрушают цинковое покрытие. Для цинкования применяют кислые и цианистые электролиты. Цианистые электролиты позволяют получить более высокое качество покрытия, поэтому их используют при сложной форме изделия. Однако цианистые ванны ядовиты, и эксплуатация их требует надежной вытяжной вентиляции. Кислые электролиты применяются для цинкования изделий несложной формы. Кадмирование применяется для защиты от коррозии черных металлов. По своим свойствам кадмий очень близок к цинку. Кадмиевое покрытие имеет приятный серебристо-стальной цвет; со временем блеск покрытия теряется. В химическом отношении кадмий более стоек, чем цинк, В атмосфере влажного воздуха он покрывается тонкой пленкой окиси, приобретающей при 200° С соломенно-желтый цвет и предохраняющей металл от дальнейшего разрушения. Защитные свойства кадмия, так же как и цинка, зависят от толщины покрытия, которая составляет 10—15 мк для мягких условий и 25 мк — для защиты от сильнодействующих корродирующих агентов. Считают, что кадмий защищает черные металлы от воздействия атмосферного воздуха неограниченное время. В атмосфере, загрязненной сернистыми газами, кадмиевое покрытие быстро разрушается. Кадмий значительно хуже цинка растворяется в минеральных кислотах и совершенно нерастворим в щелочах. Он хорошо заполняет все углубления и поэтому 152 применяется для покрытия резьбовых деталей; кадмием можно покрывать детали, подвергающиеся в дальнейшем развальцовке, вытяжке и гибке. Высокая стоимость и дефицитность кадмия ограничивают его использование. Меднение как самостоятельный вид покрытия деталей из черных металлов не применяется, так как медь легко окисляется на воздухе и темнеет. Оно используется для образования подслоя перед нанесением никеля, хрома, олова, серебра и золота, а также перед окраской и лакированием. Толщина подслоя меди для хромирования, никелирования и серебрения 3—25 мк. Меднение часто применяют для увеличения электропроводности и для защиты поверхности детали от науглероживания при цементации, а также для покрытия медью деталей из черных металлов перед пайкой, лужением или сваркой (в этом случае толщина слоя меди 20 мк). Для меднения применяют кислые или цианистые электролиты. Кислые электролиты не обеспечивают хорошего сцепления слоя меди с поверхностью изделий из черных металлов. Цианистые электролиты дают более прочное покрытие на черных металлах. Если меднение используют в качестве подслоя под никель или хром, то вначале наносят тонкий слой меди в цианистом электролите, а затем толщину слоя увеличивают в кислой ванне. Латунирование — это процесс электрохимического осаждения сплава меди с цинком. Латунные покрытия обладают прочным сцеплением с различными металлами; хорошо полируются; их используют в качестве подслоя на сталь перед серебрением, лужением, свинцеванием. Для защиты черных металлов от коррозии латунирование не применяется. Толщина латунных покрытий обычно не превышает 3—5 мк. Допускается использование латунирования как декоративного покрытия при работе изделия в легких условиях. Никелирование дает покрытия, обладающие высокой твердостью и применяемые главным образом как защитнодекоративные. Для декоративных и антикоррозионных целей 153 используют тонкослойные покрытия с подслоем меди, никеля— меди и меди—никеля (с последующим хромированием). Общая толщина двухслойного покрытия из меди и никеля на стальных деталях, работающих на воздухе, принимается не менее 25 мк, в закрытых помещениях — 13 мк; при защите латунных и медных деталей толщина слоя никеля составляет: для деталей, работающих на воздухе — 13 мк, в помещении — 6 мк. На воздухе никелевое покрытие изменяется незначительно, тем не менее оно не имеет особых преимуществ по сравнению с цинковыми или другими покрытиями. Поэтому в радиоаппаратуре никелирование следует применять только для деталей, находящихся снаружи (например, на лицевых панелях), где требуются декоративно-защитные покрытия. Хромирование используют для защиты от коррозии стальных, медных, алюминиевых деталей и никеля, а также для повышения отражательной способности поверхностей деталей, износоустойчивости, жаростойкости и твердости. Покрытие может быть блестящим или матовым. Осажденный на полированную поверхность хром имеет зеркальный блеск с высоким коэффициентом отражения (около 70%). В многослойных покрытиях хром осаждается очень тонким слоем толщиной 0,5—0,6 мк. Хромовые покрытия обладают высокой стойкостью при работе на трение. Эти покрытия хорошо полируются и не тускнеют при нагревании до 300° С. Однако они имеют трещины и поры, поэтому требуют наличия подслоя из других металлов (меди, никеля), без которого они не могут надежно защищать стальные детали от коррозии. На воздухе хром не изменяет своего цвета, на него не действуют сероводород и сернистые соединения. Недостатком хромового покрытия является неравномерное распределение его на поверхности, что затрудняет хромирование деталей сложной конфигурации. Покрытие сплавами олово—свинец (электролитическое лужение) применяется для защиты деталей из стали, меди и ее сплавов от коррозии, а также для подготовки поверхности к пайке. Луженые поверхности хорошо противостоят воздействию паров серы. Электролитические покрытия из сплавов олово— 154 свинец (толщина слоя 10—30 мк) обладают хорошим сцеплением с металлом детали, выдерживают изгибы и вытяжку. Серебрение и золочение применяют лишь в случаях, когда никакие другие виды покрытий не удовлетворяют требованиям к коррозионной защите деталей; серебрение используют также для повышения электропроводности поверхностных слоев токоведущих деталей и элементов радиоаппаратуры, а золочение — для электрических контактов, где недопустимо повышение или вообще изменение переходного сопротивления. Эти покрытия наносятся на медь, ее сплавы и др. Наиболее распространены серебряные покрытия, применяемые в декоративных и антикоррозионных целях, а также для подготовки поверхности к пайке, для уменьшения электрического сопротивления и повышения отражательной способности поверхностей. Серебро не окисляется, но легко реагирует с галоидами; при действии на него сероводорода и сернистых соединений образуется сернистое серебро черного цвета. Механическая прочность серебра невысока, поэтому для защиты от истирания (например, в резонаторах с плунжерной настройкой) на серебряное покрытие наносят слой родия толщиной 0,2—0,4 мк. Родий защищает серебряное покрытие и от действия сернистых соединений. Серебро хорошо полируется, но обладает высокой степенью пористости, из-за чего на сверхвысоких частотах применение такого покрытия не всегда позволяет снизить потери в волноводных трак~ тах и резонаторах. Серебрению подвергаются детали из меди и ее сплавов, Стальные детали покрывают серебром с предварительным нанесением подслоя меди. Серебрение производится в цианистых электролитах. Для прочного сцепления покрытия с металлом изделий их перед серебрением амальгамируют путем кратковременного погружения в водный раствор цианистой ртути (5—10 г/л) и цианистого калия (10—15 г/л). Покрытие из золота отличается высокой химической стойкостью, не окисляется и не тускнеет, но оно очень мягко, вследствие чего не может применяться для защиты трущихся поверхностей. При необходимости повысить твердость применяют зо155 лочение с добавкой 0,17% никеля. Толщина слоя золотых покрытий составляет 3—5 мк. Золочение производится в цианистых ваннах. В качестве анода используют пластинки из золотой фольги толщиной 0,2—0,3 мм. Из числа неметаллических покрытий в производстве аппаратуры широко применяются анодирование (электрохимическое оксидирование) и фосфатное электрохимическое оксидирование алюминия. 5.6. Лакокрасочные покрытия Лакокрасочные покрытия представляют собой пленку лака или краски, нанесенную в один или несколько слоев на поверхность детали и высушенную при определенном режиме. Основой лакокрасочного покрытия является органическое пленкообразующее вещество и пигмент. Эти покрытия в большинстве случаев более удобны для нанесения, выгоднее по стоимости работ и часто более долговечны, чем металлические или другие виды защитных покрытий. Физическая и химическая инертность лакокрасочных покрытий придает им высокие антикоррозионные свойства. Эти покрытия можно наносить на большие поверхности. Лакокрасочные покрытия не применяют для деталей, подвергающихся значительным механическим воздействиям (вибрация, изгибы и т. п.), имеющих поверхности трения и скольжения, нагреваемых до температуры свыше 250° С или имеющих точные посадочные размеры, а также для поверхностей электрического контакта и для деталей, подвергающихся пайке или сварке. Качество лакокрасочного покрытия и срок его службы определяются прежде всего состоянием поверхности окрашиваемых деталей (наличие окалины, ржавчины, жировых загрязнений, ныли и др. ухудшает адгезию лакокрасочного покрытия к материалу детали), составом покрытия (свойства пленкообразующей основы, пигментов, пластификаторов и растворителей), воздействием окружающей среды (климатические условия, дей156 ствие морской воды, наличие паров кислот), количеством слоев и способом выполнения лакокрасочных работ. Для повышения качества лакокрасочного покрытия необходимо правильно выбрать материалы для грунтования, шпатлевания и определить количество слоев покрытия. Помимо устойчивости лакокрасочных покрытий по отношению к окружающей среде в условиях эксплуатации изделия, пригодности для данного материала и требуемой адгезии, надо учитывать еще следующее: скорость высыхания при обычной температуре и при горячей сушке, что имеет важное значение при поточном способе окраски; цвет и его устойчивость при эксплуатации; возможность шлифования и полирования при высококачественной отделке; механическую прочность покрытия; огнеопасность и ядовитость составных частей лакокрасочных материалов. Лакокрасочные покрытия классифицируют по трем признакам: а) по основному материалу покрытия; б) по внешнему виду поверхности; в) по устойчивости в различных средах. По основному материалу виды покрытий разделяются на три группы: масляные и масляно-смоляные, смоляные, эфироцеллюлозные. В первую группу входят масляные, масляноглифталевые, масляно-пентафталевые и масляно-битумные покрытия; ко второй группе относятся мочевиноформальдегидные, меламиноформальдегидные, феноло-формальдегидные, силоксановые, перхлорвиниловые, асфальтобитумные, полиуретановые, эпоксидные покрытия; третья группа объединяет покрытия на основе эфиров целлюлозы и включает нитроцеллюлозные и нитроглифталевые покрытия. По внешнему виду лакокрасочные покрытия разделяются на четыре класса: 157 1-й класс — высококачественная отделка поверхности; она должна быть ровная, гладкая, полированная, с зеркальным блеском, без видимых невооруженным глазом механических включений, сорности, следов зачистки, штрихов от кисти и царапин; 2-й класс — нормальный вид отделки: ровная, гладкая, без видимых невооруженным глазом механических включений и сорности поверхности; 3-й класс — защитная отделка поверхности без механических включений и сорности. Лакокрасочные покрытия в этом случае наносятся с применением только местной шпатлевки; декоративной отделки не требуется; 4-й класс — окраска без декоративной отделки, имеющая целью исключительно защиту от коррозии. Для правильного выбора покрытия конструктор обязан знать условия, в которых работает аппарат или прибор, степень загрязненности окружающей среды промышленными газами, температурные интервалы работы наружных или внутренних деталей изделия, относительную влажность среды. В некоторых специальных случаях необходимо знать, в какой именно части радиоаппаратуры будет установлена деталь, какова возможность проникновения в эту область коррозирующих агентов. Технологический процесс лакокрасочных покрытий обычно состоит из следующих операций: 1) подготовки поверхности под окраску; 2) грунтовки; 3) шпатлевки; 4) шлифования; 5) нанесения заданного количества слоев покрытия с промежуточной сушкой. Перед окраской металлических изделий необходимо удалить растворителями масляные и жировые загрязнения, а также окалину. Нанося первый слой лакокрасочного покрытия (грунт), создают условия для надежного сцепления между металлом и последующими слоями покрытия. Обычно грунт наносят пульверизатором. Режим сушки устанавливают в зависимости от состава грунта, а также от состава покрытия для последующих слоев. Шпатлевание служит для того, чтобы заполнить, выровнять Вмятины, раковины, глубокие царапины и прочие дефекты, 158 которые не могут быть закрыты слоем лакокрасочных покрытий. Шпатлевание, как правило, не повышает защитных свойств покрытий, потому что толстый слой шпатлевки подвержен растрескиванию. Шпатлевка представляет собой густую массу, состоящую из пигментов и наполнителей, затертых на пленкообразующей основе. В зависимости от использованного пленкообразователя различают клеевые, масляные, лаковые, нитроцеллюлозные, перхлорвиниловые, эпоксидные и другие шпатлевки. На зашпатлеванных поверхностях после высыхания могут быть неровности, которые удаляют шлифованием. На очищенную от пыли прошлифованную поверхность наносят слои лакокрасочных покрытий. При нанесении лакокрасочных материалов применяют окраску кистью, распылением, погружением, накатку краски валиками. Способ окраски выбирают, исходя из физикомеханических характеристик лакокрасочного материала и вида окрашиваемых изделий. Какой бы способ нанесения ни был выбран, лакокрасочный материал должен быть распределен равномерным тонким слоем по поверхности изделия. Если краска имеет плохую укрывистость, то нельзя добиваться ее улучшения, увеличивая толщину наносимого слоя, так как при этом ухудшаются условия сушки и могут появиться натеки. В этом случае вместо нанесения одного толстого слоя следует нанести два или более тонких слоев, давая каждому слою хорошо просохнуть. Окраска кистью применяется преимущественно для нанесения медленно высыхающих лакокрасочных материалов, например масляных, битумных и т. л. Этот метод малопроизводителен (4—6 мин для окраски 1 м2). Вязкость лакокрасочных материалов должна соответствовать так называемой малярной консистенции, т. е. краска должна легко сходить с кисти при небольшом нажиме и допускать легкую растушевку. Рабочая вязкость краски при нанесении кистью должна быть в пределах 40— 80 сек (по вискозиметру ВЗ-3). 159 Рис. 5.6. Пульверизатор для распыления краски: 1 — стакан для краски; 2 — пистолет; 3 — шланг Окраска распылением в несколько раз производительнее ручной окраски кистью и применима как для масляных, так и для других видов красок и лаков, содержащих значительные количества летучих активных растворителей. Способом распыления можно окрашивать самые разнообразные изделия, за исключением очень мелких. Окрашивание распылением производится без подогрева растворителя или с подогревом. Второй способ особенно эффективен при окрашивании нитролаками и нитрокрасками, так как подогрев уменьшает расход растворителя. Окрашивание производится пульверизаторами (рис. 5.6). Пульверизатор имеет укрепленный на пистолете стакан, наполняемый краской или лаком, который стекает по трубке в ствол пистолета. Струя воздуха, подаваемая через резиновый шланг под давлением 4 am, распыляет краску и выбрасывает ее из пистолета. Окраска с подогревом производится с помощью устройства, показанного на рис. 5.7. Краска или лак в сосуде 4 подогре160 вается змеевиком 5, по которому протекает горячая вода. Через трубку 1 в сосуд подается воздух, и краска под давлением поступает через шланг 6 в ствол пульверизатора 7. Окраску деталей ведут в специальных камерах, оборудованных вытяжной вентиляцией. Так как при распылении краски в камере образуются легковоспламеняющиеся пары, то для предотвращения взрывов используют специальные устройства, образующие вокруг окрашиваемого изделия водяную завесу. Частицы краски или лака, не попавшие на изделие, уносятся водой в отстойник. Большой недостаток способа пульверизации состоит в образовании так называемого тумана, что приводит к значительным потерям краски. Рис.5.7. Схема устройства для окраски с подогревом: 1 — труба для подвода сжатого воздуха; 2 — манометр; 3 – термометр; 4 — сосуд с краской; 5 — змеевик; 6 — гибкий шланг; 7 — пульверизатор В последние годы разработаны и внедрены способы окраски деталей распылением в электростатическом поле. Окрашиваемые изделия устанавливаются на транспортер, проходящий через специальную камеру (рис. 5.8); при этом на изделия через металлические подвески подается положительный потенциал от высоковольтного источника постоянного тока (80—120 кв), а стенки камеры соединены с отрицательным полюсом источника. 161 Рис. 5.8. Схема установки для окраски распылением в электростатическом поле: 1 — пульверизатором; 2 — устройство для вращения подвесок; 3 — подвесной конвейер; 4 — окрашиваемые изделия; 5 — подвески; 6 — электродная коронирующая сетка; 7 — высоковольтный источник постоянного тока (трансформатор с выпрямителем Краска распыляется пульверизатором при давлении 0,7— 1,2 am. Попами в электрическое поле, частицы краски приобретают отрицательный заряд и притягиваются к окрашиваемым изделиям, имеющим положительный потенциал. Краска ложится ровным слоем, без наплывов и подтеков. Форма камеры (или так называемой коронирующей сетки) должна соответствовать конфигурации и размерам окрашиваемых изделий. Другое устройство для окраски деталей в электростатическом поле показано на рис. 5.9. Здесь отрицательный полюс высоковольтного источника постоянного тока соединен с распылителями краски 1, а корпус заземлен. Конвейер 2 с установленными на нем деталями тоже имеет заземление. Когда детали в процессе движения конвейера подходят к распылителям, на них наводится положительный заряд. Частицы краски, получив отрицательный заряд и большую скорость от распылителей, устремляются к деталям и оседают на них тонким, ровным слоем. Деталям в момент прохождения под распылителями сообщается медленное вращательное движение, как и при окраске по первой схеме. 162 Рис. 5.9. Схема окраски в электростатическом поле: 1 - распылители; 2 - конвейер с деталями Достоинствами этого способа по сравнению с окраской распылением являются повышение производительности в 3—12 раз, улучшение санитарно-технических условий работы, экономия лакокрасочных материалов, так как потери краски составляют всего 5—10%, а не 40—70%, как при обычном распылении пульверизаторами. К недостаткам этого метода следует отнести невозможность окрашивания внутренних поверхностей полых деталей и наличие высокого напряжения. Используются также распылители колокольного типа, где краска по трубопроводу под очень большим давлением или самотеком подается в колокол, вращающийся со скоростью 800— 900 об/мин. Под действием центробежной силы краска распыляется. Такая схема окраски имеет существенное преимущество перед электростатическими способами: не нужно громоздких коронирующих электродов; значительно меньше затраты энергии на распыление краски; возможно получение более или менее широкого фонтана краски за счет изменения угла колокола; степень полезного использования краски достигает 99%. Туманообразование незначительно, поэтому при небольшой вытяжке опасность взрывов практически исключена. Окраска погружением применяется для деталей, не требующих тщательной отделки и имеющих обтекаемую форму, при которой исключается образование подтеков. Для окраски погружением применяются преимущественно глифталевые и другие маслосодержащие эмали. Окраска быстросохнущими материалами, например нитроэмалями, погружением не производится, Изменяя состав и вязкость краски, можно получить покрытия 163 различной толщины. Лучшие результаты получаются при толщине покрытия 35—40 мк. Вязкость краски влияет не только на толщину слоя, но и на скорость ее отекания с окрашиваемой поверхности. Погружение и подъем изделия из краски должны производиться плавно и быстро. В массовом производстве изделий процессы грунтовки, подсушки, окраски и заключительной сушки автоматизируют. Большой производительностью обладает окрасочно-сушильный конвейер, работающий по способу погружения. Конвейер (рис. 5.10) имеет две бесконечные цепи, скрепленные через определенные интервалы со штангами; на штангах подвешивают детали, которые последовательно проходят через ванны с краской и сушильные шкафы. Скорость движения цепи конвейера рассчитывают так, чтобы при выходе из сушильных шкафов детали были полностью высушены и процесс окраски и сушки синхронизирован с предыдущими операциями. Рис. 5.10. Окрасочно-сушильный конвейер: 1 — цепь; 2 — подвеска с окрашенными изделиями; 3 — ванна с краской; 4 — мешалка; 5 — сушильные шкафы Накатка краски валиками применяется при декоративной отделке поверхностей, например, для воспроизведения структурного рисунка ценных пород дерева. Так отделывают деревянные футляры радиоприемников и телевизоров. Наружную 164 поверхность футляров из недорогих сортов дерева после обработки стеклянной шкуркой покрывают шпатлевкой, которую высушивают и шлифуют. Затем наносят первый слой фонового грунта, цвет которого подбирают в соответствии с тем, под какую породу дерева будет произведена имитация. Первую грунтовку после просушки шлифуют, а затем наносят повторный фоновый слой, который также тщательно шлифуют. На клише наносят слой лакокрасочного материала нужного цвета, который снимают валиком из желатина. Желатиновый валик прокладывают по предварительно подготовленной поверхности изделия, в результате чего на нее переносится рисунок. После сушки рисунка поверхность изделия несколько раз покрывают бесцветным нитролаком. Окончательная отделка поверхности состоит в полировании матерчатыми кругами с применением полировальной пасты. Сушка всех видов лакокрасочных покрытий производится на воздухе, в сушильных шкафах, обогреваемых горячей водой, паром, электрическим током, инфракрасными лучами и токами высокой частоты. Основное условие — защита высушиваемых изделий от пыли и точное соблюдение режимов сушки в соответствии с инструкциями, разработанными для разных сортов лаков и красок. Все виды сушильного оборудования должны быть снабжены устройствами для автоматического управления технологическими режимами. Сушка тонких лакокрасочных пленок инфракрасными лучами в три-четыре раза экономичнее других видов сушки и позволяет сократить время этой операции, обеспечивая высокое качество покрытий. Контроль качества лакокрасочных покрытий производят в процессе выполнения отдельных операций и по окончании всего цикла работ. Качество покрытия определяется по внешнему виду в соответствии с требованиями чертежа на деталь и ГОСТ 989461. 165 6. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ 6.1. Общие сведения Магнитные цепи (магнитопроводы) изготовляют из магнитно-мягких материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью, минимальной коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. Различают магнитопроводы: сборные, ленточные и магнитопроводы из порошковых материалов. Сборные магнитопроводы, пакеты которых набирают из штампованных пластин, применяют в трансформаторах, дросселях фильтров и других электромагнитных элементах. Пластины, как правило, штампуют из электротехнических сталей различных марок. На рис. 6.1 показаны основные виды пластин для сборных магнитопроводов. Штамповка пластин, особенно тонких, и последующая сборка магнитопровода связаны с большими технологическими трудностями и обходятся дорого. Ленточные магнитопроводы могут быть разрезные и неразрезные (рис. 6.2). Их изготовляют навивкой ленты на оправку (рис. 6.3, а) или гибкой. В последнем случае ленту разрезают на пластины различной длины, собирают в пакет и опрессовывают на оправке (рис. 6.3,6). Ленточные магнитопроводы характеризуются теми же параметрами, что и сборные, и имеют ту же область применения в радиоаппаратуре. Разрезные ленточные магнитопроводы вследствие неизбежного воздушного зазора и частичного замыкания между лентами в торцах, из-за наличия заусенцев имеют магнитные характеристики на 4—10% ниже, чем неразрезные. Однако они отличаются рядом конструктивных и технологических преимуществ перед неразрезными магнитопроводами и набранными из штампованных пластин. Основное преимущество перед неразрезными ленточными магнитопроводами — возможность механизации операций их производства, а главное — операций сборки трансформаторов. Неразрезные магнитопроводы не позволяют использовать заранее намотанные катушки. 166 Рис.6.1. Основные типы пластин магнитных цепей: а, б — Ш-образные и замыкающие; в, г — замкнутого типа с просечками на среднем керне; д, е — замкнутого типа с прямыми и косыми соединениями; ж — Побразная; з — Гобразная; и — кольцевая В то же время разрезные ленточные магнитопроводы более удобны при сборке, чем магнитопроводы из обычных штампованных пластин. Преимущества их особенно резко выявляются для магнитных материалов малой толщины (порядка 0,05 мм и меньше). 167 Рис. 6.2. Типы ленточных магнитопроводов: а — броневой типа ШЛ; б — стержневой типа ПЛ; в — тороидальный типа ОЛ Как уже говорилось, разрезные ленточные магнитопроводы имеют воздушный зазор, который не может быть полностью ликвидирован. Даже при самом тщательном шлифовании торца зазор может быть уменьшен только до 3 мк. Однако и такой зазор для некоторых типов трансформаторов, работающих на звуковых частотах, нежелателен. Менее строгие требования к величине зазора и качеству шлифования предъявляются к низкочастотным трансформаторам, работающим с постоянной составляющей тока подмагничивания. В таких трансформаторах заранее предусматривается введение воздушного зазора, так что качество шлифования имеет здесь меньшее значение. Магнитопроводы из порошковых материалов (рис. 6.4) применяются в высокочастотных катушках индуктивности и т. п. Имеются две группы порошковых материалов: металлические (магнитодиэлектрики) и неметаллические (ферриты). Эти материалы отличаются друг от друга как по своим свойствам, так и по технологии изготовления. Первые представляют собой спрес168 сованные с органическими и неорганическими диэлектриками порошки магнитных материалов. Зерна магнитного материала изолированы друг от друга диэлектриком. Рис. 6.3. Ленточные магнитопроводы Свойства магнитодиэлектриков зависят не только от характера магнитной и диэлектрической составляющей, но и от их количественного соотношения, а также от давления, при котором происходит прессование магнитопровода, и от таких трудно регулируемых фактов, как слипаемость зерен, их форма и распределение изоляционного материала. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к магнитопроводам из магнитодиэлектриков, количество диэлектрика изменяется в широких пределах — от 2—3% (по весу) до 20— 30% от общего количества маг-нитодиэлектрика. Выбор магнитного материала, диэлектрика и их количественного соотношения должен проводиться применительно к условиям работы данного магнитопровода (частота, напряженность поля, температура и пр.). Основные технические требования, предъявляемые к магнитопроводам, зависят оттока, питающего узел или прибор, и от выходных параметров последнего. К этим требованиям относятся: минимальные потери на гистерезис; высокая магнитная проницаемость; минимальные потери на вихревые токи. Кроме того, магнитопроводы, состоящие из отдельных пластин и лент, должны иметь максимальный коэффициент заполнения, который равен отношению истинного объема пластин, составляющих пакет, к общему объему пакета К3 = VИСТ / VОБЩ. Коэффициент заполнения в маг169 нитопроводах должен стремиться к единице, что обеспечивает хорошие качества применяемых изоляционных материалов. Рис. 6.4. Карбонильные сердечники: а — цилиндрический типа СПР; б — цилиндрический типа СПГ; в — цилиндрический типа СЦТ; г — цилиндрический типа СЦШ; д — броневой (чашка с резьбой); е — броневой (чашка гладкая) 170 6.2. Применяемые материалы и их технологические свойства Материалы, применяемые для изготовления магнитопроводов, делятся на следующие группы: железо, железокремнистые сплавы (кремнистая сталь), безникелевые, железоникелевые сплавы, магнитодиэлектрики и ферриты. Первые четыре группы магнитномягких материалов предназначены для работы главным образом на низких частотах, а две последние группы — на высоких частотах. Железо с некоторыми неизбежными примесями, но без легирующих элементов является одним из самых распространенных видов магнитного материала. Оно имеет следующие магнитные свойства: коэрцитивная сила 0,01 — 0,9 э,- индукция насыщения (при 20° С) 21 580 гс, максимальная магнитная проницаемость 500 гс/э. Технически чистое железо применяется почти исключительно в машинах и устройствах, работающих на постоянном токе. При работе на переменном токе, когда значительны потери энергии, используют легированные сорта железа или специальные сплавы, которые наряду с большим удельным сопротивлением имеют лучшие магнитные свойства. Железокремнистые сплавы — наиболее распространенные материалы, применяемые на всех диапазонах частот, начиная с 50 гц и кончая радиочастотами. В зависимости от назначения сплава содержание в нем кремния колеблется от нескольких десятых долей процента до 4,8%. Добавка кремния к железу в несколько раз увеличивает его сопротивление и значительно улучшает магнитные свойства, но заметно уменьшает индукцию насыщения. Кремний ухудшает также технологические свойства железа, делая его более хрупким. Железо в холодном виде можно прокатывать при содержании кремния не более 3,5%, а штамповать и резать — при содержании его не выше 4,5%. Содержание кремния в электротехнических сталях находится в следующих пределах: слаболегированные стали 0,8— 1,8%; среднелегированные 1,8—2,8%; повышеннолегированные 171 горячекатаные 2,8—3,8%, холоднокатаные 2,8—3,5%; высоколегированные 3,8—4,8%. Наиболее широкое применение в промышленности нашли тонколистовые кремнистые электротехнические стали различных марок (ГОСТ 802-58): Э11, Э12, Э13, Э21, Э31, Э44, Э310 (ХВП), Э32О, Э33О, Э340, Э370, Э41, Э42, Э43, Э44, Э45, Э46, Э47, Э48 и др. Железокремнистые сплавы имеют следующие магнитные характеристики: коэрцитивная сила 0,15—0,9 э; индукция насыщения (при 20° С) 19 500 гс, начальная магнитная проницаемость 400—1 000 гс/э, максимальная магнитная проницаемость 5 500—60 000 гс/э. Горячокатаные кремнистые стали служат для изготовления магнитопроводов дросселей, трансформаторов, электромашин и других изделий, работающих при высоких потоках индукции в переменных магнитных полях низкой частоты. Ограничение диапазона частот обусловлено возрастанием потерь энергии в стали с увеличением частоты, Холоднокатаные кремнистые стали занимают особое место среди электротехнических сталей. Они обладают повышенными магнитными свойствами в направлении проката — текстурой, т.е. определенной ориентировкой кристаллографических осей зерен вдоль направления проката. Магнитные свойства холоднокатаных повышеннолегированных сталей гораздо выше горячекатаных, и во многих случаях при равных параметрах рее магнитопровода можно снизить примерно в 1,5 раза (по сравнению с магнитопроводом из горячекатаной стали). В соответствии с ГОСТ 802-58 выпускаются промышленные марки холоднокатаной листовой электротехнической стали Э310, Э320, Э33О, Э340, Э370, Э380. Сталь Э310 (ХВП) поставляется также в виде ленты толщиной 0,08, 0,15 и 0,2 мм. Холоднокатаная электротехническая сталь, как и горячекатаная, используется для изготовления магнитопроводов трансформаторов, дросселей и других низкочастотных устройств. 172 Для наиболее рационального использования анизотропии холоднокатаной стали необходимо, чтобы текстура материала на всем протяжении магнитопровода совпадала с направлением магнитного потока. Это условие требует внесения некоторых изменений в обычную конструкцию магнитопроводов и в технологию их изготовления. Проще вопрос о конструкции и технологии изготовления сердечников для маломощных трансформаторов решается при использовании ленточной стали. Безникелевые сплавы содержат некоторые твердые растворы систем сплавов железа: железо — алюминий, железо — алюминий — кремний и железо — кобальт с добавлением других элементов. Максимальная магнитная проницаемость их 160 000 гс/э. Эта группа сплавов пока еще не получила широкого распространения. Железоникелевые сплавы (пермаллой) нашли широкое применение в промышленности. Магнитные свойства этих сплавов зависят от содержания никеля, которое колеблется от 35 до 80%. Индукция насыщения пермаллоя невелика: у высоконикелевых сталей до 8 000 гс; а у низконикелевых — до 15 000 гс. Максимальная проницаемость находится в области слабых полей и по величине во много раз превосходит проницаемость кремнистых сталей, поэтому железоникелевые стали применяются в основном в магпитопроводах, работающих в слабых магнитных полях. Как правило, железоникелевые сплавы содержат легирующие элементы: Mo, Cr, Mn, .Cu, Si; в ряде случаев используют нелегированные железоникелевые сплавы. Особенно распространены высоконикелевые легированные сплавы 79НМ, 80НХС и 79НМА, низконикелевые легированные сплавы 42НС и 38НС, пелегированные сплавы 45Н и 50Н, сплавы 50НП и 65НП, обладающие магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса. Следует отметить одну характерную особенность железоникелевых сплавов — сильно выраженную чувствительность к деформациям (сжатию, растяжению, изгибу), ухудшающим маг173 нитные свойства. Поэтому очень важно, чтобы отжиг изделий из пермаллоя производился после всех технологических операций, способных создавать подобные деформации материалов. Железоникелевые сплавы поставляются в виде холоднокатаных, термически не обработанных лент и полос толщиной от 0,02 до 2,50 Мм согласно сортаменту, предусмотренному ГОСТ 503—67. Магнитодиэлектрики изготовляют па основе различных магнитномягких материалов. Свойства магнитодиэлектриков зависят от свойств выбранного исходного материала или сплава. Основой для изготовления магнитодиэлектриков могут служить: порошкообразное железо, полученное электролитическим способом или же восстановлением из природных руд, легированный или не легированный пермаллой, сплавы железо — никель — кобальт, железо — кремний — алюминий (альсиферы) и др. Наиболее широкое промышленное применение получили магнитодиэлектрики на основе альсифера, молибденового пермаллоя и карбонильного железа. Альсифер, помимо высоких электромагнитных характеристик, выгодно отличается от других сплавов, в частности от пермаллоя, хорошей размольностью, невысокой стоимостью и недефицитностыо сырья. Магнитодиэлектрики на основе альсифера марок ТЧ-60, ТЧК-55, ВЧ-32 и ВЧК-22 выпускаются заводами в виде кольцевых деталей в соответствии с ведомственными нормалями. Магнитодиэлектрики на основе альсифера ФМ, РЧ-9 и РЧ-6 выпускаются по техническим условиям заводов преимущественно в виде деталей цилиндрической формы. Карбонильное железо с успехом применяется в широком диапазоне частот от звуковых до 200 Мгц. Порошкообразное карбонильное железо состоит из мельчайших (1—10 мк) зерен сферической формы, получаемых путем разложения пентакарбонила железа Fe(CO)5 на окись углерода и железо. Молибденовый пермаллой дает магнитодиэлектрики с наибольшим значением начальной проницаемости; их потери па 174 гистерезис меньше, чем потери альсифера и карбонильного железа. Детали из магнитодиэлектриков изготовляют с добавлением к порошкам изолирующей связки, создающей вокруг каждой частицы тонкий слой изоляции; связка придает детали требуемую механическую прочность и жесткость. В качестве изолирующей связки используют феноло-формальдегидные смолы, полистирол, жидкое стекло и др. Наилучшим из этих материалов является полистирол. Он вносит меньшие диэлектрические потери, чем термореактивные смолы; поэтому его используют при изготовлении магнитопроводов, работающих на высоких частотах. Другое достоинство полистирола — отсутствие старения с течением времени. Ферриты (оксиферы) как ферромагнитный материал были открыты еще в 1909 г., однако в то время они не нашли применения из-за низкой магнитной проницаемости. Лишь после второй мировой войны, когда были найдены новые составы ферритов с высокой проницаемостью, они получили общее признание. Большую работу но созданию и производственному освоению ферритов провели советские исследователи Н. Н. Шольц, К. А. Пискарев, Г. А. Смоленский, Л. И. Рабкин и др. Ферриты, как показано выше, имеют химическую формулу MOFe3O3 и представляют собой твердые растворы двухвалентных металлов. По своему составу ферриты могут быть одинарными, двойными и многокомпонентными. В отличие от магнитодиэлектрика ферриты являются однородным материалом, свойства которого определяются только их составом и режимом спекания. Ферриты имеют высокое объемное электрическое сопротивление (102 — 107 омсм), а следовательно, малые потери на вихревые токи, что позволяет использовать их на высоких частотах, и большую начальную магнитную проницаемость. Ферриты с высоким значением начальной магнитной проницаемости (µa = 6 000÷1 000 гс/э) обладают стабильной величиной проницаемости и малым тангенсом угла потерь в значительном диапазоне частот. 175 Наиболее распространенными низкокоэрцитивными оксидными магнитными материалами являются: а) марганцово-цинковые (Mn — Zn) оксидные материалы, представляющие собой твердые растворы феррита марганца (MnOFe2O3) и феррита цинка (ZnOFе2O3) в определенных соотношениях; б) никелево-цинковые (Ni — Zn) оксидные материалы, представляющие собой твердые растворы феррита никеля (NiOFe2O3) и феррита цинка (ZnO Fe2O3); в) материал марки Ф-20 — твердый раствор феррита лития (LiO Fe2O3) и феррита цинка. Радиочастотные оксидные магнитные материалы применяются в слабых переменных полях; при значительных полях применение их допустимо, если к магнитопроводам не предъявляются требования малых гистерезисных потерь. 6.3. Изготовление сборных магнитопроводов Технологический процесс изготовления сборных магнитопроводов состоит из следующих операций: резка полос, штамповка пластин, снятие заусенцев, отжиг, изоляция пластин, сборка. Резка полос из листа производится на гильотинных ножницах. Ширина нарезаемых полос должна быть на 2—3 мм больше размера готовой пластины. При резке полос необходимо располагать их так, чтобы максимальный поток в магнитопроводе проходил вдоль волокон материала (по направлению прокатки), так как магнитная проницаемость в продольном направлении больше, чем в поперечном (явление магнитной анизотропии). Штамповка пластин осуществляется на эксцентриковых прессах в штампах последовательного или совмещенного действия. Кольцевые пластины, к которым предъявляются пониженные требования в отношении концентричности, изготовляют только в штампах совмещенного действия. Для наиболее эффективного использования магнитных свойств материала расположение вырубок пластин в полосе или ленте следует ориентиро176 вать так, чтобы направление наибольшего пути магнитного потока в пластине совпадало с направлением максимальной магнитной анизотропии. На рис. 6.5, а и б показаны варианты размещения вырубок III и П-образных пластин на полосах, нарезка которых из листа произведена в перпендикулярном направлении по отношению к магнитой анизотропии. Рациональный способ изготовления Ш-образных и замыкающих пластин из ленты показан на рис. 6.5, в. В данном случае пластины вырубают в штампе последовательного действия: сначала пробивают восемь отверстий, затем вырубают две замыкающие пластины и, наконец, производят отрезку Ш-образных пластин. Пластины замкнутого типа и Г-образные штампуют из полос или из ленты с неизбежными отходами на мостики и вырубку окон. Штамповка кольцевых пластин во всех случаях связана со значительными отходами. Рис. 6.5. Расположение вырубок пластин магнитных цепей при безотходной штамповке из полос и ленты: 1 — Ш-образная пластина; 2 — замыкающая пластина; 3 — П-образная пластина. 177 При штамповке деформированная зона с резко сниженными магнитными свойствами распространяется по периметру пластины на расстоянии от 0,5 до 4 мм от кромки в зависимости от величины зазора между матрицей и пуансоном в штампе, а также от толщины пластины и марки стали. Чем толще и ровнее листы, полосы и ленты и доброкачественнее изготовлен инструмент, тем менее широка деформированная зона. При выполнении процессов штамповки, особенно в условиях крупносерийного и массового производств, исключительное значение приобретает автоматизация, которая желательна не только в целях повышения производительности труда, но и для создания безопасных условий работы. Мероприятия по автоматизации процессов штамповки пластин для магнитопроводов можно разделить на два этапа: частичная автоматизация подачи материала, вырубки, удаления и собирания пластин и полная автоматизация всех элементов процесса. В последнем случае имеется в виду создание специальных быстроходных штамповочных автоматов, оборудованных механизмами и устройствами для автоматической подачи материала для удаления, собирания и подсчета отштампованных деталей. Снятие заусенцев осуществляется после вырубки пластин по контуру. Величина заусенцев зависит от величины зазора между пуансоном и матрицей (для электрохимической стали величина зазора принимается равной 3—4% толщины листа). С увеличением зазора, а также по мере затупления режущих кромок пуансона и матрицы возникают заусенцы. Они снижают коэффициент заполнения магнитопровода, а также увеличивают потери на вихревые токи в результате замыкания торцов пластин. 178 Рис. 6.6. Схема станка для удаления заусенцев с пластин магнитопроводов: 1 — резиновый круг; 2 — лоток; 3 — пластины; 4 — основание; 5 — абразивный круг; 6 — обработанные пластины Заусенцы снимают различными способами. Наиболее распространено снятие заусенцев абразивным Кругом на специальном станке (рис. 6.6). Пластины пропускают между двумя кругами. Круг 1 из плотной резины вращается с окружной скоростью 5—12 м/мин. Круг 5 из абразивного материала вращается с постоянной окружной скоростью, равной 30 м/сек, удаляя заусенцы и псе выступающие неровности, в то время как круг 1 передвигает обрабатываемые пластины сверху вниз. Применяется также способ снятия заусенцев путем вальцовки между гладкими стальными валками. В массовом производстве для снятия заусенцев и укладки и пластин в пакеты используют специальные полуавтоматы. Отжиг пластин имеет целью увеличить магнитную проницаемость, уменьшить гистерезисные потери и коэрцитивную силу, т. е. восстановить те параметры, которые ухудшились в результате нагартовки при штамповке пластин. Степень восстановления магнитных характеристик зависит от способа отжига. При штамповке пластин, а также при их транспортировке появляются изгибы и коробления некоторых пластин, что 179 уменьшает коэффициент заполнения и увеличивает потери на гистерезис. Чтобы устранить влияние указанных факторов, производят отжиг пластин в приспособлениях или в пачках, скрепленных проволокой. Пластины, собранные в пачки, загружают в герметически закрывающуюся металлическую коробку и покрывают слоем асбеста, чтобы уменьшить объем воздуха в коробке, а затем засыпают стружкой серого чугуна. Присутствие воздуха в коробке при отжиге приводит к окислению поверхности пластин. Коробку загружают в печь при температуре 350—400° С, а затем температуру печи повышают до 850° С. При этой температуре коробку выдерживают в течение 3 ч, после чего коробка охлаждается вместе с печью до 200° С, а затем на воздухе до 20° С. Пластины из материалов с высокой магнитной проницаемостью отжигают в печах с восстановительной средой, в результате чего удаляются вредные окислы, увеличивающие потери от вихревых токов и снижающие магнитную проницаемость. Рис. 6.7. Зависимость свойств пермаллоя от температуры отжига Наиболее ответственной операцией является термообработка пермаллоя. Она должна вестись в бескислородной среде. Для пермаллоя применяют два вида отжига: высокий и низкий. К первому прибегают, когда требуются высокие магнитные характеристики: магнитная проницаемость µ = 80 000 ÷ 150 180 000 гс/э, коэрцитивная сила Нс =0,02э, ко второму — когда требуются более низкие магнитные характеристики: µ = 40 000 ÷ 50 000 гс/э, Нс = 0,05 э (сердечники магнитных усилителей). Зависимость свойств пермаллоя от температуры отжига показана на рис. 8-7. Как видно из графиков, режимы отжига целесообразно выбирать следующие: режим высокого отжига — нагрев до 1 100° С, выдержка 3 ч, охлаждение со скоростью 50° С в час; режим низкого отжига — нагрев до 900° С, выдержка 3 ч, охлаждение вместе с печью. Если завод получает пермаллой, отожженный при высокой температуре, то детали после штамповки следует отжигать только для снятия наклепа при температуре 750—850° С. После высокого отжига пермаллой очень вязок и пластичен, вследствие чего при штамповке деталей металл тянется, дает заусенцы и т, п., поэтому необходим правильный подбор величины зазора между пуансоном и матрицей. Изоляция пластин осуществляется лаками или клеями БФ2 или БФ-4 в тех случаях, когда необходимо склеить пластины в монолитный пакет, чтобы уменьшить распушение пакета и гудение при работе на переменном токе. Во многих случаях пластины изолируют фосфатной пленкой, которая по своим механическим и электрическим свойствам превосходит лаковую изоляцию и значительно дешевле последней. Надежная изоляция пластин может быть также осуществлена при отжиге доступом кислорода (так называемый полуоткрытый отжиг). Сборка пластин в пакет осуществляется различными способами. Набивка пластин магнитной цепи в каркасы катушек с обмотками в мелкосерийном производстве выполняется вручную. Существуют два вида сборки: вперекрышку и встык. Сборка вперекрышку обеспечивает лучшее заполнение окна катушек и может выполняться из Г-, П-, Ш-образных пластин и пластин замкнутого типа. В качестве примера на рис. 6.8, а показана 181 сборка Ш-образных пластин вперекрышку. Пластины укладывают вырезами в разные стороны. Сборка вперекрышку очень трудоемка, так как пластины укладывают по одной. При невысоких требованиях к току холостого хода применяется сборка вперекрышку не отдельных пластин, а пачек из 5—7 пластин. Сборка встык может выполняться без зазора (рис. 6.8, б), а при наличии зазора (рис. 6.8, в) величину последнего можно регулировать, прокладывая один или несколько слоев телефонной или кабельной бумаги. Рис. 6.8. Схема сборки пластин магнитопроводов Для лучшего заполнения окна катушки собранный пакет допускается один раз обжать в приспособлении под гидравлическим или винтовым прессом с удельным давлением, не превышающим 40 КГ /см2, После обжатия в окно можно вставить еще четыре — шесть пластин; две-три последние забивают деревянным молотком, что обеспечивает плотное укрепление катушки на пакете. Собранные пакеты стягивают болтами, шпильками или зажимают в обойму. Стяжные болты (шпильки) изолируют от па182 кета гетинаксовыми трубками или кабельной бумагой, которую часто пропитывают электроизоляционным лаком и «запекают». В массовом производстве для сборки пакетов магнитопроводов применяют автоматы. На рис. 6.9 приведены схемы, поясняющие один из способов механизированной укладки Шобразных и замыкающих пластин. Изготовленная катушка закрепляется в подставке. Механизмом подачи из магазина 5 подается замыкающая пластина. Толкатель 4 продвигает его до упора. С некоторым запаздыванием по времени механизм подачи подает Ш-образную пластину, толкатель 1 проталкивает ее в катушку. Таким же образом укладываются замыкающая и Шобразная пластины с другой стороны катушки. После каждого цикла укладки двух пластин (одна Ш-образная, а другая замыкающая) подставка опускается вниз на толщину пластины. Уплотнение собранного пакета производится прижимом 7. Рис. 6.9. Схема устройства для механизированной сборки Ш-образных и замыкающих пластин: 1,9 — толкатели Ш-образных пластин; 2, 5 — магазины замыкающих пластин; 3, 4 — толкатели замыкающих пластин; 6 — катушка; 7 — прижим; 8 — скоба для закрепления выводов; 10, 11 — магазины Ш-образных пластин. 183 6.4. Изготовление ленточных магнитопроводов а) Получение заготовки Так как большинство предприятий изготавливает магнитопроводы небольшими партиями и только для собственных нужд, то заранее предусмотреть потребность в ленте определенной ширины очень трудно. Для изготовления магнитопроводов обычно употребляют ленту следующих размеров (в мм): Толщина Ширина 0,02—0,05 ........................... 4; 5; 10; 15; 20 0,05—0,08 ........................... 4; 5; 6,5; 10; 15; 20; 25; 32 0,10—0,20 ........................... 4; 5; 10; 15; 20; 25 Ленту требуемой ширины нарезают на механических ножницах, чаще всего многодисковых. На торцах ленты с обеих сторон по линии разреза образуются заусенцы, их снимают абразивными кругами, валиками или металлическими ношами (рис. 8.10). Рис. 6.10. Снятие заусенцев с ленты: а — абразивным кругом; б — валиком; в — ножом; 1 — лента; 2 — абразивный круг, свободно сидящий на валу; 3 — абразивный круг, плотно сидящий на валу; 4 — абразивный валик; 5 — нож Наилучшим способом снятия заусенцев является электролитическое полирование ленты, которое не деформирует и не ухудшает ее магнитных свойств; при некоторых условиях магнитные характеристики лент даже улучшаются. Электрополирование торцов ленты производится на переменном токе промышленной частоты 50 гц. Одним электродом служит лента, вторым 184 — пластины из сурьмянистого свинца. Электрополиронание осуществляется на автоматической конвейерной установке. При этом не требуется предварительного обезжиривания ленты, так как электролит одновременно является обезжиривающим и полирующим средством. Ленту, сматываемую с бобины, протягивают сначала через ванну электрополирования, погружая одним торцом в электролит на глубину 1 —1,5 мм, затем пропускают через промывочную камеру и сушилку (обдувка подогретым до 60° С сжатым воздухом) и наматывают на другую бобину. После обработки одного торца ленты приемную бобину поворачивают на 180° С и обрабатывают второй торец. Полированные торцы ленты совершенно не имеют заусенцев; шероховатость поверхности — до II-го класса. Электрополированием снимаются также наклеп и поверхностный мелкозернистый слой толщиной в несколько долей микрона магнитномягкого материала, что увеличивает магнитную проницаемость, так как на поверхности ленты обнажается одноразмерная по всей толщине крупнозернистая структура, обладающая высокой магнитной проницаемостью. б) Типовой технологический процесс изготовления ленточных магнитопроводов методом навивки Обезжиривание ленты производится с помощью ультразвука в ванне с магнитострикционными преобразователями, установленными по обе стороны движущейся ленты. Частота ультразвуковых колебаний 18,5—23 кгц (генератор У3Г-10 мощностью 10 квт). Акустическая плотность вибрации 4—5 вт/см2. В качестве передаточной среды служит вода при температуре 65—70° С (смена воды в ванне — 3—5 объемов в час). Расстояние между вибратором и лентой не более 1 мм. Скорость протягивания ленты до 10 м/мин. Обезжиренная лента сушится в трубчатой разъемной электропечи при температуре 350—500° С и хранится завернутая в бумагу. 185 При отсутствии ультразвуковой установки допускается обезжиривание ленты в органических растворителях (бензине, ацетоне, уайт-спирите). Для изоляции ленты применяют раствор молотого талька, двухромовокислого аммония, азотнокислого алюминия в дистиллированной воде. Он наносится на обезжиренную ленту и сушится в печи при температуре 800° С. Иногда используют изоляционное покрытие из жидкого стекла (807,5 г/л), каолина (150 г/л) и воды (42,5 г/л). Жидкое стекло обладает хорошими изоляционными и склеивающими свойствами, позволяющими исключить вакуумную пропитку магнитопроводов. Чаще всего изоляцию ленты осуществляют одновременно с навивкой. Широко применяется электрофорезный способ изоляции. Ленту пропускают через суспензию изолирующего вещества (например, каолина в воде). При создании разности потенциалов взвешенные частицы изолирующего вещества движутся к электроду, которым в данном случае является лента, и осаждаются на ее поверхности. Этот способ позволяет получить весьма малую толщину изоляционного покрытия, равную 5—10 мк, что увеличивает коэффициент заполнения магнитопровода. Толщина и плотность изоляционного слоя зависят от выбранного режима навивки, от концентрации суспензии и разности потенциалов. Навивку магнитопроводов производят на полуавтоматической установке (или на токарном станке). Бухта с обезжиренной лентой (рис. 6.11) устанавливается в специальное натяжное приспособление. Навивка магнитопроводов производится на прямоугольную оправку, которая прокладывается конденсаторной бумагой К-120, заправленной вместе с лентой в прорезь оправки. Первые 2—3 витка мотаются вручную. Если при намотке магнитопровода лента оборвется или длина ее в бухте окажется недостаточной, то разрешается подложить свободный (оборванный) конец ленты под последний намотанный виток магнитопровода, сделать 1—2 оборота вручную, затем восстановить режим и продолжить навивку. 186 Рис. 6.11. Схема установки для навивки магнитопроводов: 1 — оправку; 2 — счетчик числа оборотов; 3 — рулон конденсаторной бумаги; 4 — натяжные ролики; 5 — фланелевые круги для окончательной очистки поверхности лепты; 6 — сушильное устройство; 7 — душевые головки для промывки холодной водой; 8 — промывочный бак; 9 — волосяные щетки; 10 — ванна с органическим растворителем; 11 — рулон с лентой; 12 — сливная труба; 13 — трубы для подачи горячей воды Чтобы предотвратить самопроизвольное разматывание навитого магнитопровода из ленты толщиной до 0,15 мм, конец последнего витка закрепляют точечной электросваркой (рис. 6.12) при напряжении 12—24 в. Изоляция при сварке пробивается лишь на последнем витке. Отжиг магнитопроводов производят в вакуумной печи при вакууме не ниже 1 . 10-3 мм рт. ст. После этого магнитопроводы нагревают до температуры 800 ÷ 20° С и выдерживают и течение 3—4 ч; охлаждение ведут до 100° С со скоростью 100 град/ч. При 100° С контейнер вскрывают. Отожженные магнитопроводы, избегая толчков и ударов, освобождают от скоб и оправок на винтовом настольном или гидравлическом прессе. Пропитка магнитопроводов. Витые магнитопроводы из электротехнических сталей пропитывают лаками, клеями или компаундами. Наиболее распространены компаунд КГМС-2, лак 187 МЛ-92, клей БФ-4, состав КП-18, лак № 976-1 Компаунд КГМС2 при температуре 80—100° С превращается в монолитный полимер, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами, высокими влаго- и водостойкостью, механической прочностью и эластичностью. Перед пропиткой компаундом в окно магнитопровода вставляют оправку, предварительно смазанную техническим вазелином. Торцы магнитопроводов протирают тампоном, смоченным авиационным бензином, и сушат 30—40 мин на воздухе, а затем 20—30 мин в термостате при температуре 80— 90° С. Рис. 6.12. Сварочная головка для закрепления последнего витка Высушенные магнитопроводы устанавливают в ванну так, чтобы они не касались друг друга, и заливают компаундом, который должен закрывать их полностью. Ванну помещают в автоклав, включают вакуумный насос и при остаточном давлении 10—20 мм рт. ст. выдерживают магнитопроводы 20 мин. Процесс повторяют еще раз, выдерживая магиитопроводы в вакууме в течение 40 мин. После этого открывают крышку автоклава, магнитопроводы выгружают и дают стечь с них излишкам компаунда. Пропитанные магнитопроводы сушат при 120° С в течение 12 ч и, освободив от скоб и оправок, снимают ножом излишки компаунда. Лак МЛ-92 (ТУ МГУХП-13-57) обладает высокой маслостойкостью и электрической прочностью; в процессе теплового 188 старения он долгое время сохраняет эластичность. Магнитопроводы перед пропиткой этим лаком надевают на оправку, обезжиривают и высушивают в термостате при температуре 110 ±5°С в течение 0,5—1 ч. Горячий магнитопровод погружают в ванну с лаком при температуре 50 ± 10° С и устанавливают в автоклав, выдерживая при остаточном давлении 10—20 мм рт. ст. около 30 мин. Затем после выдержки при нормальном давлении в точение 2—4 мин создается избыточное давление 3—4 am с выдержкой 2—4 мин, после чего давление снимают и магнитопроводы извлекают из автоклава. Сушка производится в течение 8—10 ч при температуре 195 ± 5° С. Пропитка магнитопроводов клеем БФ-4 (ГОСТ 12172-66) вязкостью 10—12 сек (по вискозиметру ВЗ-4) производится при остаточном давлении 20 мм рт. ст. Сушат магнитопроводы 2 ч на воздухе, а затем 8 ч в сушильном шкафу при температуре 110° С с последующей зачисткой наплывов клея. Клей БФ-4 очень эластичен, но плохо противостоит температурам, Состав КП-18 эластичен, имеет хорошие клеящие свойства, технологичен, но недостаточно влаго- и водостоек. Перед пропиткой магнитопроводы протирают тампоном, смоченным в бензине, и сушат 20—30 мин на воздухе. Ванну с составом КП-18 и погруженными в него магнитопроводами помещают в вакуумную пропиточную установку и выдерживают при остаточном давлении 10—20 мм рт. ст. в течение 30 мин. Затем после десятиминутной выдержки на воздухе ваккуумирование повторяют еще раз. Пропитанные магнитопроводы сушат 4 ч при температуре 150—160° С, в заключение поочередно промазывают составом КП-18 и сушат при той же температуре торцы магнитопроводов. Лак № 976-1 обладает хорошими клеящими свойствами, высокими механической прочностью, влаго- и водостойкостью. Перед пропиткой этим лаком надетые на оправки магнитопроводы зажимают в скобы, протирают торцы тампоном, смоченным авиационным бензином, и сушат. После нагрева в термостате при 110 ± 5° С в течение 1 ч их погружают в ванну с лаком № 189 976-1 (вязкостью 20—22 сек по вискозиметру ВЗ-4) и при остаточном давлении 20ммрт. ст. выдерживают в автоклаве 15 мин. Пропитанные магнитопроводы помещают в термостат при комнатной температуре, которую за 30—40 мин доводят до 110 ± 5° С и выдерживают 1 ч. Слой лака на торцах должен быть сплошным, без наплывов. Торцы магнитопровода покрывают тем же лаком погружением или кистью и сушат. Разрезка магнитопроводов, снятие заусенцев и притирка торцов. Магнитопроводы закрепляют в специальном приспособлении (рис. 6.13), зажимают клином и разрезают на горизонтально-фрезерном станке дисковой фрезой толщиной 2 мм, диаметром 110—150 мм за один проход при скорости вращения 135 об/мин и подаче 0,35 мм/об с обильным охлаждением эмульсией. После разрезки зачищаются заусенцы по периметру торцов магнитопровода; при этом допускается фаска глубиной не более толщины одного витка (~ 0,1 х 45°). Если при фрезеровании отслаиваются витки, то их подклеивают бакелитовым лаком с последующей сушкой в сжатом состоянии при температуре 150° С. При стягивании магнитопровода струбцинами внутреннюю поверхность их смазывают меловым раствором, чтобы избежать склеивания. При фрезеровании поверхность разреза получается неровной, появляются короткозамкнутые витки и наклеп концов разрезанных лент. В несколько меньшей степени эти явления проявляются при разрезке магнитопроводов абразивным кругом; при этом отпадает необходимость в последующем шлифовании торцов. Наименьшее замыкание торцов, а следовательно, и изменение электрических и магнитных свойств магнитопроводов происходит при электроискровой разрезке. Но чистота поверхности при этом получается меньше, чем при разрезке абразивным кругом. Притирка стыковых торцов производится семимикронной притирочной пастой (электрокорунд ЭМ7—40%, олеиновая кислота — 40%, стеарин — 20%) на притирочной плите. Притиркой удаляют мелкие заусенцы, образующиеся на торцах при снятии 190 фаски напильником, а также межвитковые заусенцы, остающиеся после фрезерования. Рис. 6.13. Приспособление для разрезки и отжига магнитопровода: 1 — корпус; 2 — магнитопроводы; 3 — клин. Консервацию стыковых торцов производят погружением их на 1—2 мм в ванну с расплавленным бескислотным парафином. в) Типовой технологический процесс изготовления ленточных магнитопроводов методом гибки Ленточные магнитопроводы изготовляют методом гибки при толщине ленты 0,05—0,35 мм. Покрытие ленты суспензией. Обезжиривание ленты производится так же, как и при изготовлении ленточных магнитопроподов, методом навивки. Обезжиренная лента покрывается с одной стороны специальной суспензией, оплавляемой при температуре 550—650° С, или специальной эмалью. Скорость прохождения ленты через установку для нанесения покрытия зависит от заданной толщины изоляции и степени оплавления суспензии. Наплывы суспензии не допускаются. При толщине ленты 0,05—0,08 мм слой покрытия должен быть не менее 10 мк, при толщине 0,08—0,10 мм — от 10 до 15 мк. 191 Нормально оплавленная суспензия имеет серый цвет. Лента после оплавления должна иметь равномерное покрытие по всей ширине, суспензия не должна отставать от металла при изгибе ленты толщиной 0,08 мм под углом 90° (радиус равен 1 мм). В зависимости от толщины покрытия суспензию разбавляют дистиллированной или кипяченой отмученной водой. Операции обезжиривания ленты и нанесения покрытия можно объединить. Рис. 6.14. Резка лент магнитопровода Рис. 6.15. К расчету длины пластин маигатопровода Разрезка ленты на пластины производится, как показано на рис. 8.14. Ленту разрезают на пластины определенной длины и собирают в пакет. Развернутая длина пластин (рис. 8-15) рассчитывается по формулам L1 = 2h + С + ∆; Ln = 2h + С + d+∆; n =d/t kст , где L1 — длина первой пластины, мм; Ln — длина последней пластины, мм; ∆ — припуск на обработку, мм; п — число пластин; t — толщина ленты, мм 192 kст — коэффициент заполнения магниитопровода. Гибка и спекание пакетов магнитопроподов. Приспособление для гибки монтируют на специальной установке с камерой спекания, где температуру доводят до 800° С. Затем пакет нарезанных лент устанавливают в приспособление (рис. 6.16); последняя пластина пакета должна быть обращена наружу стороной, не покрытой суспензией. После этого с помощью пуансона, изгибающего пакет по оправке и проталкивающего по через калибрующие ролики, производится гибка. Изогнутые магнитопроводы спекают в камере. Чтобы избежать приклеивания гибочной оправки к магнитопроводу, ее через 10—15 циклов работы смазывают графитом. Шлифование стыковых торцов магнитопроводов и снятие заусенцев. Стыковые торцы магнитопроводов шлифуют на плоскошлифовальном станке в приспособлении (рис. 6.17). Шлифование производится перпендикулярно линии спекания пластин абразивным кругом средней мягкости (СМ2) зернистостью 46—60 с вулканитовой связкой. Охлаждение — обычной эмульсией. «Распущение» торцов не допускается. Абразивный круг правят алмазом, в противном случае может произойти «заволакивание» заусенцев на торцах сердечника, т. е. замыкание пластин. После шлифования снимают заусенцы. Фаска допускается не более 0,1 х 45°. Рис. 6.16. Приспособление для гибки ленточных магнитопроводов Возможна подклейка отставших пластин жидким бакелитовым лаком с последующей сушкой в сжатом состоянии в му193 фельной печи при температуре 150° С. При стягивании магнитопроводов струбцинами их внутреннюю поверхность смазывают меловым раствором во избежание приклеивания к изделию. Торцы подклеенных магнитопроводов притирают «бархатной» наждачном бумагой. Рис. 6.17. Приспособление для шлифования стыковых торцов магнитопроводов Окраска магнитопроводов. Перед окраской магнитопроводы промывают бензином и сушат 1 ч на воздухе при температуре 18—23° С. После промывки их устанавливают на вращающийся стол и покрывают глифталевым грунтом 138 иа пульверизатора, сушат 2—3 ч при температуре 100—110° С и окрашивают глифталевой эмалью 2062 (ВТУ МХП 1400-45) с последующей сушкой при температуре 80 ± 5° С. Консервация стыковых торцов магнитопроводов осуществляется, как описано выше. 6.5. Изготовление магнитопроводов из магнитодиэлектриков Для приготовления порошка магнитодиэлектрика на основе феноло-формальдегидной смолы требуемое количество смолы растворяют в этиловом спирте в соотношении 1 : 4 (по весу). Чтобы удалить посторонние примеси, раствор пропускают через сито с 900 отв1смг. В раствор вводят порошок карбонильного железа и длительное время перемешивают в механической мешалке с подогревом до 40—50° С, чтобы ускорить процесс испарения спирта и частично воды, процентное содержание кото194 рой в приготовленной смеси должно составлять 0,9—1,2%. Полученный порошок просеивают через сито с 400 отв/см2. Рис. 6.18. Пресс-форма для изготовления чашечных сердечников: 1 — пуансон; 2 — штырь; 3 — внутренняя втулка; 4 — пружина; 5 — плата; 6 — наружная втулка; 7 — корпус прессформы; 8 — вкладыш. В случае применения полистирола смесь карбонильного железа и диэлектрика должна просеиваться без остатка через сито с 10 000 отв/см2. Порошок полистирола добавляется к карбонильному железу в количестве 10—13% (по весу) с последующим перемешиванием в течение 10—12 ч в шаровой мельнице (без шаров, чтобы предотвратить образование наклепа на частицах карбонильного порошка). Полученный порошок загружают в шнек-машину, где при температуре 170—180° С образуется масса, которая продавливается сквозь решетку машины с отверстиями диаметром 1 мм. Охлажденную массу (в виде цилиндриков) дробят, получая порошок с круглыми зернами, готовый для изготовления магнитопроводов. Детали из магнитодиэлектриков изготовляют тремя способами: холодным и горячим прессованием или литьем под давлением. Холодное прессование применяют, если в качестве диэлектрика (связки) служат феноло-формальдегидные смолы (бакелитовая смола) и жидкое стекло. Оно производится на гидравлических прессах в пресс-формах. На рис. 6.18 показана конструктивная схема пресс-формы для изготовления чашечных сердеч195 ников. Технологический процесс изготовления сердечников состоит из собственно прессования, полимеризации связки и старения сердечников, шлифования соприкасающихся торцевых поверхностей сопрягаемых половин сердечников, контроля. Прессование производится при температуре 15—20°С с выдержкой под давлением в течение 1—2 сек. Оптимальное давление при холодном прессовании порошка с бакелитовой связкой равно 8—10 т!см2. Отпрессованные половинки сердечников выдерживают около суток в сушильном шкафу с принудительной циркуляцией воздуха при температуре 30—40° С. За это время происходит снятие внутренних напряжений, появившихся в зернах железа в результате прессования, а также испарение влаги. Затем температуру повышают до 130—140° С и выдерживают 4 ч; при этом связка полимеризуется. Изделия охлаждаются в шкафу до 30° С. Для повышения влагостойкости и защиты железа от окисления сердечники пропитывают в течение 2 ч в электротехническом церезине, нагретом до 125—130° С. После шлифования проверяют размеры готовых спаренных сердечников, механическую прочность, измеряют электрические параметры сердечников (это осуществляется сравнительным методом по образцам путем определения относительной магнитной проницаемости и относительного изменения добротности). Рис. 6.19. Тигель и пресс-форма для литья под давлением 196 Горячее прессование применяется в тех случаях, когда связкой служит полистирол или другой термопластичный материал. Прессование производят в пресс-форме, нагретой до 170— 200° С. При повышенной температуре полистирол размягчается, поэтому для прессования требуется удельное давление 4,5—5 т/см2. Для получения плотной структуры детали выдерживают под давлением в течение 3—10 мин в зависимости от их размера. По окончании прессования пресс-форму в течение 10—15 мин охлаждают струен сжатого воздуха до температуры 80—85° С, при которой допускается разгрузка пресс-формы. Термопластичные материалы не нуждаются в длительной полимеризации и старении. Литье под давлением применяют при изготовлении подстроечников с резьбой, при опрессовке обмоток магнитодиэлектриками, запрессовке магнитодиэлектриков в элементы плоских монтажных (печатных) схем и т. д. Связкой в этом случае, как и при горячем прессовании, служит полистирол или другой термопластичный материал. Схема установки для литья под давлением показана на рис. 6.19. Изготовленные из магнитодиэлектриков магнитопроводы не должны подвергаться механической обработке давлением или снятием стружки (кроме шлифования торцов), так как механические воздействия вызывают остаточные деформации зерен железа, а следовательно, ухудшение магнитных свойств. Магнитодиэлектрики гигроскопичны, поэтому необходимо защищать их от климатических воздействий обволакиванием или заливкой компаундами, а также путем герметизации узлов. 197 7. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБМОТОК 7.1. Виды обмоток и технические требования к ним В радиоаппаратуре применяются разнообразные намоточные изделия, отличающиеся друг от друга по конструкции обмотки, по форме, размерам, назначению и условиям эксплуатации. Сюда относятся катушки контуров, катушки связи, дроссели высокой и низкой частоты, трансформаторы высокой и низкой частоты, проволочные постоянные резисторы, потенциометры и др. Обмотки делятся на однослойные и многослойные, наматываемые на прямые и кольцевые каркасы; однослойные обмотки из жесткого провода выполняют без каркаса. По характеру укладки витков на каркас различают следующие виды обмоток: а) с укладкой «внавал»; б) с рядовой укладкой — виток к витку или плотная обмотка; в) рядовая шаговая; г) универсальная (или «универсаль»); д) шинная; е) пазовая. а) Однослойные обмотки Простая рядовая обмотка укладывается на плоские, цилиндрические и профильные каркасы с расчетным шагом tр, равным диаметру провода с изоляцией dиз, dиз + А или d + А, где А — размер промежутка между соседними витками, a d — диаметр провода без изоляции. Эти обмотки характеризуются малой собственной емкостью, небольшой индуктивностью, простотой изготовления, малым разбросом электрических параметров от заданного номинального значения при массовом изготовлении. Простую рядовую обмотку широко применяют для изготовления контурных катушек и проволочных резисторов, а также проволочных потенциометров. В последнем случае провод укладывается на каркас виток к витку (рис. 7.1); уплотнение обмотки происходит в результате поджима витков при укладке каждым очередным витком. Это осуществляется наклоном провода при намотке на угол = 58° к нормали (по отношению к каркасу). 198 Рис.7.1. Однослойная рядовая обмотка Рис. 7.2.Схема однослойной кольцевой обмотки В радиоприборостроении, особенно при изготовлении потенциометров, часто применяют однослойные обмотки с заданным постоянным шагом dиз + А или d + A. Кольцевая обмотка укладывается на каркас кольцевой формы. Витки ее располагаются в радиальном направлении, поэтому расстояния между соседними витками по наружной поверхности кольца больше, чем по внутренней (рис. 7.2). Шаг намотки tр измеряют по внутренней поверхности кольца; он может быть равен dиз, dиз + А или d + А (как и у простой рядовой обмотки). Однослойные кольцевые обмотки применяют в основном в реостатах, потенциометрах и некоторых типах трансформаторов. На рис. 7.3 показана схема получения беззазорной кольцевой намотки. Уплотнение витков производится толкателями, которые совершают возвратно-поступательные движения (поочередно) при наложении витка и таким образом плотно подгоняют виток квитку сверху и снизу каркаса. Бифилярная обмотка (рис. 7.4) наматывается одновременно двумя изолированными проводами с электрически соединенными концами. Эти обмотки укладывают с шагом 2 dиз или 2 dиз + А. Они характеризуются безындуктивностью благодаря взаимной компенсации равных по величине, но противоположных по 199 направлению электромагнитных полей, возникающих на витках обоих проводов. Рис. 7.3. Схема получения беззазорной кольцевой однослойной обмотки (наматывание потенциометра) Рис. 7.4. Схема однослойной бифилярной обмотки б) Многослойные обмотки Простая рядовая обмотка в многослойных катушках укладывается последовательно ряд на ряд в обе стороны — слева направо и справа налево (рис. 7.5, а). Обмотки этого вида позволяют получать значительные индуктивности при сравнительно небольших габаритах катушек, но имеют большие собственные емкости и в связи с этим малую добротность, повышенный разброс электрических параметров при серийном или массовом производстве, а также повышенную разность потенциалов между крайними витками соседних рядов. Последняя пропорциональна числу витков в ряду и может резко возрасти из-за случайного провала витка одного из верхних слоев в нижние слои, 200 что грозит пробоем при напряженном режиме работы катушки. Для предотвращения этого слоя обмотки изолируют друг от друга прокладками из конденсаторной или кабельной бумаги (рис. 7.5, б), что, естественно, ведет к увеличению размеров катушки. При наматывании на трубчатые каркасы сползание крайних витков предупреждают, уменьшая число витков в каждом следующем слое на один виток (рис. 7.5, в). Простые многослойные рядовые обмотки применяют главным образом в трансформаторах и дросселях низкой частоты. Рис. 7.5. Схемы многослойных рядовых обмоток Многослойная бифилярная обмотка в принципе не отличается от однослойной. Ее наматывают с шагом 2dиз и применяют для изготовления безындукционных проволочных резисторов. Секционированная индукционная обмотка наматывается на каркас-шпулю, разделенную на секции поперечными щеками. При равной ширине обмотки максимальная разность потенциалов между крайними витками каждого ряда тем меньше, чем больше число секций в каркасе. Секционирование значительно 201 снижает собственную емкость обмотки, так как емкости секций соединены последовательно. Один из вариантов выполнения секционированной индукционной обмотки показан на рис. 7.6, а. Число слоев обмотки в каждой секции должно быть нечетным, чтобы начало и конец провода располагались у противоположных торцов катушки. Первую секцию наматывают справа налево, вторую — слева направо, начало первой и второй секций электрически соединяют. После наматывания третьей секции, так же как и первой, справа налево соединяют конец второй секции с началом третьей секции и т. д. Технологической особенностью секционированной индукционной обмотки является то, что все нечетные и все четные секции независимо от их числа наматывают при вращении каркаса в противоположных направлениях. Секционированная безындукционная обмотка укладывается на каркасах-шпулях с четным числом секций. В каждой секции наматывают равное количество витков, причем число слоев должно быть нечетным (рис. 7.6, б). Наматывание ведут посекционно; после укладки витков каждой секции каркас снимают со шпинделя станка, не обрывая провода, поворачивают на 180° и устанавливают снова. В результате такого наматывания витки в четных и нечетных секциях направлены навстречу друг другу и их магнитные поля взаимно компенсируются. Секционированная безындукционная обмотка так же, как и бифилярная, применяется в проволочных безындукционных резисторах, но перед последней она имеет то преимущество, что допускает большее падение напряжения на виток. Универсальная обмотка (рис. 7.7) отличается тем, что провод укладывается на каркас под некоторым углом к плоскости намотки с двумя или несколькими перегибами на торцах катушки за каждый оборот. Перекрещивание каждого последующего витка с предыдущим позволяет получать механически прочную обмотку, диаметр которой значительно больше ширины, обладающую малой собственной емкостью. 202 Рис. 7.6. Схема укладки многослойных секционированных обмоток: а — индукционная; б — безындукционная. Последняя тем меньше, чем больше угол укладки , и, наоборот, чем меньше угол , тем больше универсальная обмотка по своим электрическим параметрам приближается к простой многослойной рядовой обмотке. Для получения универсальной обмотки поводок с проводом должен совершать в процессе наматывания возвратнопоступательное движение по ширине намотки от одного края к другому. Шинная обмотка выполняется из шины — провода с прямоугольным поперечным сечением (рис. 7.8). В большинстве случаев шину укладывают спиралью в один ряд. Для межвитковой изоляции применяют прессшпановую ленту. Шинная обмотка применяется для изготовления ленточных магнитопроводов, а также конденсаторов. 203 Пазовая обмотка укладывается «внавал» в паз, например, при изготовлении пакета якоря электродвигателя. Механизм для раскладки провода в данном случае применяется редко из за малой ширины проходного отверстия паза (0,5—1,5 мм). Рис. 7.7. Схема многослойной универсальной обмотки Рис. 7.8. Схема многослойной шинной обмотки Все обмотки характеризуются величиной электрического сопротивления, прочностью изоляции, числом витков, весом, жесткостью и т. п. При любом процессе наматывания практически невозможно обеспечить получение совершенно точных заданных параметров обмоток, что обусловлено в основном непостоянством параметров обмоточных и изоляционных материалов. Качество обмоток зависит также от характера и технического состояния оборудования и от технологического процесса наматывания. 204 На качестве обмотки сказывается: а) непостоянство диаметра и физических свойств обмоточного провода; б) низкое качество изоляции провода; в) неточность геометрической формы каркаса; г) неточности кинематической схемы получения обмоток; д) неточности оборудования и приспособлений; е) неточность настройки станка; ж) деформации провода, каркаса и деталей станка; з) неточность измерений в процессе наматывания. Обмотки должны иметь требуемую по чертежу форму в заданных габаритах, заданное число витков, расположенных в нужном порядке, требуемую плотность витков, нужное омическое сопротивление или индуктивность, заданные линейные (или функциональные) характеристики сопротивления (для переменных резисторов и потенциометров) и неповрежденную изоляцию. 7.2. Применяемые материалы и их технологические свойства Для создания намоточных изделий, работающих в системах радиоприборов, наряду с разработкой их оптимальной конструкции необходим рациональный выбор материалов обмоточной проволоки, электроизолирующих покрытий, контактов, каркасов, пропиточных лаков и эмалей, а также материалов корпусов, осей элементов крепления, способствующих обеспечению надежной работы изделия в заданных условиях. а) Материалы для обмоточных проводов и контактов В радиоаппаратуростроении в основном применяют провод диаметром 0,03—0,3 мм. Наиболее употребителен провод диаметром 0,06—0,12 мм. Провод диаметром до 1 мм, как правило, имеет круглое сечение. Для изготовления катушек применяют обмоточный медный провод круглого и прямоугольного сечений, шинную голую 205 медную проволоку и вальцованный трос прямого сечения из мелких медных жилок — литца. Для наматывания постоянных и переменных резисторов и потенциометров применяют проволоку из материалов с высоким удельным омическим сопротивлением — нихрома, константана и др. Нихром имеет гораздо большее удельное сопротивление, чем константан, и в несколько раз больший температурный коэффициент, поэтому для намотки высокоточных изделий применять его не рекомендуется. Материал проволоки для обмоток потенциометров должен иметь также малую термоэлектродвижущую силу относительно меди, стабильные свойства во времени, хорошую стойкость против коррозии, высокую прочность и малое относительное удлинение при растяжении. б) Материалы для каркасов Материалы для каркасов выбирают в зависимости от требований к их электрическим и магнитным свойствам, исходя из размеров, прочности и жесткости, точности и, наконец, программы выпуска. В соответствии с этим каркасы изготовляют либо из диэлектриков, либо из алюминия и его сплавов. Для изготовления каркасов малой точности применяют материалы первой группы, а для каркасов повышенной точности — второй. Металлические каркасы применяют для высокоточных потенциометров. Точность линейной (или функциональной) характеристики проволочных потенциометров в ряде случаев должна быть не ниже 0,1%, а иногда и 0,05%, а точность величины общего сопротивления ±0,5—0,1%. Для этого необходимо, чтобы каркасы потенциометров хорошо сохраняли точность геометрических, физических и электрических параметров. Струнные намотки многооборотных потенциометров обычно осуществляются на каркасе, представляющем собой медную изолированную проволоку. 206 в) Изоляционные материалы Для повышения изоляционных свойств, влагостойкости и стабильности электрических параметров каркасы (неметаллические и металлические) и обмотки покрывают или пропитывают клеями, лаками и эмалями. Для пропитки каркасов из текстолита и гетинакса используют клеи БФ-2 и бакелитовые лаки: СКС-1 на основе трикрезола; СБС-1фф на основе фенольной фракции, СБС-1 на основе фенола, лак А на основе фенола, лак Б на основе фенола и лак ЭФ также на основе фенола. 7.3. Изготовление каркасов К конструкции каркасов предъявляются следующие требования: достаточно высокая механическая прочность и жесткость; возможность прочного закрепления провода на каркасе; удобство крепления выводов; удобство крепления каркаса при сборке узла. Все каркасы для обмоток можно разделить на пять групп: 1) трубчатые без фланцев (гладкие) и с фланцами; 2) каркасы-шпули; 3) плоские каркасы; 4) ребристые каркасы; 5) кольцевые каркасы. Изготовление указанных каркасов в производственных условиях не представляет особой трудности; в литературе эта технология изложена достаточно подробно, поэтому нет надобности останавливаться на ней особо. Большие трудности возникают при изготовлении каркасов таких элементов радиоприборов (особенно радиолокационной аппаратуры), как переменные проволочные резисторы и потенциометры, поэтому технология изготовления и особенно анализ точности каркасов высокоточных потенциометров излагается здесь более подробно. Форма, размеры и материал каркасов, на которые наматывается проволока, определяются конструктивными и электрическими параметрами потенциометров. По форме каркасы потенциометров делятся на кольцевые, плоские (пластинчатые), стержневые и дуго- 207 вые. Они могут иметь круглое, квадратное, прямоугольное, овальное или эллиптическое поперечное сечение. Форма и размеры сечения каркаса зависят от заданной величины общего сопротивления обмотки потенциометра и от расположения контактной дорожки. Последняя может быть расположена на торце каркаса, на наружной или внутренней поверхности. При проектировании потенциометра необходимо стремиться к тому, чтобы в зоне контактной дорожки под витками была выпуклая часть сечения каркаса; в противном случае витки могут отойти от каркаса, что приведет к их смещению, нарушению контакта, повреждению витков или движка. От формы сечения каркаса зависят также плотность прилегания витков обмотки к поверхности каркаса, плотность прилегания витков друг к другу и жесткость каркаса. Если форма или сечение каркаса выбраны неправильно, то изготовить его труднее, брак потенциометров увеличивается, а точность оказывается недостаточной. Несоблюдение указанных в чертеже формы и размеров каркасов в процессе производства ведет к понижению точности общего сопротивления потенциометра и к отклонению от линейности (или иной функции) его характеристики. Поэтому совершенство Процесса изготовления каркасов во многом определяет как величину общего сопротивления обмотки, так и точность характеристики потенциометров. а) Неметаллические каркасы Неметаллические каркасы потенциометров изготовляют главным образом из гетинакса и текстолита, а также из различных пресспорошков, иногда — из эбонита или плексигласа. Все эти материалы хорошо штампуются или обрабатываются на металлорежущих станках. Обычно на заводах проводится специальный отбор гетинакса для изготовления каркасов потенциометров. Отбирается гетинакс толщиной 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 и 1,2 мм и т. д. марок А и В с чистотой и ровной поверхностью, без пузырей, царапин, трещин и других поверхностных пороков. 208 Гетинакс, отобранный для каркасов кольцевых потенциометров (подвергаемых изгибу), должен удовлетворять следующим условиям: при толщине 0,8 мм заготовка шириной 30 мм должна без трещин изгибаться в кольцо диаметром 50 мм; при толщине 0,5 мм заготовка шириной 15 мм должна без трещин изгибаться и кольцо диаметром 25 мм. Пластинчатые каркасы для потенциометров изготовляют из гетинакса или текстолита; они могут иметь простую прямоугольную форму без отверстий или сложную прямоугольную форму с отверстиями, скосами и закруглениями. Технологический процесс их изготовления состоит из резки листов на полосы, вырубки контура и пробивки отверстий с предварительным подогревом, шлифования боковых плоскостей; доводки поверхностей; пропитки. Стержневые, дуговые и кольцевые каркасы круглого, эллиптического, прямоугольного или квадратного поперечного сечения изготавливают из толстого листового (более 5 мм) материала, прутка или трубы на токарных станках. Допуск на общее сопротивление потенциометров с такими каркасами 5—10%, а на линейность — 1—2%. Кольцевые каркасы изготовляют из текстолита марок ПТК и ВЧ механической обработкой на обычных станках. При механической обработке пластмасс необходимо учитывать физикомеханические свойства последних: а) низкую теплопроводность, что вызывает необходимость выбирать специальные режимы обработки или принимать меры для быстрого отвода тепла; б) относительную мягкость, требующую использования более острых резцов, чем при резании металлов; в) быстрый износ резцов, что приводит к необходимости применения твердосплавного инструмента. б) Металлические каркасы Металлические каркасы потенциометров могут быть стержневые, кольцевые или дуговые с различной формой поперечного сечения. Их изготовляют из прутка или из трубы. Размеры по высоте и по толщине для кольцевых и по диаметру для стержневых металлических каркасов должны быть несколь- 209 ко уменьшены против номинальных; после нанесения изоляционного покрытия размеры каркасов соответствуют расчетным. Металлические каркасы обрабатывают на токарных или фрезерных станках. Каркасы высокоточных потенциометров (рис. 7.9) после предварительной обточки обрабатывают на прецизионных токарных станках в тщательно выверенных оправках. Так как толщина стенки кольцевых каркасов иногда невелика (до 0,8 мм), необходимо увеличивать жесткость заготовки, применяя специальные зажимы. Шероховатость после механической обработки должна быть не хуже 7-го класса. Рис. 7.9. Каркас кольцевого потенциометра из сплава АМг-Т Наиболее сложно и трудоемко изготовление ступенчатых каркасов синусо-косинусных потенциометров. Их обтачивают в специальной оправке фасонным резцом, а затем обрабатывают на фрезерном станке с оптической делительной головкой, которая позволяет выдерживать требуемые углы между ступенями с допуском ± 10'. Для электрической изоляции металлических каркасов применяют процесс анодирования в растворах щавелевой или серной кислоты (с последующим покрытием или пропиткой). 210 8. ИЗГОТОВЛЕНИЕ РЕЗИСТОРОВ 8.1. Общие сведения о резисторах, применяемых в радиоаппаратуре Резисторы принадлежат к числу наиболее массовых элементов радиоаппаратуры. Масштабы производства и номенклатура их расширяются с каждым годом. Резисторы составляют от 16 до 50% общего числа элементов схемы радиоприборов. Их изготовление осуществляется в основном на специализированных предприятиях. Радиопромышленность выпускает резисторы сопротивлением от нескольких ом до 10 Мом с допускаемыми отклонениями действительного значения сопротивления от номинала в пределах ±1, 2, 3, 5, 10 и 20%. Резисторы с допускаемыми отклонениями менее 1% применяются в радиоаппаратуре сравнительно редко. Одним из самых массовых видов радиодеталей являются непроволочные резисторы; их количество в современной радиоаппаратуре достигает более одной трети (40%) от общего числа резисторов. Следовательно, надежность работы радиотехнических устройств в значительной степени зависит от качества этих элементов. Основной тенденцией в разработках непроволочных резисторов за последние годы является повышение допустимой эксплуатационной температуры окружающей среды и удельной мощности рассеяния, позволяющих уменьшить размеры изделий, а также увеличение точности изготовления резисторов заданного номинального значения. Большое внимание уделяется также работам по снижению собственных шумов непроволочных резисторов. В последнее время созданы малогабаритные резисторы, получившие название «миниатюрных», «субминиатюрных» и «микроминиатюрных», предназначенные главным образом для работы в схемах с полупроводниковыми приборами. 211 По назначению все резисторы — проволочные; и непроволочные — могут быть разделены на резисторы общего и специального назначения. Резисторы общего назначения применяются в качестве анодных нагрузок ламп, поглотителей и делителей в цепях питания элементов фильтров, генераторов шумов, регуляторов громкости и тембра, в цепях формирования импульсов, в измерительных приборах невысокой точности и т. п. Диапазон величин сопротивлений таких резисторов от 10 ом до 10 Мом. Номинальные мощности рассеяния от 0,125 до 100 вт. Резисторы специального назначения, обладающие определенными специфическими свойствами и параметрами, в свою очередь разделяются на выскоомные резисторы с сопротивлением до 1013 ом и рабочим напряжением 100—300 в; высоковольтные с сопротивлением до 1011 ом и рабочим напряжением от 10 до 60 кв; высокочастотные, работающие на частотах свыше 10 Мгц (при искусственном охлаждении перечисленные резисторы имеют номинальные мощности рассеяния 5; 20 и 50 кет); прецизионные и полупрецизионные резисторы с величиной номинальных сопротивлений от 0,1 до 1 Мом и номинальной мощностью рассеяния не более 10 вт; миниатюрные резисторы с номинальным сопротивлением до 5 Мом и мощностью рассеяния 0,01—0,125 am. Резисторы специального назначения применяются в устройствах для измерения очень малых токов, в дозиметрах различного рода излучений, в делителях напряжения и поглотителях в высоковольтных установках, в цепях искрогашения, разряда конденсаторов фильтров, в качестве согласующих нагрузок, аттенюаторов, эквивалентов антенн, в точных измерительных приборах, вычислительных машинах, релейных системах, магазинах сопротивлений и в малогабаритной радиоаппаратуре. В зависимости от материала проводящего элемента непроволочные резисторы разделяют на следующие группы: углеродистые, металлопленочные и металлоокисные, композиционные, проволочные и полупроводниковые. 212 8.2. Изготовление углеродистых резисторов Углеродистыми называют резисторы поверхностного типа, проводящий Слой которых образован пленкой графитоподобного пиролитического углерода, осажденного на поверхность изоляционного основания, преимущественно фарфора. Отечественная технология производства углеродистых резисторов была разработана в 1946—1947 гг., а в настоящее время они являются одним из наиболее распространенных типов резисторов. Углеродистые, резисторы обладают высокой стабильностью параметров, стойкостью к импульсным перегрузкам, низким уровнем шумов, небольшим и однозначным температурным коэффициентом, малой зависимостью сопротивления от напряжения и частоты. Эти качества обусловлены свойствами пиролитического углерода — его термо- и химической стойкостью, сравнительно большим удельным сопротивлением, способностью образовывать проводящие слои с различной величиной и низким температурным коэффициентом сопротивления. Себестоимость углеродистых резисторов относительно низка. Поверхностную проводящую пленку пиролитического углерода резисторов получают, разлагая углеводороды в вакууме или в среде инертного газа при высокой температуре. Углерод осаждается на поверхности керамического основания. Для того чтобы обеспечить высокую стабильность сопротивления резисторов, коэффициенты термического расширения керамики и проводящей стенки должны быть одинаковы. Поэтому необходимо следить, чтобы поверхность керамических оснований была химически однородна, без трещин, сколов и других дефектов. Однородность микрорельефа керамики достигают, протравливая ее в растворе плавиковой кислоты или обрабатывая в тонкодисперсных абразивных смесях. Пиролиз углерода проводят в специальных печах (рис. 8.1). Такая печь представляет собой глазурованную керамическую трубу длиной 1,7—2 м и диаметром 70—100 мм. Концы трубы плотно закрываются съемными вакуумноплотными крышками 213 со штуцерами для присоединения системы, обеспечивающей подачу паров углеводорода при одновременной откачке воздуха из объема печи. В качестве нагревательного элемента применена спираль из нихромовой проволоки, расположенная поверх трубы в ее средней части. Провод намотан с переменным шагом шпион для равномерного распределения температуры нагрева вдоль Камеры печи. Температура в камере измеряется оптическим пирометром и термопарой, которая используется для автоматического регулировании температурного режима. Керамические основания загружают в печь и нагревают до 940—1 000° С; при этом и печи создают вакуум 0,15—0,17 мм рт. ст. Для получения заданных параметров резисторов количество загружаемых оснований строго регламентируется. Например, для изготовления резисторов мощностью 0,25 вт в печь загружают 5 000 оснований, а для резисторов мощностью 2 вт — 450 шт. Когда температура в камере печи достигает заданного значения, в нее впускают пары углеводорода, обычно гептана, с одновременной откачкой продуктов разложения. Для того чтобы обеспечить равномерную. пленку углерода на всех керамических основаниях, в процессе пиролиза изменяют направление подачи гептана, а также перемешивают основания, вращая печь вокруг продольной оси. Продолжительность процесса можно варьировать в широких пределах. Изменяя режимы обработки поверхности керамических оснований, получают слой пиролитического углерода, обладающий сопротивлением от десятых долей ома до 30 ком на единицу поверхности. При изготовлении углеродистых резисторов применяют также поточный метод науглероживания; в этом случае керамические основания непрерывно пропускают через камеру пиролиза, заполненную азотом. В качестве исходного продукта используют метан (СН4). Для получения заданной величины сопротивления толщину пленки углерода регулируют, изменяя концентрацию углеводорода в рабочей смеси, скорость ее подачи и скорость прохождения заготовок через камеру пиролиза Режим осаждения угле214 рода поддерживают, применяя устройства автоматического регулирования. Для получения слоя углерода одинаковой толщины рабочую камеру печи периодически поворачивают вокруг ее оси Заготовки резистивных элементов покрывают лаком для предохранения тонкого проводящего слоя от механических повреждений и от воздействия окружающей среды. Лак обычно наносят на конвейере. При дальнейшем движении по конвейеру заготовки сушатся инфракрасными лучами. После контроля заготовок и армирования выводов заготовки сортируют но величине сопротивления на автоматических устройствах. Рис. 8.1. Схема печи для пиролиза: 1 — вакуумный шланг; 2 — смотровое окно; 3 — трубки водяного охлаждения; 4 – труба из керамики; 5 - кожух с теплоизоляцией; 6 - нагреватель, 7- термопара; 8 – автоматический регулятор температуры; 9 - керамические вкладыши;-10 - механизм поворота печи вокруг продольной оси; 11 - датчик измерения вакуума; 12 - капилляр, регулирующий интенсивность подачи гептана; 13 - сосуд с гептаном; 14 форвакуумный насос 215 Заготовки с очень большим сопротивлением резистивного элемента не могут быть непосредственно использованы для изготовления высокоомных резисторов, так как они имеют высокий термический коэффициент сопротивления и плохую стабильность параметров. Чтобы увеличить, сопротивление резисторов, до высоких номинальных значений, проводящий слой прорезают по спирали, шаг которой рассчитывают по специальной формуле. На практике для выбора шага спирали пользуются таблицами, заранее рассчитанными для каждого вида резистора. Спирали прорезают на специальных станках или автоматах. Для массового выпуска углеродистых резисторов разработаны и пущены автоматизированные линии. Такая линия состоит из отдельных автоматов соединенных транспортерами, с проектной производительностью 4 800 изделии в час. Производительность линии можно значительно повысить если изготовлять на ней резисторы с определенной номинальной величиной сопротивления. В радиопромышленности наиболее широко используются углеродистые резисторы общего назначения типа ВС и их разновидности (ОВС ВСЕ) В зависимости от допустимой мощности рассеяния выпускают резисторы типов ВС-0,25; ВС-0,5; ВС-1; ВС-10. Они могут иметь номинальные значения сопротивления от 27 ом до 10 Мом. Резисторы типов ОВС и ВСЕ по своим электрическим параметрам и габаритам аналогичны резисторам типа ВС и отличаются от них лишь конструктивным оформлением. Углеродистые резисторы специального назначения разделяются на полупрецизионные, прецизионные, малогабаритные, высокочастотные. К полупрецизионным относятся резисторы типа УЛИ (углеродистые лакированные измерительные), предназначенные для использования в измерительной аппаратуре, так же как и прецизионные резисторы типа БЛП с бороуглеродистым проводящим слоем, защищенным эмалью. Для аппаратуры с высокой плотностью монтажа выпускаются резисторы типа УЛМ (углеродистые лакированные малогабаритные). 216 Высокочастотные углеродистые резисторы применяются в цепях высоких и сверхвысоких частот в качестве элементов конструкций аттенюаторов, волноводов. В связи с этим конструктивное оформление резисторов может быть различным: в виде трубок, стержней, дисков, пластинок и т. п. Резисторы типа УНУ (углеродистые незащищенные ультравысокочастотные) предназначены для работы в высокочастотных цепях в качестве активных нагрузок коаксиальных линий. Для радиопередающих устройств, работающих на частотах ультракоротковолнового диапазона, выпускаются резисторы типа УВ (углеродистые водоохлаждаемые). Они используются как поглотители высокочастотной энергии или широкополосные эквиваленты антенн. В качестве безреактивных балластных нагрузок в цепях ультравысокой частоты используют также воэдухоохлаждаеные резисторы типа СОВ-3 (углеродистые охлаждаемые воздухом). 8.3. Изготовление металлопленочных и металлоокисных резисторов Проводящие элементы металлопленочных резисторов представляют собой пленки специальных сплавов или металлов, нанесенные на изоляционное основание: керамику, стекло, слоистые пластики, ситаллы. Резисторы этого типа обладают повышенной термостойкостью, малыми коэффициентами напряжения и шумов, хорошими частотными характеристиками. Используя различные сплавы и заменяя толщину пленки, получают резисторы с широким диапазоном номинальных значений сопротивления. Металлические пленки имеют высокую адгезию к материалу оснований, что позволяет использовать их в качестве проводящих элементов переменных резисторов. Один из недостатков металлопленочных резисторов — плохая устойчивость к импульсным нагрузкам. 217 Металлоокисные резисторы по своим свойствам близки к металлопленочным. Наибольшее применение получили резисторы на основе двуокиси олова. Известны различные способы получения тонких металлических пленок: термическое испарение в вакууме, катодное распыление, электрохимическое и химическое осаждение, термохимическое разложение, вжигание и др. Для изготовления металлопленочных резисторов наиболее широко применяется способ термического испарения. Другие способы используют сравнительно редко. Технологический процесс производства металлопленочных резисторов состоит из трех основных этапов: 1) изготовление керамического основания и подготовка его поверхности; 2) нанесение проводящей пленки; 3) армирование резистора и измерение электрических параметров. Керамические основания металлопленочных резисторов чаще всего представляют собой цилиндрические трубки; такая форма связана с технологическими особенностями нанесения металлической пленки. Иногда применяют плоские основания. Качество резистора во многом определяется состоянием поверхности основания. Перед осаждением резистивной пленки основание должно быть тщательно очищено. Сначала его промывают в моющем растворе, а затем обезжиривают в парах изопропилового спирта. Окончательную очистку основания производят посредством ионной бомбардировки в тлеющем разряде в вакуумной камере непосредственно перед осаждением пленки. Для термического испарения металлов и сплавов в вакууме используют специальные установки (рис. 8.2). Испарение проводится в вакуумной камере при остаточном давлении 10-4—10-6 мм рт. ст. Испаряемый металл или сплав обычно наносят на спираль или помещают и лодочку из тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена, тантала), нагреваемые электрическим током. Пленки получают также путем испарения 218 исходного материала электронным лучом. Испарение при помощи электронного луча достигается фокусированием его на испаряемой поверхности, минимально загрязняя пленку. С помощью электронной бомбардировки можно испарить самые тугоплавкие металлы и сплавы. Рис. 8.2. Схема установки для термического испарения металлов и сплавов в вакууме: 1 – форвакуумный насос; 2 – диффузионный насос; 3 – основание установки; 4 – маховик крана вакуума; 5 – держатели; 6 – керамические основания; 7 – испаритель; 8 – отражатель; 9 – стеклянный колпак Во время вакуумного осаждения основания удерживаются пружинящими стальными пластинками, на концах которых имеются захваты. Форма этих захватов такова, что пластина контактного вывода на каждой стороне не закрыта от испарителя и таким образом обеспечивается электрическая неразрывность цепи после осаждения резистивной пленки. Стальная пластина, на которой закреплены захваты, расположена над испарителем в опорном кольце, которое в процессе осаждения вращается для получения одинаковой толщины и свойств всех пленок. В этом случае испаритель смещают от центра к периферии камеры — 219 краю вращающегося держателя. Оптимальные условия получения одинаковых пленок на всех основаниях определяются расстоянием от испарителя до покрываемого основания и радиальным смещением испарителя. Для нанесения резистивной пленки на цилиндрические основания используют многоместные приспособления (до 40 гнезд), вращающиеся в горизонтальной плоскости вокруг испарителя. Одновременно каждое основание вращается и вокруг собственной оси. Для этого основания устанавливают в съемные шпули, которые приводят во вращение посредством фрикционного механизма от электродвигателя или через общий вал, проходящий через основную плиту вакуумной камеры с соответствующим вакуумно-плотным подшипником. Если испаритель располагается в центре камеры, то основания устанавливают не вертикально, а наклонно, под некоторым углом к вертикальной оси камеры. Это способствует получению более равномерного покрытия. Резисторы, изготовленные с помощью такого приспособления, имеют очень небольшой разброс величин сопротивления. При нанесении пленок на плоские основания контрольный резистор устанавливают рядом с обрабатываемыми основаниями в зажимном приспособлении. Включение выводных контактов контрольного основания в измерительную Схему осуществляют посредством винтовых зажимов. При обработке цилиндрических оснований контрольный резистор также устанавливают на вращающееся приспособление, а к его выводным контактам прижимают щетки, закрепляющиеся на токосъемных кольцах, через которые контрольный резистор включается в измерительную схему (рис. 8.3). При использовании неподвижного контрольного резистора для измерения действительной величины сопротивления пленки на обрабатываемых цилиндрических основаниях соотношение величин сопротивления определяют опытным путем. Перед нанесением резистивной пленки рекомендуется производить предварительный нагрев оснований до температуры 300° С. Таким способом уменьшают внутренние напряжения в 220 наносимой пленке и предохраняют ее от отслаивания и появления морщин. При этом на поверхности нанесенной пленки после осаждения образуется защитная оксидная пленка, препятствующая атмосферным воздействиям и загрязнению резистивного слоя. Предварительный нагрев осуществляют в вакуумной камере терморадиационным нагревателем, расположенным над зажимным приспособлением. После нанесения резистивной пленки необходима дополнительная термическая обработка на воздухе для завершения процесса окисления и получения стабильного защитного слоя окисла. Стабилизация производится в течение 30 мин при температуре 300° С. Во время стабилизации проявляются дефекты нанесенной пленки, которые легко обнаружить по увеличению ее сопротивления. Для стабилизации резисторов используют специальную печь с шестиместным зажимным устройством, позволяющим контролировать величину сопротивления каждого резистора в процессе стабилизации. Одним концом все резисторы устанавливают в общий зажим, а для второго конца каждого резистора предусмотрены отдельные зажимы, изолированные друг от друга. Они соединены с шестиканальным селекторным переключателем, что позволяет измерять величину сопротивления каждого резистора в процессе стабилизации. Температуру измеряют с помощью хромоалюминиевой термопары. Рис. 8.3. Схема измерения величины сопротивления пленки в процессе осаждения на цилиндрические основания: 221 1 – изолятор; 2 – токосъемное кольцо; 3 – скользящие контакты; 4 – контрольное основание с кольцевыми контактами; 5 – основание; 6 – к измерительному мосту В процессе стабилизации величина сопротивления изменяется в результате окисления пленки, а также за счет изменения кристаллической решетки резистивного материала. Общее изменение величины сопротивления может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от степени влияния каждого из указанных факторов. В условиях эксплуатации пленочные резисторы сохраняют стабильность при температурах до 150° С. Установлено, что стабильность резисторов с незащищенной хромоникелевой пленкой в течение 1 000 ч работы удерживается в пределах ±0,5%, а ТКС зависит главным образом от скорости осаждения пленки. На рис. 8.4 представлен график зависимости ТКС пленки из хромоникелевого сплава (Ni 80%, Сr 20%) от скорости ее осаждения. Пленки наносились е помощью испарителя, нагреваемого электронным лучом. При скоростях осаждения до 0,7 А/сек ТКС меньше 0,005% на 1° С и достигает наибольшего значения ~ 0,15% на 1° С при скорости осаждения 10 А/сек, после чего с увеличением скорости осаждения постепенно уменьшается. Рис. 8.4. График зависимости температурного коэффициента сопротивления пленки из хромоникелевого сплава от скорости ее осаждения 222 Для измерения ТКС резисторы погружают в ванну с кремнийорганическим маслом, подогреваемую плоским электрическим нагревателей, с механическим перемешиванием жидкости для равномерного нагрева всего объема. К испытываемому резистору, включенному в мостовую схему, прикрепляют шарик ртутного термометра (рис. 8.5). Выводы с каждой стороны падения получают осаждением толстого слоя хромоникелевого меди, к которому припаивают вы вод из медной проволоки или алюминия. Обычно резисторы армируют на высокопроизводительных автоматах. После этого следует автоматическая сортировка заготовок по величине сопротивления. Для увеличения сопротивления при изготовлении высокоомных резисторов и подгонки его к требуемому номинальному значению в пленке, как и при изготовлении углеродистых резисторов, прорезают спиральную канавку. Для изготовления резисторов из хромоникелевых пленок с номиналами порядка нескольких мегом отношение длины пленки к ее ширине (рис. 8.6) делают около 1 000 : 1. Рис. 8.5. Прибор для измерения температурного коэффициента сопротивления: 223 1 – термометр; 2 – двигатель; 3 – мешалка; 4 – к измерительному мосту; 5 – ванна с сиконовым маслом; 6 – сопротивлении; 7 – нагреватель Для прорезания спиральной канавки резистор закрепляют концами в патронах специального станка, которые изолированы друг от друга и соединены с измерительной мостовой схемой. Вдоль резистора перемещается абразивный круг соответствующей толщины. Его движение увязано с вращением резистора так, чтобы обеспечить прорезку канавки с требуемым шагом. При изготовлении точных резисторов их включают в мостовую измерительную схему; нарезание канавки прекращают, когда сопротивление достигнет требуемой величины. Технологический процесс изготовления металлоокисных проводящих пленок значительно проще. Пленку двуокиси олова осаждают на керамические или стеклянные основания путем термического разложения паров хлористого олова (SnCl2) при температуре около 450° С. Образующиеся пары двуокиси олова поступают в нагретую камеру, где они адсорбируются поверхностью вращающихся оснований. Другой способ основан на применении четыреххлористого олова. Его водный раствор наносят пульверизатором на основание, нагретое до температуры 500— 550° С. Рис. 8.6. Резистор с металлической резистивной пленкой и спиральной нарезкой: 224 а – на 1 ком; б – на 643 ком Пленки двуокиси олова прочно сцепляются с основанием, отличаются высокой термостойкостью, стойки к воздействию кислот и щелочей, имеют невысокий температурный коэффициент сопротивления. В последние годы разработаны автоматические установки для изготовления металлоокисных резисторов на стеклянных штабиках, вытягиваемых из тугоплавкого стекла; в процессе движения штабиков на них наносится проводящий слой. 8.4. Изготовление композиционных резисторов Композиционные резисторы изготавливают на основе смеси проводящего компонента, например графита или сажи, с органическими и неорганическими связующими, например фенольными и эфирными смолами (эпоксидной, глифталевой, кремнийорганической), наполнителем, пластификатором и отвердителем. Такие системы называют гетерогенными. В большинстве случаев и качестве проводящих компонентов композиций используют порошкообразные проводники сажу и графит. Сажа — продукт неполного сгорания или термического разложения углеродистых веществ. Графит — аллотропная форма углерода. Широкое применение этих материалов в качестве проводящих элементов объясняется высокой степенью дисперсности (например, размер частиц так называемой канальной сажи — около 100 А), большим удельным сопротивлением, химической стойкостью и сравнительно высокой термостойкостью. Заметное окисление наступает при температурах более 160° С, при этом окись И двуокись углерода улетучиваются. Для получения низкоомных композиций сажу (графит) и связующий материал смешивают в определенной пропорции, добавляют растворитель и смесь измельчают в шаровых мельницах или в специальном помольном оборудовании. В процессе 225 помола образуется гомогенная суспензия. Для приготовления высокоомной композиции предварительно измельчают наполнитель, смешанный с растворителем, затем добавляют проводящие компоненты (сажу, графит), связку и продолжают помол. Приготовление высокоомных композиций затруднено в связи с тем, что при уменьшения содержания проводящего компонента электрические характеристики композиции, как правило, ухудшаются. Важную роль в технологии производства высокоомных композиций играет выбор связующих материалов (смол). Высокоомные резисторы, изготовленные с применением фенольных смол, имеют низкую термо- и влагостойкость. Стабильность и термостойкость резисторов можно повышать, смешивая фенольную смолу с проводящим компонентом и вводя в качестве дополнительного связующего компонента эфирную смолу. Приготовленная суспензия должна обладать вязкостью 10—30 сек (по вискозиметру ВЗ-4). Вязкости изменяют, добавляя в суспензию растворитель или испаряя его. После приготовления и контроля суспензию наносят на изоляционное основание. Применение тех или иных способов нанесения композиции зависит от конструкции резистора. Наиболее распространен метод погружения. Основания, закрепленные в держателе, погружают в ванну с суспензией и затем извлекают из нее с постоянной скоростью. Толщина пленки зависит от вязкости суспензии и скорости извлечения заготовки из ванны. На длинные и тонкие заготовки в массовом производстве пленку наносят методом протягивания через капиллярную трубку, в которую иод давлением непрерывно поступает суспензия (рис. 8.7). После нанесения пленки заготовки разрезают на трубки необходимых размеров. На цилиндрические основания больших размеров, плоские поверхности при изготовлении переменных резисторов суспензию наносят, распыляя ее специальным пульверизатором. При этом цилиндрические основания приводят в быстрое вращение, а пульверизатору сообщают возвратнопоступательное движение вдоль их оси. 226 Рис. 8.7. Нанесение суспензии на заготовку методом протяжки через капилляр Переменные резисторы с нелинейным изменением величины сопротивления в функции угла попорота движка изготовляют поливом с помощью контейнеров, разделенных перегородками на отсеки, куда заливают суспензию с различным удельным сопротивлением. Перегородки располагают так, чтобы между их нижними кромками и дном контейнера оставался зазор; благодаря смешиванию суспензий в -зазорах обеспечивается плавное изменение сопротивления на границах участков про водящего элемента. При движении пластины изоляционного материала мимо пазов, сделанных в дне контейнера, образуется проводящий слой. Нанесенную пленку подвергают термической обработке, во время которой происходит полимеризация связующего вещества и отверждение резистивного слоя. При этом для получения заданных свойств проводящих элементов необходимо строго выдерживать температуру полимеризации, а также требуемые скорости повышения и понижения температуры. Для производства некоторых типов композиционных резисторов созданы автоматические линии, производительность которых составляет 3—4 млн. изделий в год. 227 Современная технология производства сложных гетерогенных систем позволяет получать резисторы с величиной сопротивления от долей ома до нескольких тераом. 8.5. Изготовление проволочных резисторов Постоянные и переменные проволочные резисторы находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, различных системах автоматического управления и регулирования, в электрооборудовании транспортных средств и в измерительной технике. Все элементы конструкций прополочных резисторов выполняются из термостойких материалов, а проводящий элемент защищен от воздействия окружающей среды плотным слоем электроэмали, компаунда, или герметичным чехлом, что обеспечивает безотказную работу резисторов при высоких температурах и повышенной влажности. Современные проволочные резисторы отличаются высокой стабильностью электрических параметров, малым температурным коэффициентом, незначительным уровнем собственных шумов и повышенной точностью. Однако резисторы этого типа имеют значительные индуктивность и емкость, большие габариты и сравнительно дороги, поэтому по объем у производства они уступают металлопленочным, углеродистым и композиционным резисторам. Основным элементом проволочных резисторов является тонкая проволока (диаметром в несколько сотых долей миллиметра) из сплавов, обладающих высоким удельным сопротивлением, достаточной механической прочностью, пластичностью и термостойкостью, низким температурным коэффициентом сопротивления. Основной операцией при изготовлении проволочных резисторов является процесс наматывания проволоки на каркас. Каркасы изготовляют главным образом из пластмассы или керамики в зависимости от допустимой температуры нагрева. При бескаркасном способе изготовления резисторов каркас-оправку, на который наматывают провод, изготовляют разъемным. 228 Рис. 8.8. Схема перемещения диска по обмотке потенциометра: 1 – движок; 2 – провод; 3 – изоляционный слой (эмаль); 4 – каркас Проводящий элемент резистора защищают от климатических и механических воздействий стеклоэмалевыми и другими электроизоляционными покрытия ИИ. Переменные проволочные резисторы широко применяют в радиоэлектронной промышленности для различных регулировочных и подстроечных операций. Каркасы таких резисторов изготавливают из пластмасс, гетинакса, текстолита и керамики, они имеют кольцевую, трубчатую, пластинчатую и стержневую конструкцию с различной формой поперечного сечения. Проволочные потенциометры применяют для работы и цепях постоянного тока в качестве делителей напряжения или переменных активных резисторов. Они бывают однооборотными и многооборотными. Проволочный однооборотный потенциометр конструктивно представляет собой устройство из тонкого изолированного провода с высоким омическим сопротивлением, намотанного в один ряд на изолированный каркас. По очищенной от изоляции поверхности провода (дорожке) (рис. 8.8) скользит движок — металлическая ленточка или проволока, изогнутая на конце. Движок делают из упругих материалов; при перемещении по обмотке потенциометра его изогнутый конец касается следую229 щего витка провода прежде, чем сходит с предыдущего, поэтому в момент К.перехода с витка на виток контакт не нарушается. Потенциометр имеет три вывода: два от концов сопротивления и третий — от движка (рис. 8.9, а). Рис. 8.9. Однооборотный (а) и многооборотный (б) потенциометры Наиболее ответственным элементом, определяющим надежность работы потенциометра, является электрический контакт нары: обмотка потенциометра — движок. Материалы проволоки и движка должны быть устойчивы против электрической эрозии и коррозии, которые приводят к снижению проводимости контактной поверхности. Материал контакта должен быть износоустойчивым, иметь высокую тепло и электропроводность. Потенциометры характеризуются величиной омического сопротивления резистивного элемента, геометрическими размерами, законом изменения сопротивления, и линейностью характеристики, допуском на общее сопротивление, стабильностью сопротивления и режима работы, сопротивлением изоляции обмотки относительно корпуса, максимальной и рабочей мощностью рассеяния, величиной рабочего момента вращения оси, сроком службы при заданных условиях, а также необходимой скоростью вращения оси и рабочим режимом в различных условиях эксплуатации. Потенциометры разделяются в основном на два класса: - обычные радиотехнические потенциометры — малогабаритные дешевые устройства сравнительно невысокой точности, 230 которыми пользуются для регулирования громкости и других подобных целей в радиоприемниках и электронном оборудовании; - высокоточные малогабаритные потенциометры, широко применяемые в приборостроении, автоматике и вычислительной технике, которые появились сравнительно недавно. Общее омическое сопротивление проволочных потенциометров зависит от их размеров, марки и диаметра провода. Неточные, так называемые подстроенные, потенциометры обычно имеют сопротивление от 5 до 20 000 ом, потенциометры повышенной точности, как правило, имеют общее сопротивление в пределах от 500 до 50000 ом и, реже, от 100 до 100 000 ож; в отдельных случаях — до 1 000 000 ом. Минимальное общее сопротивление потенциометров составляет 1 ом. Размеры проволочных потенциометров зависят от величины общего сопротивления, заданного значения линейности и номинальной мощности рассеяния. Наружный диаметр корпуса кольцевых потенциометров обычно 10—80 мм, в отдельных случаях он может достигать 450 мм. Высота их корпуса 5—20 мм. Пластинчатые потенциометры имеют длину 60—175 мм, в отдельных случаях — до 250 мм, ширина их корпуса 10—30 мм и лишь изредка достигает 100 мм, а толщина обычно 0,5—1 мм, иногда доходит и до 2,5 мм. Закон изменения сопротивления. При конструировании радиоприборов, устройств автоматики и вычислительной техники часто возникает необходимость выразить какую-либо функцию в виде изменения электрического напряжения. Современные потенциометры позволяют это сделать: они могут изменять напряжение по различным законам. Самой существенной характеристикой таких потенциометров считают функцию изменения напряжения при перемещении токосъемного движка по резистивному элементу. В зависимости от конструкции потенциометра выходное напряжение может изменяться по различным законам: линейному, логарифмическому, синуса, косинуса, секанса и т. д. 231 По виду функции потенциометры разделяются на линейные и функциональные. Выходное напряжение линейных потенциометров пропорционально напряжению, подаваемому на потенциометр, и длине (углу) перемещения движка. При перемещении движка на единицу длины на любом участке обмотки сопротивление изменяется на постоянную величину. В функциональных потенциометрах в режиме холостого хода выходное напряжение между движком и началом обмотки находится в заданной функциональной зависимости от длины (угла) перемещения движка, а при перемещении последнего на единицу длины сопротивление изменяется по закону, определяемому конструкцией потенциометра. Функциональные потенциометры в зависимости от отрабатываемой функции разделяются на тригонометрические, степенные, логарифмические и т. д. По пределам изменения функций различают функциональные потенциометры с неограниченными и с ограниченными пределами. В радиотехнической аппаратуре в схемах автоматики и вычислительных устройствах чаще всего применяют линейные потенциометры. Объем производства их составляет почти 60% от общего числа изготовляемых потенциометров. Линейность. В идеальном случае линейный потенциометр должен обладать постоянной величиной изменении выходного напряжения при равных перемещениях движка, И действительности этого никогда не происходит, т. е. равные по величине перемещения движка вызывают неодинаковые приращения выходного Напряжения (сопротивления). Поэтому под линейностью, или линейной точностью, иногда понимается величина отклонения выходного напряжения или сопротивления в любой точке обмотки от прямой графика зависимости «сопротивления от углового (или линейного) перемещения движка». Допуск на общее сопротивление. Потенциометры различного назначения изготовляют с определенной точностью по общему омическому сопротивлению. Для потенциометров широкого применения эта точность составляет 5—10% от номинального значения сопротивления, а для потенциометров повышен232 ной точности — 0,1 — 1%. Допустимое отклонение общего сопротивления прецизионных потенциометров, работающих в радиолокационных устройствах и вычислительных схемах, не должно превышать 0,1% от номинального. Стабильность. Сопротивление потенциометра в течение всего срока службы и режим его работы при нормальной нагрузке не должны существенно изменяться. Этим и определяется понятие стабильности. Допуск па стабильность проволочного потенциометра зависит главным образом от материалов обмотки и токосъемного движка (стабильности переходного сопротивления контактов), от условий эксплуатации, а также от назначения. Обычно он равен допуску на общее сопротивление, в отдельных случаях — на точность линейной (или функциональной) характеристики. Сопротивление изоляции обмотки относительно корпуса при комнатной температуре (+25° С) и относительной влажности 30—80% должно быть не менее 100 Мом. Мощность рассеяния. Максимальная рабочая мощность рассеяния зависит от допустимого нагрева обмотки потенциометра. В условиях эксплуатации при повышенной температуре окружающей среды мощность рассеяния потенциометра может достигать номинальной величины — от 0,1 до 10 вт, а в отдельных случаях 15—20 вт. Рабочий момент вращения, точнее, момент трогания — это усилие, которое требуется для начала перемещения движка из любой произвольной точки на контактной дорожке потенциометра. Момент вращении небольших проволочных потенциометров общего применения равен 50—360 Г-см. . Скорость вращения. Износ, а следовательно, и срок службы потенциометра зависят от скорости вращения оси движка и его контактного давления на обмотку, поэтому оно должно быть не слишком большим. Потенциометр безотказно работает при скорости вращения, не превышающей 100—150 об/мин. При более высоких скоростях вследствие ударов токосъемного элемента движка о витки провода контакт частично или полностью нарушается. 233 Это явление можно устранить, увеличивая контактное давление и повышая чистоту поверхности контактной дорожки. Однако такой путь хотя и позволяет увеличить угловую скорость подвижной контактной системы, но приводит к резкому сокращению сроив службы потенциометра. Срок службы потенциометра зависит от свойств материала резистивного элемента и материала токосъемного элемента движка, контактного давления, условий эксплуатации и других факторов. Срок службы потенциометров широкого применения при постоянной нагрузке — от десяти тысяч до нескольких миллионов циклов (т. е. двойных перемещений движка от одного конца к другому), потенциометров, применяемых в вычислительных устройствах, — от 100 000 до 500 000 циклов. Некоторые высокоточные проволочные потенциометры (с низким контактным давлением и небольшим током нагрузки) имеют срок службы от 1 до 2 млн. циклов, а в отдельных случаях — до 10 млн. циклов. Технологический процесс изготовления проволочных потенциометров включает следующие этапы: изготовление каркасов, элемента сопротивления с анализом точности процесса наматывания проволоки на каркас, зачистку контактной дорожки, сборку, монтаж и регулировку, защиту деталей и узлов потенциометров от внешней среды и способы их герметизации. После изготовления потенциометры подвергают тщательному контролю основных параметров: разрешающей способности, линейности, надежности контакта, общего сопротивления. Резистивный элемент — каркас с обмоткой - является основным уз лом потенциометра; его изготовление - одна из самых ответственных операций, связанная с целым рядом технологических трудностей, которые особенно сильно проявляются при наматывании провода высокого сопротивления. От точности намоточных станков и процесса наматывания непосредственно зависит точность общего сопротивления и характеристики потенциометра. Здесь действует множество факторов, определяющих иногда самую возможность получения высокоточных резистивных элементов. 234 Эти вопросы, а также технология изготовления каркасов, являются предметом специального рассмотрения. В последние годы появились многооборотные потенциометры (рис. 8.9, б), которые имеют небольшие габариты при высокой разрешающей способности и точности. Точность многооборотных потенциометров достигает сотых долей процента от общего сопротивления. Каркасом многооборотного потенциометра служит изолированный медный провод диаметром 1—2 мм, свитый в спираль с 3,5; 10; 15; 20; 25 или 40 витками, залитую компаундом. Обмотку этих потенциометров в отличие от однооборотных ведут голой (неизолированной) проволокой. Заданную функцию сопротивления обеспечивают, изменяя шаг обмотки. Выходное напряжение снимают посредством ролика, перекатывающегося по внутренней стороне спирали и одновременно скользящего по валику, расположенному параллельно ее оси. С валика тон поступает на цилиндрическое токосъемное кольцо, ось которого совпадает с осью спирали. Таким образом, вместо одного подвижного контакта обмотка — движок, как в однооборотном потенциометре, здесь имеются три подвижных контакта: обмотка — ролик, ролик — валик и кольцо — движок, поэтому в многооборотных потенциометрах особенно важно обеспечить надежный контакт. 235 9. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ 9.1. Общие сведения о конденсаторах, применяемых в радиоаппаратуре В современных радиоаппаратах широко применяют конденсаторы: в фильтрах, блоках настройки, усилителях, накопителях энергии, помехоподавляющих устройствах, пусковых цепях электродвигателей и т. п. Конденсаторы по конструкции и назначению разделяют на постоянные, имеющие неизменную величину емкости, полупеременные (подстроенные), позволяющие изменять емкость в небольших пределах, и переменные, изменяющие емкость в значительных пределах. Конденсаторы постоянной емкости используют в качестве элементов колебательных контуров, настроенных на фиксированную частоту элементов связи, для компенсации изменений параметров других элементов контура при воздействии повышенной или пониженной температуры, для сопряжения контуров в супергетеродинных приемниках, в качестве разделительных, блокировочных и других элементов. Разнообразие функций привело к созданию различных типов конденсаторов постоянной емкости, которые изготовляются в соответствий со стандартами или техническими условиями на специализированных предприятиях. Полупеременные конденсаторы изменяют свою емкость в процессе регулировки изделия; при эксплуатации их емкость остается постоянной. Конденсаторы этого типа применяют при регулировке для компенсации отклонений параметров других элементов схемы радиоаппарата. Их используют в схемах с плавным изменением частоты для компенсации разброса начальной емкости схемы, установки требуемой величины емкостной связи, настройки контуров на требуемые фиксированные частоты и для других целей. 236 Конденсаторы переменной емкости применяют главным образом для плавной настройки колебательных контуров в пределах некоторого диапазона частот. Наиболее широко используют конденсаторы постоянной емкости. В зависимости от применяемого диэлектрика они бывают бумажными, слюдяными, керамическими, электролитическими и т. п. Основными параметрами конденсаторов являются номинальная величина емкости, класс точности, величина рабочего напряжения и процент потерь энергии (утечка). Величина номинальной емкости конденсатора зависит от геометрических размеров его обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости диэлектрика. Класс точности конденсатора показывает допускаемое отклонение емкости конденсатора данного типа в процентах от номинального значения. Конденсаторы широкого применения разделяют на три класса точности: класс I — с допустимым отклонением ±5%, класс II — с допустимым отклонением ±10% и класс III — с допустимым отклонением ±20%- Выбор конденсатора того или иного класса точности определяется его местом в схеме. Конденсаторы класса I используют, например, в колебательных контурах и тех участках схемы, где необходима повышенная точность работы. В цепях, где даже относительно большое изменение емкости мало влияет на работу схемы (например, в развязывающих и блокировочных цепях), можно применять конденсаторы класса III. Для большинства типов конденсаторов указывают номинальное рабочее напряжение постоянного тока. Переменное напряжение (эффективное) на конденсаторе должно быть в 1,5— 2 раза меньше указанного рабочего напряжения для постоянного тока. При работе конденсатора в цепи пульсирующего тока сумма постоянного напряжения и амплитудного значения переменного напряжения не должна превышать номинального рабочего напряжения конденсатора. Конденсаторы широкого применения выпускают на номинальные рабочие напряжения от единиц вольт до десятков киловольт. 237 Качество диэлектрика и его размеры определяют сопротивление изоляции конденсатора электрическому току. Этот параметр позволяет узнать величину утечки тока через конденсатор и установить надежность его в том или ином участке схемы. Емкость от 1 до 10 000 пф на принципиальных схемах обозначают в пикофарадах, а 10 000 пф и более — в микрофарадах, иногда не указывая (в обоих случаях) единицы измерения (например, 3 300 пф или просто 3 300, а 3 300 пф — 0,033 мкф или просто 0,033). Если емкость составляет целое число микрофарад, то после значения емкости ставят запятую в нуль (10 мкф — 10,0). Емкости, составляющие доли или число с долями пикофарады, обозначают в пикофарадах, указывая единицы измерения (0,5 пф; 7,5 пф). Для конденсаторов переменной емкости и подстроечных конденсаторов указывают либо минимальную и максимальную емкости, либо только максимальную емкость. У электролитических конденсаторов рядом с обозначением емкости указывают и рабочее напряжение, например конденсатор 5 мкф на рабочее напряжение 450 в обозначают 5,0 (450 в). 9.2. Изготовление конденсаторов постоянной емкости В конденсаторах постоянной емкости в качестве диэлектрика используют конденсаторную бумагу, полистироловую пленку, слюду и керамику. В зависимости от конструкции, параметров и назначения конденсаторы разделяют на низко- и высокочастотные. К низкочастотным относят конденсаторы с бумажными диэлектриками типов БМ, БГМ, КБГ, МБГО, МБМ, электролитические — КЭ, ЭГЦ, ЭМ, ЭФ, ЭТО и др.; к высокочастотным — конденсаторы слюдяные и стеклоэмалевые - КСО, СГМ, КСГ, КС; керамические - КТН, КТП, КТК, КТМ, КДС, КОБ, КДК, КДО, КДУ; пленочные и металлопленочные — ПО, ПМ, ПСО, ПС, МПГ и др. Конденсаторы постоянной емкости выпускаются в массовом производстве с номиналами от 1 пф до 2 000 мкф в соответствии с ГОСТ. Указанная на конденсаторе емкость соответству238 ет шкале номинальных значений емкости, но его действительная емкость может отклоняться в тех или иных допустимых пределах в зависимости от класса точности. Бумажные и металло-бумажные конденсаторы. Диэлектриком в таких конденсаторах служит тонкая, хорошо пропитанная изоляционными составами бумага, а обкладками — тонкая металлическая фольга. Бумажные конденсаторы выпускаются в разнообразном конструктивном оформлении и на различные номинальные значения емкости. Разновидностью бумажных конденсаторов являются металлобумажные конденсаторы. Эти конденсаторы изготавливают из тонкой бумажной лепты, пропитанной изоляционным составом, на которую путем распыления наносят тонкий слой проводника. Металлобумажные конденсаторы имеют значительно меньшие размеры, чем обычные бумажные, при таких же основных электрических характеристиках. Особую группу составляют металло-бумажные конденсаторы, которые обладают способностью восстанавливать свою электрическую прочность после пробоя. При случайном замыкании в отдельных точках обкладок ток короткого замыкания расплавляет и частично испаряет тонкий слой металла вокруг зоны пробоя, в результате чего обкладки оказываются изолированными друг от друга. Бумажные и металло-бумажные конденсаторы применяют во все видах радиотехнической аппаратуры в качестве развязывающих, разделительных и фильтрующих элементов в цепях постоянного и переменного токов. Бумажные пропитанные конденсаторы постоянной емкости, например цилиндрические, изготовляют намоткой лент бумаги толщиной 5—25 мкм, разделенных металлическими электродами. В качестве электродов (обкладок) обычно используют алюминиевую фольгу толщиной 6 мкм, но можно применить и оловянную или медную. В зависимости от конструкции выводов различают два типа конденсаторов: с вкладными выводами (рис. 9.1, а) и с выступающей фольгой (рис. 9.1, б). 239 Рис. 9.1. Бумажные конденсаторы: а – с вкладными контактами (скрытая фольга); б – с выступающей фольгой; 1 – фольга; 2 – бумага; 3 – вкладной контакт Так как всякая бумага содержит проводящие электрический ток частицы угольной пыли, которые могут пронизать бумажный лист насквозь, особенно при малой толщине, как у конденсаторной бумаги, то между электродами укладывают два или больше слоев бумаги в соответствии с рабочим напряжением и другими параметрами конденсаторов. Конденсаторная бумага гигроскопична и в состоянии поставки содержит 5 — 7% влаги. Поэтому после сушки секции подвергают вакуумной пропитке синтетическими жидкостями, минеральными маслами, воскообразными веществами или вазелином, чтобы заполнить пустоты между волокнами целлюлозы. Пропитка повышает диэлектрическую проницаемость, электрическую прочность бумаги. При изготовлении металло-бумажных конденсаторов (рис. 11-2), как было сказано выше, на одну сторону бумажной ленты методом распыления ИЛИ испарения в вакууме наносят алюминий или цинк. Толщина слоя металла, нанесенного методом испарения, около 0,1 мк. По од ному краю ленты оставляют узкую неметаллизированную полосу, ширина которой зависит од рабочего напряжения конденсатора. При навивке секций свободные закраины двух металлизированных лент направляют в противоположные стороны, причем ленты немного сдвигают по отноше240 нию друг к другу в поперечном направлении. При рабочем напряжении до 200 в применяют однослойные конденсаторы, для более высоких напряжений прокладывают несколько слоев неметаллизированной бумаги. На торцы секций для обеспечения их электрического контакта и припайки выводов наносят распылением слой меди. Пленочные и металлопленочные конденсаторы. В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика служит органическая пленка, иногда — в сочетании с бумагой. Пленка обладает высокой механической прочностью и теплостойкостью; она в достаточной мере химически устойчива к веществам, используемым для герметизации конденсаторов. Применяют полистироловую, стирофлексную и полиэтиленовую пленки, а также майлар (полиэтилентерефталат). Рис. 9.2. Конструкция цилиндрического металлобумажного конденсатора: 1 — ленты металлизированной бумаги; 2 — закраины; 3 — секция конденсатора; 4 — металлический корпус;. 5 — место припайки выводного проводника к слою напыленного металла на торце секции; 6 — бумажный изолирующий колпачок; 7— место припайки крышки к корпусу; 8 — место запайки выводного проводника в крышку; 9 — крышка (стеклянная шайба с коваровой арматурой) Конструкция пленочных конденсаторов не отличается от конструкций аналогичных бумажных конденсаторов. Выпускаются открытые и герметизированные, а также малогабаритные пленочные и металлопленочные конденсаторы. 241 Для работы в цепях постоянного тока применяют конденсаторы ПО (пленочные открытые), ПМ (полистирольные малогабаритные), ПОВ (пленочные открытые высоковольтные) и ПГТ (полистирольные герметизированные точные). Для работы в цепях постоянного и переменного токов предназначают конденсаторы ПКГТ (пленочные комбинированные герметизированные термостойкие), а в цепях постоянного и пульсирующего тока, а также в импульсных режимах — конденсаторы ФГИ (фторопластовые герметизированные термостойкие). В цепях постоянного, переменного и пульсирующего тока используют конденсаторы МПГ (металлопленочные герметизированные) и ФТ (фторопластовые термостойкие). Полистирольные конденсаторы имеют исключительно высокое сопротивление изоляции и очень низкую диэлектрическую адсорбцию, в результате чего они способны запасать электрический заряд и полностью отдавать его по мере надобности. Это свойство используется и радиочастотных настроечных контурах, интегрирующих контурах, настроенных контурах с высокой добротностью и в цепях с высокой постоянной времени. В процессе изготовления полистирольных конденсаторов, чтобы стабилизировать их емкость, секции, намотанные из пленки с обкладками алюминиевой фольги, подвергают термической обработке при нагреве выше температуры релаксации. При этом пленка дает усадку, плотно прилегая к обкладке, устраняются воздушные включения между пленном и обкладкой, а торцы секций спекаются. Все это улучшает стабильность параметров конденсатора. Изготовленные таким способом конденсаторы часто называют «запеченными». Для повышения электрической прочности конденсаторов полистирольную пленку наматывают в несколько слоев. Очень важно создать хороший контакт между обкладкой и выводами из фольги. В ряде случаев для обеспечения надежного контакта вывод припаивают к обкладке. Конденсаторы из политетрафторэтилена (фторопласта) обладают характеристиками, подобными полистирольным конденсаторам. Фторопласт — прекрасный нагревостойкий материал; 242 его можно применять при температуре окружающей среды до 200° С. Существуют два способа изготовления тонких конденсаторных пленок из этого материала: срезанием ленты с монолитного блока фторопласта и литьем из суспензии. Конденсаторы изготовляют, как и в предыдущих случаях, навивкой ленты с обкладками из фольги или металлизированной ленты. Объем конденсатора из металлизированного фторопласта примерно в 4 раза меньше объема конденсатора с обкладками из фольги при одинаковой конструкции при тех же номинальных значениях емкости и напряжения. Это очень важно, так как из-за сравнительно низкой диэлектрической проницаемости фторопласта конденсаторы обычно имеют небольшую удельную емкость. Пропитка конденсаторов кремнийорганическими жидкостями улучшает электрическую прочность, но снижает сопротивление изоляции, увеличивает температурный коэффициент емкости, повышает диэлектрическую адсорбцию. Слюдяные конденсаторы. В слюдяных конденсаторах диэлектриком служит высококачественная слюда, а обкладками — листки металлической фольги или тонкие слои серебра, наносимого на поверхность слюды методом вжигания или вакуумного распыления. В зависимости от конструкции эти конденсаторы разделяют на две основные группы: герметизированные и защищенные от влаги компаундом или пропиткой. Применяют также и полную герметизацию конденсаторов с выводами через стеклянные проходные изоляторы. Наиболее распространены конденсаторы типа КСО (конденсаторы слюдяные опрессованные) и КСГ (конденсаторы слюдяные герметизированные). Малогабаритные конденсаторы СГМ выпускают в керамических корпусах. Все слюдяные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов. Благодаря малым потерям и высокому сопротивлению диэлектрика слюдяные конденсаторы используют главным образом в цепях 243 высокой частоты, а также в качестве разделительных и переходных элементов. Технологический процесс изготовления слюдяных конденсаторов состоит из следующих этапов. Из слюды вырезают пластинки требуемого размера, которые помещают между обкладками из латунной, оловянной или медной фольги; полученный пакет стягивают обжимками, чтобы жестко закрепить фольгу. Выводные контакты закладывают при сборке или присоединяют к фольге точечной сваркой. Листки фольги для обкладок одной полярности соединяют вместе. Для защиты от механических повреждений и частичной герметизации пакеты опрессовывают пластмассой. Опрессованные конденсаторы иногда пропитывают воскообразным веществом, заливают эпоксидной смолой или пропитывают компаундами. Если требуется повысить стабильность конденсаторов и уменьшить их размеры, фольгу не применяют, а слюдяные пластинки серебрят с обеих сторон. Этот способ позволяет устранить воздушные зазоры между диэлектриком и обкладками, ухудшающие параметры конденсаторов. В этом случае выводы можно припаивать прямо к торцам пакетов, но обычно для улучшения контакта с посеребренными пластинками между ними вкладывают маленькие кусочки латунной фольги. Емкость каждого конденсатора можно с высокой степенью точности подогнать к заданной величине, соскабливая небольшие участки обкладки. Керамические, стеклянные и стеклоэмалевые конденсаторы. Керамические конденсаторы стали применять в радиоэлектронной аппаратуре сравнительно недавно. Однако они уже имеют важное значение. Такой конденсатор состоит в основном из керамической пластинки или трубки, снабженной обкладками из тонкого слоя металла, обычно из серебра, нанесенного методом вжигания. Керамические конденсаторы имеют очень малые потери на высоких частотах. Их широко используют в диапазоне ультракоротких волн (УКВ). У этих конденсаторов емкость с течением времени не изменяется. 244 При известных условиях (высоких температурах и быстрых изменениях давления) в керамических конденсаторах появляются пьезоэлектрические эффекты. Если керамический конденсатор приобрел пьезоэлектрические свойства, он будет ими обладать и в дальнейшем. Поэтому в таком конденсаторе могут самопроизвольно возникать напряжения, которые впоследствии оказываются источниками помех в схемах с низким отношением сигнала к помехе. Перенапряжения уменьшают срок службы керамических конденсаторов. По экспериментальным данным срок службы конденсаторов обратно пропорционален кубу напряжения. Керамические конденсаторы относительно хрупки, легко повреждаются при ударах и вибрациях. Применяют различные конструкции керамических конденсаторов постоянной емкости — трубчатые, дисковые, опорные и проходные. Характеристики каждого типа конденсатора могут быть различными в зависимости от используемого керамического материала, технологии производства и т. д. В зависимости от величины температурного коэффициента емкости (ТКЕ) керамические конденсаторы разделяют на шесть групп, каждая из которых имеет свой цвет окраски корпуса или маркировочной точки: ТКЕ не нормируется ...................... Н (оранжевый) (120 ± 30) • 10-6 ............................... С (синий) (30 ± 30) • 10-6 ................................. Р (серый) —(50 ± 30) • 10--6 ............................ М (голубой) —(700 ± 100) • 106 ........................... Д (красный) —(1 300 ± 200) • 10-6 ....................... К (зеленый) Для работы в цепях постоянного и переменного тока в качестве контурных, разделительных и блокировочных элементов применяют конденсаторы КТМ (керамические трубчатые малогабаритные), КДМ (керамические дисковые малогабаритные), КТК (конденсаторы трубчатые керамические), КДК (конденсаторы дисковые керамические), КДУ (керамические дисковые 245 ультракоротковолновые), КДС (керамические дисковые сегнетоэлектрические). В цепях постоянного и пульсирующего тока (фильтрах) используют конденсаторы типа КОБ (керамические опрессованные бочоночные). В колебательных контурах, анодных, сеточных и фидерных цепях применяют разнообразные конденсаторы КВКТ (конденсаторы высоковольтные керамические трубчатые), а также КВКБ (конденсаторы высоковольтные керамические бочоночные). Конденсаторы из керамики ' с малыми потерями и низкой диэлектрической проницаемостью обычно изготовляют в форме цилиндров или дисков, но иногда им придают также вид плоских пластинок прямоугольной формы. Конденсаторы с малым углом потерь обычно изготовляют из стеатита (керамики на основе талька) с диэлектрической проницаемостью около 8. Если используют трубчатые керамические заготовки, то их внутреннюю и внешнюю поверхности металлизируют, нанося серебряную пасту кисточкой с последующим вжиганием. Реже применяют погружение трубки, защищенной экранами, в жидкую пасту. Серебряную пасту вжигают при температуре 700—800° С. Если процесс серебрения проводят недостаточно тщательно, то может ухудшиться ТКЕ. Конденсаторы из керамики со средним значением диэлектрической проницаемости изготовляют в основном из двуокиси титана (ТiO3) или из ее производных — титанатоп щелочноземельных металлов (МТiO3). При изготовлении конденсаторов ЭТОГО тина, кроме обычных методов производства керамических изделий с применением окислительной среды, пользуются частичным восстановлением; при этом необходимо более тщательно контролировать температуру. Для изготовления конденсаторов с высокой удельной емкостью применяют смесь окислов бария и титана, эквивалентную титанату бария (ВаТЮ4), с высокой диэлектрической проницаемостью (около 1 000—5 000 и выше). Этот состав резко 246 отличается по своим свойствам от титановой керамики, которая имеет среднюю величину диэлектрической проницаемости. Стеклянные конденсаторы имеют широкий диапазон рабочих температур (от —55 до +200° С), низкий коэффициент мощности, высокое сопротивление изоляции и более высокую электрическую прочность по сравнению, например, со слюдяными, особенно при повышенных температурах. Изменение емкости при колебаниях температуры у таких конденсаторов обратимо или циклично, а ТКБ очень мал. Применяются два способа изготовления стеклянных конденсаторов, которые применяют в зависимости от масштабов выпуска. В обоих случаях гибкую стеклянную ленту получают непрерывным выдавливанием. В дальнейшем технологический процесс ведут по двум схемам: 1) стекло нарезают на пластинки заданного размера, которые, чередуя с листами фольги, набирают вручную в многопластинчатые секции; i 2) стеклянную лепту и рулонную фольгу подают на автомат для механизированной сборки секций. В процессе сборки стеклянных пластинок и листков металлической фольги разнополярные обкладки сдвигают в противоположные стороны, за пределы стеклянной ленты. Выводы присоединяют к обкладкам точечной сваркой выступающих краев фольги с серебряной или луженой медной проволокой. Собранную секцию помещают между двумя стеклянными пластинками увеличенной толщины, размеры которых достаточны, чтобы перекрыть секцию со всех сторон. Затем эту секцию помещают в печь, где она спекается в монолитный блок. Электролитические конденсаторы. В конденсаторах этого типа в качестве диэлектрика используют тонкий слой оксидной пленки, нанесенной на алюминиевую или танталовую фольгу; вторым электродом является электролит. Эти конденсаторы отличаются самой высокой удельной емкостью и наименьшей стоимостью. Электролитические конденсаторы предназначены для работы в цепях с пульсирующим током для отфильтровывания пе247 ременных напряжений. В нормальном рабочем режиме они имеют постоянный незначительный ток утечки, который мри перегреве конденсаторов может повышаться до недопустимых значений, выводя конденсатор из строя. Емкость электролитических конденсаторов значительно снижается при понижении рабочей температуры. Выпускаются конденсаторы типа КЭ (конденсаторы электролитические), которые по способу крепления изготовляют в двух вариантах (КЭ-1аи КЭ-16); ЭГЦ (электролитические герметизированные цилиндрические), выполняемые также в зависимости от способа крепления в двух вариантах. Потребность в малогабаритных конденсаторах привела к появлению конденсаторов типа ЭМ (электролитические миниатюрные), выпускаемых в цилиндрическом корпусе. Особую группу малогабаритных конденсаторов образуют танталовые конденсаторы ЭТО (электролитические танталовые объемно-пористые). Аноды таких конденсаторов изготовляют из порошка методом спекания. На полученном пористом аноде при использовании жидкого электролита резко увеличивается фактическая площадь электрода. Танталовые конденсаторы при тех же рабочих температурах имеют меньшие размеры и вес, их легче применять на больших высотах, они меньше подвержены влиянию вибрации и влажной атмосферы, имеют малый ток утечки (5—10 мка) и небольшое уменьшение емкости с течением времени, обладают низкой индуктивностью.. Срок службы оксидного слоя сравнительно высок. Электролитические конденсаторы изготовляют из двух лент фольги: оксидированной и неоксидированной, между которыми помещают прокладку из бумаги или ткани, пропитанную электролитом. Основным процессом их изготовления является образование диэлектрической оксидной пленки на металлической поверхности электрохимическим способом. Металл, на который наносится оксидная пленка, служит анодом (положительным электродом) конденсатора; оксидная пленка является диэлектриком, а катодом (отрицательным электродом) служит электролит. 248 Электрический контакт между электролитом и оксидной пленкой осуществляется через промежуточный слой фольгированного металла. Если в качестве электрода используется алюминиевая фольга, ее поверхность бывает гладкая или травленая. Травление увеличивает площадь поверхности электрода, что позволяет увеличить емкость при том же объеме. Фольгу подвергают электрохимической обработке для получения пленки окиси алюминия. Эта пленка чрезвычайно тонка. Она имеет диэлектрическую постоянную = 7 ÷ 10 и эквивалентную электрическую прочность в 10 Мв/см. Эту операцию называют формованием электрода конденсатора. Толщина образующейся оксидной пленки зависит от напряжения на зажимах гальванической ванны. Рабочее напряжение конденсатора всегда несколько ниже, чем напряжение формования. Чем тоньше пленка, тем большую емкость конденсатора можно получить в корпусе данного размера и тем ниже будет его рабочее напряжение. Между лентами оксидированной и неоксидированной оксидной фольги помещают бумажные прокладки. Это делается дли того, чтобы предотвратить возможность короткого замыкания между анодной и катодной лептами, которое может произойти из-за шероховатости поверхности фольги и наличия заусенцев на краях ленты. Кроме того, бумага впитывает электролит и, таким образом, обеспечивает равномерный и плотный контакт со всей поверхностью травленой анодной ленты в течение всего срока службы конденсатора. Катодная лента служит исключительно для обеспечения электрического контакта с электролитом, который по существу и является катодом электролитического конденсатора. Затем ленту фольги с бумажными прокладками свертывают в виде цилиндра, помещают в корпус, пропитывают и герметизируют. Выводы делают от обеих лент фольги. 249 9.3. Изготовление конденсаторов переменной емкости Конденсаторы переменной емкости (рис. 9.3) предназначены для тех узлов аппаратуры, где необходимо периодически плавно изменять величину емкости, Наиболее распространены такие конденсаторы, у которых подвижная группа пластин при повороте оси входит в воздушные зазоры между пластинами неподвижной группы (рис. 9.3, а). Они отличаются большой точностью регулировки величины емкости, высокой стабильностью и незначительными потерями. Благодаря этому их широко применяют для настройки высокочастотных колебательных контуров. Выпускаются также конденсаторы переменной емкости с твердым диэлектриком, помещенным между пластинами. Эти конденсаторы используют в основном как подстроечные. По характеру изменения емкости в зависимости от угла поворота оси, что определяется той или иной формой пластин, конденсаторы разделяют на четыре вида: прямоемкостные, прямоволновые, прямочастотные и среднелинейные (логарифмические). У прямоемкостных конденсаторов с полукруглыми подвижными пластинами емкость изменяется пропорционально углу поворота оси. Их используют редко, главным образом в измерительной аппаратуре. Прямоволновые конденсаторы имеют несколько иную форму пластин; они позволяют изменять длину волны колебательного контура пропорционально углу" поворота оси. Эти конденсаторы также применяют редко. Более широко используют прямочастотные конденсаторы, дающие равномерное изменение частоты контура по диапазону, а также среднелинейные конденсаторы, у которых процентное изменение емкости, приходящееся на градус, поворота оси, остается постоянным в любом месте шкалы. Это обеспечивает одинаковую точность отсчета по всей шкале и значительно облегчает изготовление спаренных конденсаторов на одной оси. Конденсаторы переменной емкости, устанавливаемые в радиовещательных приемниках, обычно имеют функцию изменения емкости, близкую к среднелинейной. 250 Рис. 9.3. Конденсаторы переменной емкости: а – одинарный; б – спаренный. Для радиоаппаратуры широкого применения изготовляют одинарные конденсаторы и блоки спаренных (два конденсатора на одной оси — см. рис. 9.3, б) и строенных конденсаторов переменной емкости с воздушным диэлектриком. Минимальная емкость (подвижные пластины полностью выведены) таких конденсаторов лежит в пределах 10—17 пф, а максимальная (пластины полностью введены) — в пределах 450—540 пф. Сопротивление изоляции менаду группами подвижных и неподвижных пластин конденсатора при любом повороте его оси должно быть не менее 200 Мом. В радиоаппаратуре с ультракоротковолновым диапазоном устанавливают конденсаторы, емкость которых при повороте оси на угол от 0 до 180° изменяется примерно от 8 до 20 пф. Подстроечные конденсаторы применяют для точной фиксированной подстройки емкости в цепях высокой частоты, чаще всего в колебательных контурах. Для этого одну из обкладок или группу обкладок делают подвижной по отношению к другой, неподвижной обкладке (рис. 9.4). Обычно такие конденсаторы обладают сравнительно небольшими пределами изменения емкости, конденсаторы этого типа разделяют на две основные группы: воздушным и твердым диэлектриком. Воздушные конденсаторы выпускают двух основных видов: плоские и цилиндрические. Из подстроечных конденсаторов с твердым диэлектриком наиболее распространены керамические, которые в зависимости от конструкции разделяются на два вида: плоский поворотный и цилиндрический. 251 Рис. 9.4. Полупеременный конденсатор Промышленность выпускает подстроечные конденсаторы серии КПК (конденсаторы подстроечные керамические), предназначенные для работы в цепях постоянного и переменного токов. Статор этих конденсаторов представляет собой керамическое основание, на поверхность которого нанесен тонкий слой серебра, образующий сектор обкладки. Ротором служит керамический диск с таким же сектором. Емкость конденсатора изменяют поворотом диска. Конденсаторы переменной емкости могут иметь следующие неисправности: пробой, замыкание пластин, утечки, изменение номинального значения емкости. Пробой конденсатора может быть вызван чрезмерным повышением напряжения, в результате чего происходят пробой изоляции и короткое замыкание между обкладками. Замыкание пластин, чаще всего встречающееся в воздушных переменных конденсаторах, происходит в результате их деформации. Утечки появляются вследствие повышенного их нагрева конденсатором, из-за чего снижается сопротивление изоляции и конденсатор начинает пропускать постоянный ток. Номинальное значение емкости может измениться вследствие длительной работы конденсатора или при колебаниях температуры окружающей среды. Собранные конденсаторы могут иметь такие дефекты: соприкасание роторных и статорных пластин, наличие продольного (аксиального) и поперечного (радиального) зазоров оси роторной системы, в токосъемниках и других конструктивных элементах, неплавный ход ротора при его вращении, отсутствие смазки в подшипниках и подпятниках. 252 10. ТЕХНОЛОГИЯ ОБЪЕМНОГО МОНТАЖА РАДИОАППАРАТУРЫ 10.1. Общие сведения о блок-схемах, принципиальных и монтажных схемах Чтобы дать наглядное представление о радиотехническом устройстве, его изображают в виде условных чертежей-схем. Блок-схема, или, как ее еще называют, скелетная схема, дает только самое общее представление о радиоаппаратуре, о ее основных узлах и их функциях. Блок-схема состоит из прямоугольников (или кругов), которые изображают крупные части аппарата, иногда имеющие в своем составе несколько каскадом с электронными приборами. В прямоугольниках делают надписи поясняющие назначение каждого блока, или проставляют условные наименования деталей, характерных для данного блоки Прямоугольники соединяют линиями, которые показывают, с какими блоками взаимодействует данный блок. Типовая блок-схема радиотехнического устройства показана на рис. 10.1. Блоки, постоянно участвующие в работе изделии и постоянно действующую взаимосвязь изображают сплошными линиями, а блоки специального назначения, периодически участвующие в работе изделия, и взаимосвязь переменного характера — пунктирными линиями. Механическую связь между блоками указывают двойными линиями. В зависимости от сложности радиотехнического устройства и целевого назначения блок-схемы выделяют в отдельные блоки, различные части конструкции. Принципиальная электрическая схема служит для подробного отображения электрических принципом работы и связей элементов изделия. Схема является исходным материалом при конструировании, составлении электромонтажных схем и изучении изделия, а также используется совместно с электромонтажными схемами при монтаже, регулировке и эксплуатации изделия. 253 Рис. 10.1. Типовая блок-схема радиотехнического устройства На принципиальной схеме условными обозначениями показывают все элементы, которые определяют принципы электрической работы изделия и все цепи электрических связей. Элементы, устанавливаемые в изделии для удобства монтажа или по конструктивным соображениям (например, клеммные платы, штепсельные разъемы, сальники), как правило, на схеме не изображают. На схеме также не указывают монтажные данные изделия, например марки и сечения проводов, номера клемм и клеммных плат внутреннего монтажа и т. п. Чтобы упростить чтение принципиальной схемы, иногда группы отдельных линий сливают в общие линии. Такое слияние исполняют по радиусам. Сливающиеся линии на обоих концах нумеруют одинаковыми условными порядковыми номерами. Условные обозначения элементов, совместно решающих в изделии определенные задачи, на схеме группируют в одном месте вне Зависимости от их размещения в изделии (например, группы задающих и принимающих синхронных передач, элементы усилительных, выпрямительных сигнальных устройств). Эти группы при необходимости выделяют условными очертаниями (штрих-пунктиром), указав их наименование или обозначение. Условные обозначения в группах и сами группы на схеме располагают таким образом, чтобы схему можно было читать 254 последовательно, а линии, соединяющие условные обозначения элементов, имели минимальное число пересечений. Условным очертанием групп (блоков) придают определенные размеры (например, одинаковые по высоте и различающиеся по ширине), чтобы удобно было размещать их рядами, показав в промежутках между ними линии электрических связей. Элементы на схеме изображают в следующих состояниях: выключатели — в выключенном положении, переключатели — и выключенном или наиболее характерном для них рабочем положении, реле, контакторы, электромагниты — в положении при отсутствии напряжения, контактные приспособления — в нейтральном положении, ограничители в положении, соответствующем нормальной работе устройств, контакты, замыкаемые или размыкаемые механически, в положении при отсутствии механических воздействий, реостаты и потенциометры — в наиболее характерных положениях при нормальных условиях работы устройств. Если в элементе имеется несколько различных по назначению обмоток, изображаемых в условных обозначениях одинаково (например, обмотки трансформаторов), то на схеме делают надписи, указывают напряжения, на которые эти обмотки рассчитаны, и указывают номера выводных клемм. В случае необходимости в характерных точках схем радиотехнических устройств изображают условными знаками формы напряжения (импульсов), указывают их величины или вычерчивают осциллограммы. Для органов управления и контроля (например, для переключателей, измерительных приборов, индикаторных ламп, контрольных гнезд, регулируемых сопротивлений) указывают их назначение или использование в соответствии с надписями, помещенными па наружных стенках радиоаппаратуры. В качестве основного способа позиционных обозначений элементов на схеме приняты буквенные символы с порядковыми номерами элементов в виде цифрового индекса (рис. 10.2, а). Для многоприборных (многоблочных) систем порядковые номера элементам присваивают в пределах данного прибора 255 (блока), указывая после буквенного обозначения элемента номер прибора и через тире порядковый номер элемента в данном приборе (рис. 10.2, б). Позиционные обозначения элементов проставляют на схеме около их графических изображений с левой стороны элемента или над ним. Линии заземления цепей графически сводят к общей линии (линии нулевого потенциала «земля»). 15 сложных схемах с большим числом линий связей допускается проставлять знаки «корпус» или «земля» около обозначений отдельных элементов. Цепи накала ламп показывают полностью. Только в сложных схемах допускается обрывать линии цепей накала, снабжая их стрелками и указаниями о пунктах подключения. В схеме отражают экранировку проводов, элементов, блоков и приборов. Рис. 10.2. Примеры обозначений элементов на принципиальной схеме Линии электрических цепей элементов, выходящие из изделия, на которое составляется схема, обрывают на нолях схемы и снабжают таблицами с указанием данных внешнего монтажа изделия. Для каждой выходной клеммной платы или штепсельного разъема изделия приводят отдельную таблицу и снабжают ее позиционным обозначением. 256 На рис. 10.3 показана часть принципиальной схемы удьтразвуковолнового радиоприемника. Все условные изображения элементов обозначены номерами. Пронумерованные элементы схемы заносят в таблицу, называемую перечнем элементов, где указывают назначение, тип и электрические данные деталей, входящих в схему. В качестве образца часть перечня элементов принципиальной схемы, показанной на рис. 10.3, приведена в таблице. Принципиальные схемы не дают сведений о конструктивных особенностях многих деталей, их расположении на шасси, форме и размерах шасси и т. п. Поэтому наряду с принципиальными схемами выполняют полумонтажные и монтажные, которые помогают построить изображенный на принципиальной схеме радиоаппарат. Полумонтажная схема дает полное представление о том, какие детали входят в состав изделия и как они в действительности соединены одна с другой. Если на принципиальной схеме взаимосвязь между отдельными элементами схемы изображена без указания реальных точек подсоединения монтажных проводов, то на полумонтажной схеме все соединительные провода, колодки с зажимами и прочие места подсоединения монтажа пронумерованы и связаны между собой так, как они связаны в реальной конструкции. Кроме того, на полумонтажных схемах приводят основные данные о проводах, кабелях, фидерах и шинных соединениях, служащих для электрического соединения деталей конструкции. Однако о реальном взаиморасположении отдельных деталей полумонтажная схема не дает представления. Она является переходной ступенью между принципиальной и монтажной схемами. Типовая полумонтажная схема показана на рис. 10.4. 257 Таблица Перечень элементов принципиальной схемы приемника Назначение в схеме Лампа сверхгенератора Лампа усилителя низкой частоты 18 Конденсатор подстроечный 19 Конденсатор блокировочный в цепи экранирующей сетки лампы сверхгенератора 20 Сопротивление автоматического напряжения смещения на управляющей сетке лампы свергенератора 16 17 Тип Номинальная величина Отклонение от номинала, % № детали по схеме УКВ. Рабочее напряжение или мощность 2Ж27 2Ж27 - - - - 2,8-4,5 пф ±10 1000 в КБГИ 4700 пф ±20 200 в ВС-0,25 510 000 ом ±5 0,25 вт 258 Рис. 10.3. Часть принципиальной схемы приемника УКВ Монтажную схему применяют в качестве технологического документа при монтаже радиоаппаратуры в серийном и массовом производстве. Монтажные схемы составляют в соответствии с действительным расположением электрических элементов и монтажных проводов в изделиях, указывая необходимые сведения о выполнении монтажа. Существуют два способа составления монтажных схем: конструктивный и условный. При конструктивном способе все электрические элементы, монтажные провода, жилы кабелей и кабели изображают упрощенными очертаниями. Такие схемы не отражают путей прохождения токов в элементах и применяются совместно с принципиальными электрическими схемами. Конструктивным способом пользуются в тех случаях, когда необходимо точно показать взаимное расположение электрических элементов и монтажных проводов в изделиях. При условном способе все электрические элементы, монтажные провода, жилы кабелей и кабели изображают с помощью условных обозначений и линий. 259 Рис. 10.4. Типовая полумонтажная схема Схемы, составленные этим способом, показывают пути прохождения токов в элементах и могут применяться независимо от принципиальных электрических схем. Условное отображение взаимного расположения монтажных проводов и элементов на схеме обеспечивает идентичность электрического монтажа. Если в изделии необходимо иметь вполне определенное взаимное расположение монтажных проводов и элементов, то составляют условным способом специальный конструкторский чертеж монтажа этого изделия или его части, где указывают конструктивное размещение и крепление электрических элементов, а также способы укладки, заделки и присоединения Проводов к клеммам. Такой чертеж служит дополнением к монтажной схеме, выполненной условным способом. Для обозначения монтажных проводов в схемах принята порядковая цифровая нумерация двойными номерами. Первый по порядку номер присваивают каждой электрической линии, имеющей один и тот же потенциал, второй номер — каждому проводу, принадлежащему одной и той же электрической линии, например 1-1; 1-2; 1-3 и т. д.; 2-1; 2-2, 2-3 и т. д. (рис. 10.5). 260 Рис. 10.5. Обозначения проводов на электромонтажных схемах, выполненные условным (а) и конструктивным (б) способами Номера проводов на схеме указывают около обоих концов каждого провода. Короткие провода иногда обозначают только в одном месте, а короткие перемычки из голого провода или пластин часто совсем не нумеруют. Если в каждой электрической линии содержится лишь по одному проводу, то последние обозначают на схеме только номером линии. Провода, присоединяемые к одной клемме, имеют одинаковые номера (рис. 10.6). Рис. 10.6. Обозначение проводов, подсоединяемых к одной клемме, на электромонтажной схеме 261 Жилы кабелей обозначают на электромонтажной схеме одинарными порядковыми номерами для каждого кабеля, начиная с первого номера. Номера кабелям присваивают в соответствии с их нумерацией следующей последовательности: кабели общего назначения, высокочастотные кабели, прочие кабели специального назначения. Номер кабеля вписывают в окружность, размещаемую на изображенном конце линии кабеля, или же показывают на выноске (для конструктивного способа). Вдоль линии кабеля, рядом с его номером, указывают марку кабеля, количество и сечение жил, а также число занятых жил в кабеле (записывают в квадратной рамке). Пример обозначения кабеля и жил для схемы, выполненной условным методом, приведен на рис. 10.7. Рис. 10.7. Обозначение кабеля и его жил на схеме, выполненной условным способом В углу электромонтажной схемы помещают спецификацию показанных на ней элементов. Спецификацию размещают над основной надписью и заполняют снизу вверх. Форма соответствует спецификации сборочного чертежа. 10.2. Основные технические требования к монтажу Для успешного монтажа радиоприбора необходимо ознакомиться с правилами выполнения монтажных работ, а также их технологическими особенностями. Необходимо знать, в каких условиях будет работать данный прибор, чтобы обеспечить 262 удобство его ремонта при эксплуатации и замены отдельных деталей, а также проверки работы цепей и блоков. Любой радиоприбор должен быть изготовлен в соответствии с требованиями чертежей и технических условий. Разработанный технологический процесс производства является законом для исполнителя. К монтажу радиоприборов предъявляют повышенные требования, так как от качества монтажа зависит соблюдение заданных выходных параметров, гарантирующих надежную работу прибора. Монтаж производят в строгом соответствии с данным технологическим процессом, соблюдая следующий общий для всех радиоприборов порядок выполнения монтажа: 1) монтаж расшивочных панелей, переключателей и других обособленных узлов (до их установки на шасси прибора); 2) монтаж перемычек из голого провода; 3) монтаж одиночных проводов; 4) установка на шасси заранее смонтированных узлов и монтаж проводов, идущих от этих узлов; 5) укладка жгута на шасси и монтаж его проводов; 6) монтаж навесных радиодеталей (резисторов, конденсаторов и др.). В зависимости от технологической целесообразности можно частично изменять порядок выполнения монтажа. Обычно для межузловых, межблочных и межприборных соединений, а также для релейных и низкочастотных устройств (цепей) используется мягкий многожильный провод, увяванный в жгуты. Для навесного монтажа и монтажа на платах с лепестками, шпильками и пистонами используют луженый или посеребренный одножильный провод. При монтаже проводов изоляцию с кабелей (с их концов) удаляют специальным инструментом либо в приспособлении, исключающем надрез жил или отдельных проволок. Концы наружной текстильной оплетки проводов предохраняют от разлохмачивания и сползания. 263 Экранирующую оплетку монтажных проводов, если ее длина не превышает 100 мм, присоединяют к корпусу шасси в одной точке, а при длине ее выше 100 мм — в двух точках, с обоих концов (кроме случаев, особо оговоренных в чертежах). Такую оплетку заделывают я подпаивают к ней провод заземления способом, исключающим повреждение (прожог) изоляции проводов. Край экранирующей оплетки провода должен отстоять от места среза изоляции на расстоянии, равном 10—25 мм, в высоковольтных цепях с напряжением 2 000—3 000 в это расстояние должно быть 20—25 мм. Нелуженые токоведущие жилы проводов и кабелей перед лужением очищают от окисной пленки. С контактными лепестками монтажные провода надо соединять без натяжения, оставляя запас для возможной повторной зачистки и соединения (7 -10 мм для каждого конца). Не допускается наращивать провода путем скручивания и последующей пайки. Их соединяют между собой, а также с выводами навесных радиодеталей только с помощью переходных (опорных) планок или лепестков. К одному контактному лепестку присоединяют не более трех проводов, считая выводы навесных деталей. К контактным лепесткам стеклянных герметизированных выводов подключают не более двух проводов общим сечением не более 1 мм2. Заделанные в стекло и керамику жесткие выводы радиодеталей в процессе монтажа не отгибают. Концы монтажных проводов с многопроволочной жилой, подключаемые к зажимным контактам, заделывают в кабельные наконечники. Облуженные жилы монтажных проводов, закрепляемые в кабельные наконечники, плотно обжимают специальными щипцами (круглогубцами с выточками в губках по диаметру сечения наконечника). После удаления излишка жилы и пайки на наконечниках надвигают полихлорвиниловую трубку. Под один зажимный контакт подключают не более трех проводов, армированных кабельными наконечниками. Между кабельным нако264 нечником и изолирующей платой, а также под крепящую гайку или головку винта зажимного контакта прокладывают шайбы. К лепесткам панелей пальчиковых ламп и другим «плавающим» лепесткам провода присоединяют, вставив в панели шаблоны, фиксирующие лепестки в правильном положении. Монтажные соединения длиной до 30 мм можно выполнять голым медным проводом. Голые провода, применяемые при монтаже, должны быть луженые или иметь серебряное покрытие. Наименьшие допустимые расстояния между голыми проводами и шасси в зависимости от рабочих напряжений особо указывают в технологических картах. Ниже приведены типовые значения: Напряжение, в .................................……...до 127 220 380 500 Наименьшее допустимое расстояние, мм 3 5 7 9 Перемычки из голого провода и выводы навесных радиодеталей изолируют хлорвиниловыми трубками только в тех случаях, если возможно замыкание между ними или с соседними токонесущими поверхностями, что должно быть отражено в конструкторской документации. Заземляющие перемычки могут быть выполнены голым проводом любой длины при условии, что они не могут вызвать замыкание монтажа. Не следует применять жесткие провода для присоединения к контактным лепесткам деталей, которые могут взаимно смещаться при вибрации и ударах, а также любых деталей к плавающим контактным лепесткам. Монтажные одиночные провода, а также выводы навесных электроэлементов в местах присоединения перед пайкой механически закрепляют. Соединения проводов между собой, проводов с выводами навесных элементов выполняют только с помощью опорных промежуточных контактов (опорных изоляторов, клеммных плат, лепестков и т. п.). Монтажные провода не должны иметь повреждений изоляции. Восстанавливать ее с помощью изоляционной лепты или лака не разрешается. 265 Не допускается применять монтажные провода с наружной резиновой изоляцией вблизи посеребренных поверхностей. Монтажные соединения между контактами, имеющими взаимное перемещение, выполняют из гибкого монтажного провода с провесом, исключающим их натяжение при наибольшем расстоянии между контактами. Провода не должны лежать на острых ребрах шасси и кромках отверстий, иначе возможно повреждение изоляции. Обычно провода имеют запас по длине 20—25 мм для выполнения повторного закрепления концов при обрыве. Натягивать провода (кроме перемычек из голого провода) при монтаже нельзя. Радиусы изгиба проводов и кабелей, прокладываемых по месту, берут равными не менее двукратной величины наружного диаметра провода. Чтобы предохранить монтажные провода от повреждения, на губки пинцета, применяемого для гибки и укладки проводов, надевают отрезки полихлорвиниловых трубок. Концы проводов закрепляют так, чтобы маркировочные знаки были обращены наружу. Провода жгута подключают в соответствии с маркировкой, расцветкой и длиной их концов Если возникают сомнения в правильности соединений, провода проверяют и находят нужные концы с помощью пробника. Соединения выполняют только при полной уверенности в их правильности. Необходимо следить за тем, чтобы зазор между деталями (например, остеклованными резисторами) и подвижными частями блоков составлял не менее 5 мм. Монтаж, расположенный в непосредственной близости от сильно нагревающихся деталей, выполняют проводами с теплостойкой изоляцией. Хлопчатобумажная изоляция проводов не должна соприкасаться с неизолированными элементами монтажа (жилами проводов, контактными лепестками). Если экранированные провода могут касаться неизолированных участков схем, то па них надевают изолирующие трубки. Установку на шасси смонтированных узлов радиоприбора и монтаж проводов, идущих от этих узлов, следует производить после полной механической сборки и проверки всех монтируе266 мых элементов схемы и надежности их механического крепления. Если при монтаже технологией предусмотрены механические работы (сверление, нарезание резьбы и т. п.), то должна быть устранена всякая возможность засорения прибора металлическими стружками и пылью. В процессе электрического монтажа необходимо принимать меры против попадания обрезков проводов в радиоприборы, а по окончании монтажа весь прибор должен быть очищен от остатков монтажных материалов и пыли. Очистку производят продувкой очищенным сжатым воздухом или очисткой его пылесосом. При наличии в приборах узлов, содержащих шариковые подшипники, зубчатые передачи, волноводные тракты, имеющие открытые полости, очистку производят кисточкой или тампоном из протирочного материала, увлажненного спиртом. Два или более монтажных провода (в том числе экранированных) увязывают в жгут. Перед каждым ответвлением проводов от жгута делают петлю вязки. Узлы ниточных петель жгутов, вязанных на шаблоне, располагают на нижней стороне жгута (обращенной к шасси). Провода цепей питания переменного тока (частотой 50 и 400 гц) свивают попарно по всей длине до укладки в жгут. Жгуты не должны лежать на деталях крепления (гайках, винтах, скобах) и затруднять доступ к ним. Все навесные радиодетали, поступающие на монтаж, предварительно маркируют в соответствии с их схемными обозначениями. 10.3. Методы монтажа радиоаппаратуры Существующие в настоящее время методы монтажа радиоэлектронной аппаратуры можно свести к двум основным видам: проволочный монтаж и печатный монтаж. Под монтажом в этом случае понимают соединения между собой различных элементов данного устройства или аппарата электропроводными линиями (монтажными проводами). 267 Различные виды проволочного монтажа, при котором в качестве соединений используют проволочные или монтажные выводы деталей и специальные соединительные проводники, в настоящее время занимают значительно меньший объем в современной РЭА. Радиус изгиба монтажных выводов навесных деталей выбирают не меньше удвоенной величины их диаметра (толщины). Резкие изгибы выводов и изгибы вровень с корпусом детали не допускаются. Длину выводов навесных резисторов и конденсаторов от их корпуса до места пайки берут 8—15 мм. Выводы полупроводниковых приборов изгибают и паяют на расстоянии не менее 10 мм от их корпуса, обеспечивая достаточный теплоотвод во избежание перегрева приборов. Длину обоих выводов радиодеталей после их закрепления берут по возможности одинаковой. При монтаже полупроводниковых триодов их базовый контакт подключают первым. Поляризованные детали (полупроводниковые диоды всех типов ДГ-Ц, электролитические конденсаторы) монтируют, соблюдая полярность их выводов. Навесные детали удаляют друг от друга и прочих токонесущих поверхностей на расстояние не менее чем 2 мм. Если предусмотрено покрытие монтажа влагостойким лаком, это расстояние может быть уменьшено. В условиях тесного монтажа на детали надевают изолирующие трубки. Контактные лепестки прецизионных и остеклованных сопротивлений при монтаже отгибать запрещается. Навесные детали монтируют так, чтобы надписи номиналов и маркировки были хорошо видны, а при монтаже на расшивочных панелях — обращены в одну сторону. Монтажные провода, жгуты и навесные детали не должны заслонять маркировочные знаки. Пайка монтажных соединений должна обеспечивать надежность электрического контакта и необходимую механическую прочность соединений. Законченный электромонтаж тщательно очищают от загрязнений. 268 Непрерывное усложнение электронных схем и растущая потребность в аппаратуре делают навесной монтаж рентабельным только в мелкосерийном производстве и при изготовлении аппаратуры с высокими мощностями рассеяния, имеющей разнородные, часто нестандартные и тяжелые детали. Проволочный монтаж радиоэлектронной аппаратуры является весьма трудоемкой операцией. Он поглощает около 60% труда, затрачиваемого на изготовление изделия в целом. Попытки частично или полностью механизировать рабочие операции соединений в электронной аппаратуре с проволочным монтажом не дали положительных результатов. Механизировать навесной монтаж удается только с помощью монтажных автоматов, где соединение проводников осуществляется скручиванием. При этом проводка получается слишком сложной, и во многих случаях ручной монтаж оказывается значительно дешевле механизированного. Методы проволочного монтажа радиоэлектронной аппаратуры разделяют на проволочный навесной, проволочный колончатый и проволочный бескаркасный монтаж. Проволочный навесной монтаж применяют при изготовлении аппаратуры способом ручной сборки на металлических шасси, каркасах, основаниях и т. п. Монтаж производят в основном выводами деталей. Монтажный провод используется только для цепей питания и межблочных соединений. Выводы от точек схемы выполняют проводниками такой длины, которая достаточна для их соединения с другими точками схемы. Мелкие сопротивления и конденсаторы с проволочными выводами закрепляются на выводах-лепестках других деталей. Несмотря на некоторую «архаичность» такого метода, он может дать в ряде случаев значительное повышение надежности, так как число переходных контактов при этом способе минимально, он может дать значительный эффект при мелкосерийном изготовлении аппаратуры Повышенной плотности компоновки. 269 Наибольшая плотность, которая может быть получена при навесном монтаже, не превышает 300 элементов на 1 дм3. Проволочный колончатый монтаж был разработан в связи с требованиями современной электроники. Он позволяет значительно увеличить плотность монтажа элементов, повысить надежность электронной аппаратуры и ее устойчивость к вибрации и ударным нагрузкам. При колончатом монтаже электрорадиоэлементы монтируются на двух изоляционных платах, которые жестко крепятся между собой при помощи двух или большего числа колонок или скоб. Методом колончатого монтажа могут быть выполнены различные функциональные узлы и блоки. После сборки и электрических испытаний узлы, как правило, герметизируют. При использовании стандартных миниатюрных элементов плотность монтажа в функциональных узлах достигает 4 тыс. элементов в 1 дм3. Разновидностью колончатого монтажа является и так называемый метод сварных модулей. Он нашел широкое применение при изготовлении цифровых вычислительных машин, где имеются десятки идентичных элементов. Используя стандартные сверх- миниатюрные элементы в сварных модулях, можно получить плотность монтажа до 10 тыс. элементов на 1 дм3. Проволочный бескаркасный монтаж, по мнению зарубежных специалистов, является наиболее совершенным видом обычного проволочного монтажа. К проволочному бескаркасному монтажу можно отнести метод свертывания узла из плоской в трехмерную конструкцию. В этом случае узел первоначально монтируется на изоляционной перфорированной плате с шагом 2—4 мм. В необходимых местах платы вложены специальные монтажные пистоны. После выполнения всех необходимых паек узел вынимают вместе с монтажными пистонами из кондуктора перфорированной платы и проверяют на функционирование. Затем он сворачивается в трехмерную конструкцию, еще раз проверяется и заливается пластмассой. 270 Получается очень плотно скомпонованная конструкция с высокой механической прочностью. Этим способом можно добиться получения самых высоких значений kvзап для узлов с проволочным монтажом при относительно малых затратах и простоте технологического процесса. Печатный монтаж (или печатная схема). При изготовлении радиоэлектронной аппаратуры методом печатного монтажа соединительные проводники наносят на изоляционные основания (платы). В плату можно вставлять, впаивать или наносить методом печати активные и пассивные элементы, объединяющиеся в печатную схему. Печатный монтаж по сравнению с проволочным монтажом обладает рядом преимуществ: 1) возможность механизированного изготовления печатных схем; 2) точное воспроизведение печатных схем, а следовательно, и монтажа аппаратуры; 3) значительное снижение веса и размеров электронной аппаратуры; 4) увеличение механической прочности и стабильности параметров аппаратуры; 5) повышение надежности аппаратуры; 6) упрощение ремонта и ухода за аппаратурой. В результате бурного развития техники печатных схем появилась возможность изготовлять методом печати электро- и радиоэлементы. Для печатных схем процесс пайки монтажа легко механизировать методами погружения, волной припоя и др. Радиоэлектронная аппаратура, выполненная способами печатного монтажа, обладает рядом преимуществ: лучшая ремонтоспособность аппаратуры; - уменьшение проводного монтажа и числа паяных соединений; - возможность применения широкой унификации и стандартизации функциональных схем; 271 - возможность использования микроминиатюрных радиоэлектронных устройств; - возможность применения высокой степени автоматизации производственных процессов. В настоящее время насчитывается несколько десятков различных промышленных способов изготовления печатного монтажа. Такое разнообразие было вызвано целым рядом причин, основными из которых являются: - различная степень технологической подготовленности заводов к внедрению печатного монтажа; - отсутствие достаточного количества фольгированных материалов; - большое количество требований, предъявляемых к радиоаппаратуре применяемых деталей, и частичное отсутствие унификации и типоразмеров. В отечественной и зарубежной практике в настоящее время наиболее широкое применение получили четыре способа получения печатных плат: химического травления, гальванического нанесения, временного основания и комбинированный. 10.4. Уплотненный монтаж обычных (навесных) элементов Разработчики радиоэлектронной аппаратуры изыскивают различные методы конструирования с применением существующих малогабаритных элементов. Обычно эти методы предусматривают модульный метод конструирования и разработку схем, в которых отсутствуют крупногабаритные элементы. Модульный метод конструирования означает, что основой конструкции устройства является некоторая стандартная по размерам, способу сборки и монтажа элементарная конструктивная ячейка — модуль. Наряду с этим ведется непрерывное усовершенствование малогабаритных элементов с целью уменьшить их размеры, по272 высить надежность и обеспечить возможность использования различных методов сборки. Существует несколько конструктивных видов модулей на обычных малогабаритных элементах, особенный интерес представляют плоские объемные модули. Плоские модули. Эти модули чаще всего выполняет на печатных платах унифицированных размеров. Площадь платы зависит не только от размеров навесных элементов, устанавливаемых на плате, но и от степени совершенства технологии печатного монтажа. Высота плоских модулей целиком определяется размерами элементов, причем зачастую один какой-нибудь элемент определяет высоту всего модуля или даже блока, если модули собирают в плоскую конструкцию. Широкое внедрение печатного монтажа и полупроводниковых приборов послужило основой для поисков новых методов конструирования электронной аппаратуры, пригодных как для промышленного (массового) производства, так и для лабораторного изготовления экспериментальных моделей. Обычно печатные схемы почти точно воспроизводят рисунок монтажных схем, которые служат для них моделями. На ранней стадии развития модульного конструирования были приняты международные стандартные модули, собранные на основной плате со стандартными отверстиями для выводов элементов, имеющими диаметр 1,3 мм. Исследования показали, что рациональное конструирование при использовании таких стандартных плат основано на выборе формы соединительных проводов, на решении вопроса об оптимальном размещении элементов. Конструирование начинают с размещения более крупных элементов, затем производят монтаж элементов меньших размеров и, наконец, наиболее гибких элементов и соединительных проводов. При рациональном размещении элементов могут быть получены достаточно компактные схемы. Проводились исследования по использованию вычислительных машин для решения задач выбора оптимального варианта размещения элементов на стандартной плате. Оказалось, что такое решение возможно, но использование современных 273 вычислительных машин потребовало бы составления слишком длинных программ, что пока нецелесообразно. Однако дальнейшее развитие вычислительной техники, без сомнения, сделает этот метод конструирования как технически, так и экономически перспективным. Широкое внедрение стандартных элементов, а в области применения печатных схем — универсальных плат нового типа значительно упростит и удешевит конструирование электронной аппаратуры как на стадии изготовления экспериментального образца, так и в процессе их серийного производства. Объемные модули. Среди ряда конструкций объемных модулей наибольший интерес представляют те, в которых элементы устанавливаются вертикально вплотную друг к другу и каким-либо способом соединяются в плоскости расположения выводов. Эти конструкции позволяют получить наибольшую плотность монтажа при создании модулей и блоков, состоящих из однотипных элементов с осевыми выводами (например, диодные и резисторные матрицы и пр.). Применяют несколько вариантов конструктивного выполнения таких модулей. В одном из вариантов элементы располагают между двумя печатными платами и соединяют с ними при помощи пайки. Спаянный и проверенный модуль заливают компаундом, что при дает ему механическую прочность и позволяет обойтись без дополнительных креплений. Разновидностью этой конструкции являются сварные модули. Метод конструирования электронной аппаратуры с применением сварных модулей позволяет уменьшить размеры и вес электронного оборудования на 75% и более даже при использовании обычных элементов. Новый метод хорошо подходит для конструирования цифровых вычислительных машин, где имеются десятки идентичных элементов, в каждом из которых используются транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы. Предполагают, что он может найти широкое применение также для изготовления авиационной электронной аппаратуры, когда элементы монтируют между 274 двумя печатными панелями так, что получается как бы трехслойная конструкция. Процесс изготовления сварных модулей заключается в следующем. Транзисторы приклеивают друг к другу торцами так, чтобы их выводы были направлены в противоположные стороны. Затем вместе с резисторами и конденсаторами их помещают между двумя топкими лептами из майлара с отверстиями для выводов. Эти ленты служат как бы оправой для монтажа подобно печатным платам (отличие состоит в том, что ленты не несут соединительных проводников). Для выполнения необходимых соединений между элементами внутри каждого из них к соответствующим выводам приваривают тонкие никелевые ленты. Таким образом собирают стержень, состоящий из ряда элементов, еще не соединенных между собой. Выводы элементов, которые не должны больше иметь каких-либо других соединений, обрезают заподлицо С поверхностью никелевых лент. Чтобы изолировать внутренние соединения элементов, на стержень накладывают другую майларовую ленту с отверстиями для пропускания оставшихся выводов. Соединения между элементами производят с помощью двух майларовых лент, на каждой из которых нанесена сетка или матрица из никелевых проводников: вдоль ленты с одной ее стороны и поперек — с другой. В определенных местах ленты в соответствии с требуемыми соединениями между элементами делают отверстия для выводов, что позволяет сваривать продольные и поперечные проводники между собой и с выводами элементов. Конфигурация матрицы определяется функцией, выполняемой логическим стержнем (модулем). Те проводники матрицы, которые не должны быть соединены для выполнения определенной логической функции, обрезают и удаляют. После того как выполнены соединения между элементами, модуль, представляющий собой основную составную часть цифровой вычислительной машины, в принципе готов. Входные и выходные соединения логического стержня обеспечиваются продольными проводниками матрицы, которые 275 выводят на соедини тельную колодку, имеющуюся на одном или обоих концах стержня. В таком состоянии модуль готов к герметизации. Модули, заключенные в герметизированные корпуса, объединяют в блоки, из которых и создается вычислительная машина. В лаборатории контрольно-измерительных приборов Массачусетского технологического института разработан метод составления программ для цифровой вычислительной машины модели IBM-650, которая выдает информацию об оптимальном размещении элементов и их соединений в логические стержни. Полученная с помощью ЦВМ схема оптимального размещения элементов может быть сфотографирована, уменьшена и применена для печатания монтажной схемы матричных соединений на майларовой ленте. Используя при этом методе конструирования стандартные сверхминиатюрные элементы, можно достигнуть плотности монтажа по крайней мере 5 000 элементов на 1 дм3. Высокая плотность монтажа достигается не только для незначительного числа отдельных модулей, но и для всего оборудования, так как прямоугольная форма сварных стержней обеспечивает максимальное использование объема. Модуль, заключенный в герметизированный корпус, обладает исключительно большой механической прочностью. Матрицы, сваренные никелевой проволокой, ленты в двух плоскостях и тесно примыкающие к ним в третьей плоскости элементы действуют подобно армирующим стальным прутьям в железобетоне и образуют исключительно компактную, легкую конструкцию, имеющую большую прочность. При сборке группы стержней в общий блок прочность конструкции еще больше повышается. Для иллюстрации прочности сварной модульной конструкции можно сказать, что она продолжала работать без нарушения выходных характеристик в условиях вибрации — 50 g или синусоидальных колебаниях частотой 75—2 000 гц в течение 3 мин, причем процесс испытания периодически повторялся в течение 12 ч: удар — с ускорением 150 g в течение 11 мсек полуволной 276 синусоидального колебания или 1 000 g в течение 0*,5 мсек импульсом. Применение сварки вместо пайки, по-видимому, улучшит общую надежность аппаратуры. Испытания, проведенные к настоящему времени, подтверждают это предположение, но для определения наиболее оптимальных значений напряжения разряда, длительности импульса сварочного тока и формы электрода требуется дальнейшая экспериментальная работа. Технологический процесс при сварке значительно проще, чем при пайке, при этом не нужно высокой квалификации исполнителя. Кроме того, дефекты сварки обычно значительно легче обнаружить при осмотре, чем плохие соединения при пайке. Так как нагрев при сварке происходит в течение очень короткого времени, опасность повреждения чувствительных к воздействию температуры элементов, например транзисторов и диодов, значительно уменьшается. Это позволяет производить соединения элементов в непосредственной близости к их корпусам, т. е. уменьшить длину выводов, а следовательно, сэкономить объем и снизить общий вес аппаратуры. Замена поврежденных элементов сварного модуля, заключенного в герметичный кожух, невозможна. При выходе из строя хотя бы одного из элементов приходится заменять весь модуль. Даже до заключения сварного модуля в кожух довольно трудно заменить поврежденный элемент после установки и сварки матричной ленты. Поэтому элементы до монтажа подвергают тщательным испытаниям. В качестве примера конструкции вертикального модуля рассмотрим диодную матрицу, которая предназначена для преобразования четырех разрядов двоичного кода в один разряд десятичного. 277 Рис. 10.8. Принципиальная схема диодной матрицы Принципиальная электрическая схема матрицы показана на рис. 10.8. Каждой десятичной цифре соответствует определенная комбинация напряжений на четырех нарах входных шин. Выбор десятичной цифры определяется появлением нулевого потенциала на соответствующей выходной шине. В это время на всех остальных девяти выходных шинах имеется положительное напряжение. В отличие от обычного двоичного кода, имеющего значащие числа первых четырех разрядов 1—2—4—8, матрица преобразует двоичный код со значащими числами 1—2—3—6, что позволяет использовать меньше диодов. Как видно из схемы, матрица состоит из 28 диодов, 10 резисторов и должна иметь четыре пары входных шин, 10 выходных и шину нулевого потенциала. В матрице используются диоды типа Д9Ж диаметром 3 и длиной 9 мм и резисторы типа МЛТ-0,25 диаметром 2,5 и длиной 7 мм. 278 Рис. 10.9. Схема расположения элементов матрицы Вся схема может быть выполнена в виде объемного модуля. Диоды и резисторы располагаются вертикально в четыре ряда в шахматном порядке между двумя печатными платами. Схема расположения элементов модуля показана на рис. 10.9. Она выбрана с таким расчетом чтобы схема печатного монтажа на обеих платах была возможно проще. Мо дуль сконструировав так, что входными шипами и шинами ну левого потенциала являются вы воды самих элементов. Выходные шины расположены параллельно элементам и присоединены к печатному монтажу на верхней плате. Рис. 10.10. Конструкция модуля Конструкция модуля показа на рис. 10.10. Модуль залит компаундом (контур заливки по казан пунктиром), так что образовался прямоугольный монолитный 279 блок размерами 421215 мм. В объеме около 77,5 см3 размещено 38 обычных элементов и получена плотность монтажа около пяти элементов на 1 см3. Выводы модуля расположены в определенном порядке, что облегчает его коммутацию с другими узлами устройства. Разработан метод плотного монтажа радиоэлектронной аппаратуры с помощью сварных сотовых модулей. При этом используют литые металлические или пластмассовые корпуса блоков с отверстиями гнездами, выполненными при отливе или высверливанием, куда вставляют элементы схемы. Диаметр каждого отверстия соответствует размерам устанавливаемого элемента. Выводы элементов соединяют сваркой. После окончания монтажа и испытания схемы блок герметизируют. При отливке корпуса блока в нем предусматривают канавки для укладки соединительных проводов, чтобы предотвратить короткое замыкание между ними и не увеличивать общие размеры блока. В сотовых блоках можно применить элементы и нецилиндрической формы; для этого в блоках должны быть сделаны отверстия соответствующей формы. Сварные сотовые блоки можно собирать из интегральных микроэлектронных схем. Хотя ни сварной монтаж, ни сотовая конструкция не являются сами по себе новшеством, их объединение, как полагают, облегчит решение многих проблем изготовления сварных схем и повысит их надежность. В частности, новый метод обладает рядом преимуществ по сравнению с методом так называемого сварного монтажа («слоистого»), когда для крепления элементов используют тонкие ленты фибры. При слоистом сварном монтаже заменить вышедший из строи элемент после сборки и герметизации блока очень трудно. И сотовых сварных блоках такая замена производится довольно просто. Если для герметизации такого блока используется вулканизированная кремнийорганическая смола с низкой температурой плавления, то доступ к побежденному элементу может быть легко открыт, например, с помощью перочинного ножа. 280 При слоистом сварном монтаже соединения между лентами производят после установки всех элементов. При этом из-за большого количества выводов велика вероятность ошибки соединений. В сотовых блоках подсоединение элемента производится тотчас же после его установки в соответствующее гнездо блока: это уменьшает ошибки монтажа и улучшает доступ сварочных электродов к местам соединений, В конструкции слоистого тина расстояние между соседними элементами, которое определяет величину электрической емкости между ними, зависит от расположения осевых выводов каждого элемента, а оно подвержено значительным вариациям. В сотовой конструкции размещение элементов в каждом блоке можно произвести-с большой точностью, так как оно определяется расположением гнезд, заранее высверленных или полученных при литье корпуса. Герметизация сварных блоков слоистой конструкции может привести к появлению вредных механических напряжений в элементах. Это напряжения трудно обнаружить, в результате чего элементы быстро выходят из строя. В сотовой конструкции герметизацию в основном осуществляют до установки элементов в гнезда блока. При окончательной герметизации производят лишь заливку двух концов гнезда, благодаря чему не возникает механических напряжений и количество пустот сводится к минимуму. 10.5 Механизация и автоматизация заготовительных электромонтажных операций Подготовка монтажных проводов. Способ заготовки монтажных проводов зависит от размеров производства и марки провода, Резка монтажного провода. Монтажные провода, в том числе экранированные, разрезают на специальных автоматах, ножницами гильотинного типа, монтажными ножницами или кусачками. Длина заготовляемых проводов, перемычек, кабелей и изолирующих трубок должна соответствовать размерам, ука281 занным в технологической карте или в таблице заготовок. Сращивать провода и кабели из отдельных отрезков не допускается. Рис. 10.11. Приспособление для резки монтажных проводов: а — механизм зажима; б — схема работы При ручном способе заготовки длину проводов определяют по образцам или линейкой с делением. Длинные монтажные провода для межблочных кабелей режут на специальном приспособлении, отмеряющем необходимую длину провода, или вручную вытягиванием провода из бухты на требуемую длину, отмеренную заранее. В радиотехнической промышленности успешно применяют приспособление (рис. 10.11) для резки монтажных проводов с полихлорвиниловой изоляцией длиной от 30 до 200 мм. Приспособление устанавливается на станину токарного станка и приводится в движение от шпинделя последнего. Оно может быть быстро смонтировано и снято. Производительность приспособления определяется числом оборотов шпинделя станка (за один оборот шпинделя отрезается один кусок провода). Наиболее целесообразен режим 120 оборотов шпинделя в минуту. В трехкулачковый патрон (рис. 10.11, а) зажимают хвостовик 1, который с помощью шарнирного сцепления вращает вал 2. На вал плотно насажены ведущий диск 3 с полукруглой накатанной канавкой для протягивания провода, кулачковый диск 4 и 282 диск 7 с лимбом, по которому устанавливается длина отрезаемого провода. При вывернутых винтах 6 втулка 9, на которую насажены кулачковый диск 5 и диск 8 с риской, свободно сидит на валу 2. На левом конце коромысла 17 (рис. 10.11, б) установлен ролик 19, который постоянно прижимается к дискам пружиной 18. Пралевый конец коромысла шарнирно соединен с ножом 16. Нижнее коромысло 17 тягой 13 соединено с верхним коромыслом 12, на левом конце которого насажен прижимной ролик 11 с резиновым ободом. Ролики 10 служат для правки провода; для предотвращения изгиба при резке провод пропускают через трубку 14. При движении ролика 19 по ободу дисков 4 и 5 на участке с малым радиусом ролик 11, прижимая провод к диску 3, протягивает его и подает через трубку к плите 15. В это время нож 16 находится в крайнем нижнем положении. С переходом ролика 19 на участок с большим радиусом ролик IT отходит от диска 3. Нож отрезает кусок провода и остается в крайнем верхнем положении. Длину отрезаемого провода устанавливают по лимбу диска 7, поворачивая диск 8 при ослабленных винтах 6. Удаление изоляции с концов монтажного провода. При отсутствии специальных указаний в технологической карте изоляцию с концов монтажных проводов снимают на участке длиной 7— 10 мм. При удалении изоляции ножами или ланцетами могут быть подрезаны или повреждены токопроводящие жилы провода. Поэтому для снятия изоляции применяют специальные автоматы и приспособления. Способ удаления изоляции зависит от ее состава. С проводов марок МГВ, МГВЛ, МГВСЛ, ТМ-200, ПМВ, БПВЛ, МЦСЛ с пластикатовым пли хлорвиниловым слоем, прилегающим к жиле, изоляцию снимают на автомате одновременно с отмеркой и резкой. Исполнительными механизмами такого автомата управляет кулачок, профиль которого состоит из трех одинаковых кривых. 283 При повороте кулачка на 120° завершается один цикл работы. За полный оборот распределительного кулачка автомат выдает три мерные заготовки длиной 50—800 мм. Провод подается на заданную длину зачистки изоляции (от 15 до 70 мм) автоматически. Две пары вращающихся ножей прорезают изоляцию на установленную глубину с обоих концов отрезанного провода. Сматываясь с катушки 9 (рис. 10.12), монтажный провод через притормаживающие устройства 10 и 11 проходит между выпрямляющими роликами 12. Диск 7 и подпружиненный ролик 8 подают провод к зажимам 6 и 24. Кулачок 1 управляет зажимами с помощью упоров 17 т. 21. Муфта 15, периодически приводимая во вращение от кулачка, поворачивает подающий диск 7. Величину подачи провода регулируют рукояткой 13 и отсчитывают по шкале 14. После фиксации провода зажимами две пары вращающихся ножей 3 и 4, укрепленных на головке и приводимых в движение зубчатыми колесами 2 и 5, прорезают изоляцию до токонесущей жилы. Нож 20, получая возвратно-поступательное движение от кулачка 1 через механизм 19, отсекает провод. Количество полученных заготовок регистрируется счетчиком 18. При перемещении рам 23 и 22 изоляция снимается на участках между ножами 3 и 20; 4 и 20. При дальнейшем движении нижней рамы упор 16 открывает зажим 24, и готовый провод выталкивается в приемный лоток. Циклограмма работы автомата показана на рис. 10.13. Производительность его 1 200 заготовок в час. С проводов марок МГВ, МГВЛ, МГВСЛ, БПВЛ, ПВЛ, ПМВ изоляцию снимают на приспособлении с ножным приводом (рис. 10.14). 284 Рис. 10.12. Головка автомата для резки и зачистки монтажных проводов Провода марок МГВ, МГВЛ, БПВЛ, ПМВ, ПМОВ, ПМВГ, МГШВ, МПЛ, МОГ очищают от изоляции электрообжигом в приспособлении закрытого типа с соленоидным приводом (рис. 110.15, а) или электрощипцами (рис. 10.15, б). При пользовании приспособлением конец провода вводят в отверстие 2 (рис. 10.15, а) до упора. Длину зачищаемого от изоляции участка провода регулируют винтом 4. Соленоид 1, управляемый ножной педалью 6, сближает раскаленные нити, на которые от трансформатора 5 подается напряжение 0,5 в. Обжиг производится в закрытой полости, вентилируемой через отверстие 3, к которому присоединен шланг вытяжного вентилятора. С одиночных проводов марок МГВ, МГВЛ, МГВСЛ, БПВЛ, БПТ, ПМВ, МЦСЛ, ЛПЛ, МОГ, ТМ-200 изоляцию снимают щипцами (рис. 10.16). С проводов с комбинированной изоляцией марок МЦСЛ, ПМВЛ, ЬЛПЛ, МГШВ, МОГ сначала снимают с помощью автомата (рис. 10.12) наружные слои изоляции, а затем удаляют внутренний слой электрообжигом. Нельзя подвергать электрообжигу наружные слои изоляции проводов БПТ, 285 МЦСЛ, МТВСЛ и ТМ-200 с оплеткой и обмоткой из стекловолокна или фторопласта. Рис. 10.13. Циклограмма работы автомата для резки и зачистки монтажных проводов Удаление концов изоляции, а также заделку экранирующей оплетки у проводов, предназначенных для междублочных кабелей, выполняют до вязки проводов в жгут оплетки. Одной из трудоемких работ по подготовке проводов под пайку является операция снятия изоляции. В изделиях радиоаппаратуры имеются десятки паяных соединений, большое количество моточных изделий, где применяют провода ПЭМ, ПЭЛ, ПЭВ, ПЭТ, ПЭВНХ и др. 286 В практике монтажных работ изоляцию с проводов снимают самыми различными способами: механической зачисткой, химическим способом, обжигом изоляции в пламени или разогретой электрической спиралью. В условиях индивидуального производства, как правило, удаление изоляции производят механическим способом (зачисткой наждачной шкуркой, лезвием ножа) и другими способами. Химический способ основан на размягчении изоляции в различных кислотах и щелочах с последующим удалением изоляции механическим способом. Рис. 10.14. Приспособление с ножным приводом для снятия изоляции с концов монтажных проводов: 1 — ползун; 2 — ноши; 3 — прижимы При тепловом способе изоляцию сжигают в пламени горелки с последующим быстрым охлаждением в спирте. При тепловом способе могут быть частые пережоги провода, в результате чего получается окисная плен на, которую приходится снимать механическим способом. Механический способ имеет ряд недостатков, за счет которых снижаются прочностные характеристики проводов (скручивание, уменьшение диаметра). Провода малых диаметров 0,02—0,05 мм механическим способом обрабатывать нельзя. Химический способ очень длителен и вреден для здоровья рабочих. 287 С целью предотвращения окисления провода при тепловом способе изоляции применяют нейтральные газы. Этот способ получил широкое применение при серийном производстве радиоаппаратуры, так как полностью предотвращено окисление проводов. Установки для снятия изоляции рассчитаны на стабильную температуру, в результате чего не может быть пережога провода. Широкое применение в промышленности получил обжиг изоляции в расплавленных солях. Для обжига применяют соли, которые имеют температуру плавления, не превышающую температуру отжига проводов. Например, хлористый калий имеет температуру плавления 768° С. Рис. 10.15. Приспособление с соленоидным приводом (а) и щипцы (б) для электрообжига изоляции Участки провода, подлежащие зачистке, опускают в расплавленную соль и выдерживают в течение 1—2 сек, после этого провод быстро погружают в жидкость, растворяющую соль, и охлаждают в ней 1—2 сек, после чего протирают ветошью. Отсутствие перегрева в этом случае не вызывает изменение структуры материала провода. Наличие корки соли на проводе в момент переноса его в охлаждающую жидкость, в которой раство288 ряется соль, защищает его от оксиления. Провода после зачистки в соляной ванне хорошо облуживаются и паяются. Снятие окисной пленки с токонесущей жилы. Жилы монтажных проводов, не имеющие конструктивного оловянного покрытия (провода ЛПЛ, ЛПРГС и др.), защищают от окисной пленки с помощью приспособления, изображенного на рис. 10.17. Конец провода со снятой изоляцией через отверстие в кожухе осторожно, чтобы не повредить изоляцию, вводят между вращающимися стальными щетками. После удаления окисной пленки жилы провода скручивают. Заделка концов изоляции. Способ заделки изоляции определяется маркой применяемого провода. Концы текстильной оплетки проводов для предохранения от разлохмачивания и сползания обычно закрепляют нитроклеем или надевают на них отрезки поли-хлорвипиловых либо линоксиновых трубок. Нитроклей наносят на участок провода длиной 8—10 мм (рис. 10.18, а), а трубки такой же длины надевают на конец оплетки (рис. 13.18, б). Оплетку проводов БПВЛ, МГВЛ и МГВСЛ предварительно сдвигают на —5 мм от места среза полихлорвиниловой изоляции и ее избыток разгоняют вдоль провода (рис. 10.19). Рис. 10.16. Щипцы для снятия изоляции с концов монтажных проводов: 1 – угольник; 2 – верхний нож; 3 – нижний нож; 4 – ручка; 5 – прижим В исключительных случаях (из-за значительной трудоемкости этой операции) для закрепления текстильной оплетки ис289 пользуют оклетневку хлопчатобумажными нитками № 20 (рис. 10.20). Изоляцию закрепляют на участке провода длиной 5— 7 мм. Лужение оголенных жил проводов. Оголенные жилы проводов на участке длиной 5—8 мм лудят горячим способом, погружая на 1—2 сек в ванну с расплавленным припоем ПОС40. Чтобы удалить излишек припоя, провод встряхивают и затем протирают мягкой тряпкой. Перед лужением жилки провода скручивают. Можно лудить одновременно концы нескольких проводов, предварительно подравняв поверхность стола. Погружая в припой, провода держат строго вертикально. При лужении концов провода применяются безкислотные флюсы. Концы одиночных проводов лудят с помощью электропаяльника. Рис. 10.17. Приспособление для удаления окисной пленки с жил монтажных проводов Заделка концов экранирующей оплетки. Экранирующую оплетку монтажных проводов, если не исключено ее соприкосновение с контактными лепестками деталей, заключают в полихлорвиниловую трубку, которую надевают до-заделки концов экранирующей оплетки. Оплетку закрепляют так, чтобы ее концы можно было подключать к корпусу. Изоляцию на концах экранированного провода снимают и за-"крепляют после заделки экранирующей оплетки (рис. 10.21, а). Концы текстильной оплетки экранированных проводов БПВЛЭ, МГВЭЛ и МГВСЛЭ срезают ножницами на 3—5 мм от 290 места среза полихлорвиниловой изоляции (рис. 10.21, б). Экранирующую оплетку проводов срезают вокруг так, чтобы разрез был ровным, без торчащих жилок. Пайку на экранирующей оплетке выполняют осторожно, чтобы не повредить изоляцию провода. Продолжительность пайки не более 3—5 сек. Рис. 10.18. Закрепление изоляции провода нитроклеем (а) и надевание отрезка полихлорвиниловой трубки (б) Рис. 10.19. Закрепление нитроклеем текстильной оплетки проводов БЦВЛ,МГВЛ, МГВСЛ Рис. 10.20. Закрепление изоляции провода нитками (оклетневка): 1 – изоляция; 2 – нитки 291 Концы экранирующей оплетки проводов МГВЭ, МГВЛЭ, МГВЛЭ, БПВЛЭ, БПТЭ, МЦСЛЭ и др. заделывают одним из четырех способов: 1. Протаскивают провод черев отверстие, сделанное в оплетке, и вытягивают свободный конец оплетки. Для проводов МГВЭ применяют только такой способ заделки экранирующей оплетки. Рис. 10.21. Разделка конца экранированного провода: а – вид, после заделки экранирующей оплетки; б – вид по срезанной текстильной оплетке; 1 – жила провода; 2 – изоляция; 3 – экранирующая оплетка; 4 – текстильная оплетка Предварительно конец оплетки расширяют (сдвигают), как это показано на рис. 10.22, а. Отверстие в оплетке делают на расстоянии 20 мм от конца провода, с тем чтобы после снятия изоляции конец оплетки находился на расстоянии 8—10 мм от оголенной жилы. Свободный конец оплетки осторожно вытягивают свайкой (рис. 10.22, б и в), При таком способе заделки оплетка по длине равна заготовке провода и в процессе заделки не требуется дополнительной подрезки и закрепления. Свободный конец экранирующей оплетки в дальнейшем используют для подключения к корпусному лепестку. Если длина конца оплетки для этого недостаточна, к нему подпаивают отрезок голого провода ММ диаметром 0,5—0,8 мм (рис. 10.23), конец которого длиной 4—6 мм вводят внутрь оплетки с ее торца. На конец оплетки и подпаянный отрезок провода надевают линоксиновую или нолихлорвиниловую трубку. 292 Рис. 10.22. Способ заделки концов экранирующей оплетки: а – конец экранирующей оплетки в сдвинутом положении; б – конец экранирующей оплетки в вытянутом положении; в – конец экранирующей оплетки в натянутом положении Рис. 10.23. Удлинение заземляющего конца экранирующей оплетки 2. У края полихлорвиниловой трубки 6 (рис. 10.24, а),надеваемой на оплетку 5, делают клинообразный вырез, в этом месте к оплетке подпаивают припоем ПОС-40 распушенный конец провода 4 марки МГВ длиной 40—50 мм сечением 0,35 мм2. Место пайки и конец экранирующей оплетки со сдвинутым концом текстильной оплетки 3 (внутри текстильной оплетки находится жила 1 с изоляцией 2) закрепляют ниткой 7 (№ 20) и покрывают нитроклеем. 3. На конец оплетки 5 (рис. 10.24, б) в направлении от середины провода с жилой 1 и изоляцией 2 плотно накладывают 2—3 витка голого луженого провода ММ диаметром 0,5 мм. Один конец его длиной 40—50 мм остается свободным, а другой 293 после удаления излишка прижимают монтажными плоскогубцами к оплетке. Затем витки провода и конец экранирующей оплетки запаивают припоем ПОК-56 (температура плавления 124° С). В случае применения припоев ПОС-40 и ПОС-61 между текстильной и экранирующей оплетками в месте пайки прокладывают кабельную бумагу или лакоткань, на свободный конец голого провода надевают линоксиновую трубку б длиной 30—40 мм, диаметром 0,5—0,8 мм и место пайки плотно закрывают отрезком изолирующей трубки длиной 15— 20- мм. 4. Концы экранирующей оплетки 1 коротких проводов (рис. 10.25, а) вместе со срезанным концом текстильной оплетки 3 закрепляют ниткой 2 (№ 20) и покрывают нитроклеем. К середине экранирующей оплетки припоем ПОК-56 подпаивают распушенный конец провода 4 марки МГВ сечением 0,35 мм2, длиной 40—50 мм (рис. 10.25, б). На экранированный провод надевают полихлорвиниловую трубку 5. Свободный конец подпаянного провода пропускают через предварительно сделанную в середине трубки поперечную прорезь длиной 4—5 мм и вытаскивают наружу. Рис. 10.24. Заделка концов экранирующей оплетки монтажного провода а – многожильный провод для соединения оплетки с корпусом; б – одножильный провод для соединения оплетки с корпусом 294 Рис. 10.25. Заделка конца экранирующей оплетки короткого монтажного провода (а) и припайка провода к экранирующей оплетке (б). Подготовка кабелей. Резка высокочастотных кабелей РК производится ножницами гильотинного типа. Длину отрезка кабеля отмеряют линейкой с делениями или пользуются для этого образцом заготовки. Изоляцию и экранирующую оплетку с концов кабеля РК снимают уступообразно на полуавтомате или монтажными ножницами и электроножом. При этом надо не повредить не только токопроводящую жилу, но и внутреннюю изоляцию и экранирующую оплетку. Размеры кабелей зависят от типа разъема и должны соответствовать данным эскиза технологической карты или чертежа. Концы наружной текстильной оплетки кабелей РК-44 и РК45 закрепляют нитками № 00 и покрывают нитроклеем. Окисную пленку оголенных концов токопроводящей жилы кабелей РК соскабливают шабером или шлифовальной шкуркой средней зернистости. Зачищенную жилу облуживают на 5—7 мм от конца припоем ПОС-40, как и провода. 295 Рис. 10.26. Сужение ленточного вывода радиодетали (а) и кусачки для этой операции (б). Концы экранирующей оплетки кабелей РК при необходимости облуживают припоем ПОК-56 с помощью электропаяльника. Если для этой цели применяют припои ПОС-40 или ПОС61, т. е. увеличивают диаметр конца экранирующей оплетки при его подпайке к разъему, то между внутренней изоляцией кабеля и экранирующей оплеткой прокладывают кабельную бумагу, электроизоляционный картон или надевают линоксиновую трубку. Подготовка выводов радиодеталей. Выводы навесных радиодеталей (конденсаторов, резисторов и др.) перед монтажом выпрямляют и укорачивают на приспособлении или кусачками до требуемой длины согласно образцу и указаниям в технологической карте. Ленточные выводы радиодеталей для удобства подключения к контактным лепесткам обжимают в трубку (рис. 10.26, а) или сужают продольным срезом. Для обжатия выводов в трубку в основании губок кусачек или плоскогубцев высверливают отверстие (рис. 10.26, б). 296 Окисную пленку и краску с выводов радиодеталей зачищают шабером или шлифовальной шкуркой. Зачищенные выводы на расстоянии 8 мм от корпуса облуживают припоем ПОС40. Если необходимо облудить вывод на меньшую длину, применяют пинцет-теплоотвод с медными насадками на губках (рис. 10.27). Рис. 10.27. Лужение вывода резистора в ванне Рис. 10-28. Гибка выводов радиодеталей а – с помощью шаблона; б – круглогубцами. 10.6. Технический контроль монтажа Электрический монтаж изделия, законченный полностью или частично (в зависимости от его конструктивных и технологических особенностей), подвергают техническому контролю по показателям, определяющим эксплуатационную надежность и внешний вид изделия. Качество монтажа проверяют на основа297 нии технологических карт контроля или описания контрольных операций в технологических картах монтажа, а также технических условий на монтаж прибора, электрокалибровочных карт сопротивлений и образцов. Монтаж контролируют поело таких операций, как подготовка проводов кабелей и выводов радиодеталей, заготовка жгутов, а также монтаж узлов и прибора в целом. При внешнем осмотре заготовленных монтажных проводов и кабелей проверяют марку, сечение, длину, способ и качество заделки концов, маркировку, отсутствие надрезов жил и качество их лужения, отсутствие повреждений и загрязнений изоляции. Размеры проверяют, сравнивая их с размерами образцов, или посредством специальных калибров (мерок), линейки или рулетки с делениями. Путем внешнего осмотра и сравнения с образцами проверяют тип, номинальное значение, маркировку, длину, форму изгиба и качество лужения выводов, отсутствие царапни, сколов, трещин корпуса и повреждения надписей, резких изгибов и надломов выводов навесных радиодеталей, подготовленных к монтажу. При внешнем осмотре проверяют раскладку проводов, (в сомнительных случаях используют пробник) аккуратность, плотность и правильность вязки ниткой заготовленных жгутов. Механическую прочность соединений проверяют, осторожно и легко натягивая пинцетом, на губки которого надеты полихлорвиниловые трубки, провод или вывод радиодетали в направлении его продольной оси. При проверке монтажных соединений обращают внимание на соблюдение следующих условий: все соединения выполняются с предварительным (перед пайкой) механическим закреплением подключаемых концов на контактных лепестках; пайка должна быть «скелетной» (под припоем должен быть виден контур подключенного конца), сквозной и двусторонней, щели 298 и промежутки между подключенными концами и лепестком заполнены припоем, место спая — без пор, трещин, вздутий, наплывов и остатков флюса с блестящей поверхностью; изоляция проводов и заделка ее концом не должны иметь повреждений; не допускаются оплавления полихлорвиниловых трубок на перемычках из голого провода; трещины стеклянных выводных изоляторов герметизированных деталей не допускаются; соединения контактных лепестков с выводными стержнями таких деталей не должны быть нарушены; выводы резисторов и других элементов в схеме закрепляют на контактных лепестках без натяжения, т. е. с небольшим изгибом; монтаж должен быть очищен от брызг припоя, остатков флюса, отходов монтажных материалов; монтажные провода должны быть аккуратно выправлены и уложены на шасси; шаблон пальчиковой лампы должен легко вставляться в ламповые панели, на лепестках которых произведен монтаж. Правильность монтажа перемычек, одиночных проводов, навесных радиодеталей и маркированных проводов жгутов проверяют при внешнем осмотре. Если нарушена или отсутствует маркировка проводов или возникают сомнения в правильности подключения обоих концов провода, производят контроль пробником. Смонтированные навесные радиодетали проверяют внешним осмотром, сравнивая с образцами, а в особо оговоренных случаях — омметром или измерителем емкости. Правильность монтажа междублочных кабелей проверяют с помощью полуавтоматической установки или поочередным подключением щупа пробника к контактам (ШР) штепсельного разъема кабеля, имеющим одинаковую нумерацию. Правильность монтажа блоков контролируют посредством полуавтоматической установки или поочередной проверкой омметром всех электрических цепей. Все контрольные операции выполняют тщательно, аккуратно и осторожно, чтобы в процессе проверки не ухудшить ка299 чество монтажа, случайно нарушив расположение его элементов, уменьшив зазор между неизолированными частями монтажа или соединив их друг с другом. Пайки хорошего качества контролер помечает цветным прозрачным цапон-лаком, который он наносит на место спая в виде небольшого аккуратного мазка специальной трубкой (типа чертежной) или мягкой кисточкой № 3. Места пайки выводов навесных радиодеталей, которые подбирают при регулировке прибора, помечают цапон-лаком только после их вторичной проверки по окончании регулировки прибора, механического закрепления и перепайки выводов. После проверки качества пайки на контактах ШР контролер надвигает полихлорвиниловые трубки на места паек до упора в колодку ШР. При обнаружении дефектов в монтаже заполняют дефектную ведомость и изделие передают для исправления мастеру соответствующего производственного участка цеха. Проверке подвергают химический состав каждой партии припоя. Химический состав припоя должен соответствовать ГОСТ 1499-54. Качество каждой партии флюса проверяют на рабочем месте в процессе пайки. Флюс должен способствовать равномерному и прочному соединению припоя с основным металлом, быть бескислотным и не содержать посторонних примесей. Во всех деталях и узлах, поступающих из других цехов, контролируют качество подготовки поверхности контактов под пайку. 10.7. Техника безопасности при выполнении монтажа При выполнении монтажных работ необходимо строго соблюдать основные правила техники безопасности. Наиболее опасно поражение электрическим током. Необходимо знать, что действие тока на организм человека зависит от силы тока, частоты, напряжения, продолжительности воздействия, пути прохождения тока и индивидуальных особенностей организма человека. 300 Чем выше сила тока, тем больше опасность поражения (ток 0,1 а и выше, как правило, является смертельным для человека). Чем больше напряжение, тем меньше сопротивление кожи и больше опасность поражения. Относительно безопасным является напряжение не выше 40 в. Более высокие напряжения, особенно в том числе широко используемые промышленные напряжения 220 и 380 в, могут вызвать смертельное поражение. Опасность поражения током увеличивается с уменьшением частоты тока (наиболее опасны дли человека токи промышленной частоты) и с увеличением времени воздействия тока на человека. Это объясняется тем. что сопротивление человеческой кожи, и известной степени предохраняющей человека от поражения током, понижается при длительном его воздействии. Токи высокой частоты (50 кец и выше) не смертельны, во могут причинить сильные ожоги. Вытаскивая шнур со штепсельной вилкой из сетевой розетки, следует держаться за корпус вилки, а не за шнур, иначе можно выдернуть не вилку, а один из проводов. Это может привести к короткому замыканию сети или попаданию человека под опасное напряжение. Работая с установками сверхвысоких частот (СВЧ), люди могут подвергнуться действию электромагнитного поля, излучаемого генераторами (магнитронами, клистронами и др.). Наиболее интенсивно излучают электромагнитные волны антенны, открытые концы полноводных трактов и катоды мощных генераторных ламп. Кроме того, энергия электромагнитных волн может излучаться в местах соединения отдельных элементов трактов (фланцы, буксы), через открытые фланцы направленных ответвителей, резонаторов и т. п. Систематическое облучение человека электромагнитными волнами СВЧ оказывает неблагоприятное воздействие на его организм. Степень воздействия зависит от длительности и интенсивности облучения. Во избежание несчастных случаев и предупреждения неблагоприятного воздействия на людей электромагнитного поля СВЧ необходимо: 301 - тщательно изучить схему блока или прибора и определить расположение всех элементов, находящихся под высоким напряжением; - заземлить металлические корпуса и шасси блоков аппаратуры и измерительных приборов; - проверить исправность источников питания, наличие соответствующих предохранителей и выключателей; - работая с высоким напряжением, положить под ноги резиновый коврик; - после выключения аппаратуры, выдвинутой из кожуха, разрядить конденсаторы специальным разрядником; - генераторы СВЧ включать на поглощающие нагрузки (за исключением антенных измерений). Необходимо устанавливать минимальную мощность генератора, достаточную для работы аппаратуры; - проверить плотность и надежность соединения в высокочастотных трактах; - соблюдать особую осторожность при испытании электрической прочности элементов тракта. Запрещается: - проверять на ощупь наличие напряжения и нагрев токоведущих частей схемы; - применять для соединения блоков и приборов провод» с поврежденной изоляцией; - производить пайку и монтаж в схеме приборов, находящихся под напряжением; - измерять напряжение и токи неизолированными штекерами, щупами, проводами; - подключать блоки и приборы к работающей аппаратуре; - заменять предохранители во включенной аппаратуре; - работать на высоковольтных установках без специальных резиновых перчаток и изолированного инструмента; - смотреть в открытый конец волновода при любом уровне мощности; - исправлять высокочастотный тракт, когда в него поступает энергия СВЧ;" 302 - нарушать экранировку установок СВЧ; - направлять высокочастотное излучение за пределы выделенного сектора. На рабочем место во время работы не должно быть посторонних материалов, инструментов и деталей, так как это снижает производительность труда и приводит к травмам рук монтажника. Жидкости, применяемые для промывания паек (спирт, растворитель, скипидар), следует хранить в посуде, хорошо закрывающейся пробками. Чтобы сократить до минимума испарение, посуду открывают только в момент пользования жидкостью. Запрещается промывать пайки бензином, так как это может привести к пожару. При работе с паяльником следует беречь руки от ожогов, особенно при пользовании большим паяльником мощностью 200—300 вт, применяемым для пайки крупных деталей (например, экранов, кожухов, фильтров, трансформаторов). Чтобы предохранить руки от ожога, в этих случаях детали держат сложенной в несколько слоев тряпкой. Мелкие детали и голые провода при пайке поддерживают пинцетом или плоскогубцами. Особенно следует опасаться разбрызгивания расплавленного припоя. Это может произойти, если паяльник сорвется с какого-либо вывода, последний спружинит и далеко отбросит мелкие частички расплавленного припоя. В таких случаях следует беречь глаза, так как мельчайшие частицы горячего припоя, попадая на глазное яблоко, могут вызвать серьезное заболевание глаз. Очень осторожно надо залуживать концы проводов и выводов деталей при использовании ванночки с расплавленным оловом. Ванночка должна стоять устойчиво, а перед включением в сеть для расплавления припоя ее необходимо ставить на большой противень из стали или латуни с бортами шириной 10—15 мм по краям. Такой противень предохранит расплавленный припой от растекания по столу, если ванночка случайно опрокинется. Противень с ванночкой нельзя переносить до тех пор, пока припой не застынет. 303 При зачистке изоляции проводов способом обжигания от сгорающей изоляции выделяется большое количество дыма, имеющего неприятный и тяжелый запах. Поэтому при обжиге большого количества проводов следует пользоваться вытяжным шкафом с хорошей вентиляцией. Обжигать изоляцию небольшого количества проводов в летнее время монтажник обязан у открытого окна, а зимой — по окончании работы включить вытяжной вентилятор или хорошо проветрить помещение. Во время пайки и промывки неостывших паек выделяются пары канифоли, растворителя, спирта, а из расплавленного припоя — особенно вредные для здоровья работающего пары олова и свинца. Все это загрязняет воздух в помещении, где производится работа. Такое помещение надо как можно чаще проветривать. Для этого обычно устанавливают вытяжной вентилятор, а если но каким-либо причинам его пет, то открывают окна или форточки. Следует применять надежный и удобный в работе инструмент. Деревянные или пластмассовые ручки отверток, напильников, молотков, ножовок не должны иметг, трещин. Ручка даже с небольшой трещиной но время работы может расколоться, и хвост инструмента сильно поранит руку. Если молоток при ударе соскочит, он может поранить работающего или его соседа. 304 11. ТЕХНОЛОГИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА 11.1. Общие сведения Операции сборки, монтажа и регулировки современной радиоаппаратуры, где электрические соединения функциональных деталей и узлов (индуктивностей, емкостей, резисторов и др.) выполнены монтажными проводами, очень трудоемки. Достаточно сказать, что общая сумма затрат на перечисленные виды работ составляет от 60 до 70% всех прямых производственных расходов на радиоприбор. Объясняется это тем, что сборке монтажные и регулировочные работы еще слабо механизированы, причем их выполнение связано с применением высококвалифицированного ручного труда, а рабочие приемы, представляющие собой совокупность сложных и разнообразных движений и не подчиняющиеся каким-либо определенным закономерностям, невозможно воспроизвести кинематическими системами. Отсюда следует, что конструкции радиоаппаратуры с объемным монтажом исключают выполнение сборочных, монтажных и регулировочных операций машинами-автоматами. Внедрение прогрессивной технологии, позволяющей резко увеличить выпуск радиоаппаратов, возможно лишь при условии коренного изменения конструкций, в первую очередь монтажных схем, а также отдельных деталей, узлов и радиоприборов в целом. Это изменение конструкций должно быть рассчитано на широкое использование специализированных механизмов, полуавтоматов, автоматов и автоматических линий. К таким принципиально новым конструкциям относятся печатные схемы, производство которых допускает широкую механизацию и автоматизацию технологических процессов. Конструктивная особенность печатных схем заключается в том, что элементы монтажа представляют собой тонкие слои электропроводящего материала, закрепленные на поверхности плат из электроизоляционных Материалов. 305 Применение печатных схем не только снижает трудоемкость монтажно-сборочных и регулировочных работ и дает возможность резко увеличить выпуск радиоаппаратуры, во и позволяет сократить габаритные размеры и вес радиоаппаратуры, уменьшить количество ошибок при монтаже и число контрольных испытаний, которые необходимы при обычных методах изготовленная аппаратуры, снизить себестоимость изделий. Печатные схемы способствуют стандартизации радиоаппаратуры и ее элементов. Переворот в производстве электронной радиоаппаратуры, выразившийся в переходе от металлических шасси с «паутиной» проводов к конструкциям, состоящим из панелей с печатными схемами, выдвигает ряд новых проблем перед инженерамиконструкторами и технологами. Прежде чем перейти к их рассмотрению, укажем термины, употребляемые в технике печатных схем. Печатный проводник — участок металлизированного слоя, нанесенного на изоляционное основание, эквивалентный обычному монтажному проводу. Печатный элемент — сопротивление, емкость, индуктивность и т. п., нанесенный на изоляционное основание в виде металлического или другого покрытия. Печатный монтаж — система печатных проводников, обеспечивающая электрическое соединение элементов схемы. Печатная схема — совокупность печатного монтажа и печатных элементов, расположенная на изоляционном основании и прошедшая все станции изготовления. Печатный блок, узел — совокупность печатного монтажа или печатной схемы с навесными электрорадиоэлементами, установленными и закрепленными на изоляционном основании, прошедшая все стадии изготовления. Печатная плата — изоляционное основание с печатным монтажом или печатной схемой. Координатная сетка — прямоугольпая сетка, состоящая из параллельных равноотстоящих линий, условно или фактически 306 нанесенная на чертеж печатной платы для определения расположения отверстий. Шаг координатной сетки — расстояние между двумя ближайшими параллельными линиями координатной сетки. Узел сетки — точка пересечения двух взаимно перпендикулярных линий координатной сетки. База сетки — узел сетки, принимаемый за точку начала отсчета, как правило, это левое нижнее монтажное отверстие печатной платы. Заготовка — основание для печатной платы из металлизированного или неметаллизированного электроизоляционного материала, подготовленного любым способом к нанесению печатного монтажа или печатной схемы. Плакированное основание (плакированная заготовка) — электроизоляционный материал с металлическим покрытием, нанесенным любым способом, подготовленный для нанесения изображения печатной схемы. Фольга основания — металлическое покрытие, нанесенное любым способом на заготовку. Толщина платы — толщина печатной платы с нанесенным печатным монтажом или печатной схемой. Монтажная площадка — металлизированный участок, окружающий или примыкающий к монтажному отверстию, имеющий электрический контакт с печатным проводником и обеспечивающий возможность электрического соединения навесных электро- и радиоэлементов схемы с печатным монтажом. Переходное соединение — средство, обеспечивающее электрический контакт между различными слоями или сторонами печатной платы. Контакт соединения — средство, обеспечивающее электрический контакт между различными слоями или сторонами печатной платы. Контакт соединителя — концы печатных проводников, выходящих на край платы таким образом, чтобы плата являлась 307 штепсельной частью для подсоединения к краевому соединителю (разъему). Металлизированное отверстие — отверстие в печатной плате, на стенки которого нанесен слой металла, служащее в качестве монтажного отверстия или переходного соединения. Технологический проводник — вспомогательный печатный проводник, обеспечивающий электрическое соединение отдельных печатных проводников и процессе изготовления, впоследствии удаляется. Перемычка (фальшдеталь) — отрезок обычного монтажного провода, соединяющий два печатных проводника между собой в тех случаях, когда они пересекаются с третьим печатным проводником. Базовое отверстие (фиксирующее отверстие) — отверстие или углубление, расположенное на печатной плате, предназначенное для точной установки платы в процессе сборки. Ориентирующий паз — паз на краю печатной платы, обеспечивающий определенное положение платы и процессе сборки пли установки. Прорези – прерывание больших проводящих площадей, вызываемое электрическими, конструктивными или технологическими требованиями. Покрытие печатной платы — процесс химического, электрохимического или любого другого способа осаждения металла, полупроводника или диэлектрика на всю или часть печатной платы. Групповая пайка — способ одновременного электрического и механического соединения всех начесных элементов на печатной плате путем одновременного воздействия припоя па все монтажные площадки. Маркировка — буквенные, цифровые и символические обозначения на печатной плате, нанесенные любым способом с целью указания номера навесного или печатного элемента, его расположения и т. д. 308 Подрезка монтажной площадки — уменьшение площадки отрезанием по хорде с целью увеличения расстояния между монтажной площадкой и токоведущими элементами схемы. Пробельный участок — место, на котором на готовой печатной плате отсутствует металлизация. Разрешающая способность способа печати определяется допустимым числом линий на миллиметр, причем за «линию» условно принимается минимально допустимая ширина печатного проводника или равная ей минимальная ширина зазора между проводниками. Оригинал печатной схемы (фотооригинал) — изображение печатной схемы, выполненное в масштабе и предназначенное для репродукции. Негатив печатной схемы — фотографическое изображение в масштабе 1:1, полученное путем фотосъемки с оригинала печатной схемы с заданной степенью точности и предназначенное либо для непосредственного изготовления печатной платы, либо для изготовления технологической оснастки. Сличение — процесс, обеспечивающий проверку соответствия печатного рисунка координатной сетке. Прочность на отрыв — сила, перпендикулярная плоскости печатной платы, необходимая для отделения монтажной площадки или печатного проводника от основания; измеряется в кг/см*. Изгиб (коробление) — вид искажения формы прямоугольной плоскопараллельной платы с цилиндрическим или сферическим искривлением ее, при котором все четыре угла платы находятся в одной плоскости. Скручивание — вид искажения формы прямоугольной плоскопараллельной платы, при котором три угла плати находятся в одной плоскости, а четвертый угол смещен относительно нее. Подтравливание — уменьшение поперечного сечения печатного проводника к основанию. 309 Наплыв — увеличение ширины печатного проводника по сравнению с заданной, вызываемое нанесением металлического покрытия. Отклонение — величина искажения краев изображения печатной схемы от заданного чертежом. Смещение — отклонение одного или более печатных проводников или их части от заданного расположения; отклонение относительно друг друга двусторонней печатной схемы или отклонение слоев печатной схемы относительно друг друга при двух или более слоях. Многослойная печатная плата (МПП) — несколько склеенных печатных слоев, где системы печатных проводников имеют электрическое соединение по слоям. Многослойный печатный узел — многослойная печатная плата с навесными элементами, которые имеют электрический контакт с многослойной печатной платой. Лицевая сторона МПП — внешняя поверхность платы, на которой нанесена маркировка платы и со номер. Переходное от верст и о — металлизированное отверстие, предназначенное для соединения печатного монтажа различных слоев в единую схему. Слой пайки — сторона платы, обратная лицевой стороне, на которой производится распайка выводов навесных элементов. Технологическое отверстие — отверстие в многослойной печатной плате, а также в отдельном печатном слое, предназначенное для обеспечения конструктивно-технологических требований в процессе изготовления многослойной платы. Базовое отверстие — отверстие в многослойной плате или в отдельном печатном слое, относительно которого координируются все элементы печатных схем. За базовое отверстие рекомендуется принимать одно из технологических отверстий. Навесные элементы — микромодули различных конструкций, электро- и радиоэлементы, устанавливаемые на печатной плате. Особенности печатного монтажа. Печатный монтаж обладает рядом существенных особенностей, позволяющих 310 успешно решать задачу механизации производства, но одновременно предъявляющих определенные требования к конструкции. К таким особенностям относятся: а) плоскостное расположение печатных проводников на плате, что не позволяет осуществлять переход с одной ленты на другую без перемычек, переходных колодок или разъемов; б) использование при изготовлении печатных плат одинаковых или однородных приспособлений; в) введение в конструкцию необходимой для механизации производства системы расположения отверстий в печатной плате— координатной сетки; г) установка навесных элементов и крепление их выводов толь ко путем пропускания их в отверстия; д) одновременная запайка выводов всех установленных на пе чатной плате элементов; е) определенная последовательность сборочно-монтажных ра бот, размещение навесных радиоэлементов на плате и предвари тельное механическое закрепление их, запайка выводов навесных элементов, установка прочих деталей с механическим креплением (стоек, резьбовых втулок и т. д.). Кроме указанных особенностей, необходимо знать основные нормы и требования к конструированию печатных плат и методы их изготовления. Электрические и физико-механические свойства печатных проводников и предъявляемые к ним требования. Печатные проводники характеризуются в основном двумя параметрами: электрическим сопротивлением и прочностью сцепления проводника с основанием. Плоские проводники выдерживают высокую токовую нагрузку. Благодаря пластинчатой форме токопроводящих линий достигается значительно лучшее отношение поверхности к сечению, чем у круглой проволоки. Вследствие увеличения теплоизлучающей поверхности — при условии одинаковой температуры фольги и проволоки — в фольге могут протекать большие токи, или же при условии одинаковой силы тока размеры фольгированногопроводника могут быть уменьшены но сравне311 нию с проволочным проводником. Отсюда очевидна экономия материала, места, веса и затрат. Усредненные значения омического сопротивления печатных проводников шириной 1,5 мм и толщиной 50 мп в различных климатических условиях приведены в табл. 11.1. Из таблицы видно, что проводники, полученные электролитическим осаждением металла, имеют величину сопротивления в 3 раза больше, чем проводники из фольги. Сопротивление проводников, защищенных лаком, но изменяется после пребывания в течение 30 суток в условиях 95—98% влажности. Ввиду сильно развитой поверхности, обеспечивающей хороший теплообмен между проводником и диэлектрическим основанием, а также окружающей средой, печатные проводники допускают значительно большие удельные плотности тока по сравнению с проволочными. Токи сгорания проводников приведены в табл. 11.2. Таблица 11.1 Сопротивление печатных проводников в различных климатических условиях Электрическое сопротивление, ом/м ЭлектроУсловия испытаний Электролитическая литичелистовая ская медь фольга Нормальные условия (после покрытия лаком)…………………………………… 1,016 0,306 Температура +40° С при относительной влажности 96-98% в течение 48 ч... 1,099 0,326 Температура -60° С в течение 2 ч…….. 0,662 0,196 Температура +32° С при относительной влажности 95-98% в течении 30 суток (после выдержки в нормальных условиях в течение 24 ч)………....…… 1,016 0,306 Температура +50° С в течение 10 ч…... 1,15 0,341 Температура +100° С в течение 2 ч…... 1,27 0,385 312 При всех методах получения печатного монтажа в целях упрощения расчетов плотность тока для печатного проводника рекомендуется 20 а/мм 2. Прочность сцепления печатного проводника не менее 25—30 кг /см 2. Благодаря малой массе и развитой поверх мости печатного проводника, полученного любым методом, сила сцепления его с основанием оказывается достаточной, чтобы выдержать воздействующие на проводник знакопеременные механические перегрузки до 40 g в диапазоне частот от 4 до 200 гц. Таблица 11.2 Ток мгновенного сгорания печатных проводников СечеСопротивТок мгноПроводник ние, ление, венного мм2 Ом/м сгорания, а Объемный медный…....... 0,07 0,25 15 Печатный из электролитической медной фольги.. 0,075 0,3 60 Печатный из меди, электролитически осажденной на плату………..…… 0,075 1 25 Вследствие небольшой толщины печатные проводники имеют незначительный поверхностный эффект. Емкость между провод Пиками также мала и постоянна для всех изделий одного типа. Применение заземленной проволоки значительно снижает ее. Механические свойства печатных проводников достаточно высоки. При нагревании схемы не возникает осложнений вследствие различных коэффициентов линейного расширения изоляционного основания и проводника или при нанесении токопроводящих линий на гибкую подложку (складные схемы). Отсутствуют пористость и инородные включения, благодаря чему исключается опасность обрывов при изготовлении очень узких проводников. 313 Печатные проводники хорошо соединяются с навесными элементами схемы пайкой и сваркой. Наличие больших фольгированных участков позволяет предохранить изоляционную плату от воздействия влаги, защищает основание от местных перегревов (хорошее распределение и отвод тепла), оказывает экранирующее действие при заземлении участков фольги, не используемых в качестве токопроводящих элементов. Независимо от способа нанесения к печатным проводникам предъявляются следующие требования: а) слой металла должен обладать удельной проводимостью, близкой по величине к удельной проводимости медных проводов; б) площадь поперечного сечения и площадь поверхности печатных проводников должны соответствовать заданным по условиям работы схемы плотности токов и рабочим частотам, а также допустимому падению напряжения на отдельных участках. Минимальная ширина проводников определяется технологическими возможностями изготовления и прочностью их сцепления с основанием; в) сила сцепления печатного проводника с поверхностью основания не должна изменяться при температурах от —60 до +260° С (максимальная температура нагрева при механизированной пайке' печатного монтажа). Сила сцепления проводников схемы с основанием при различных методах изготовления печатных плат приведена в табл. 14-3. Таблица 11.3 Прочность сцепления печатных проводников с основанием Метод изготовления печатных Усилие при отрыве, кГ/см2 плат Химический 20 Электрохимический 10 Комбинированный (позитивный, 15 негативный) 314 Проверка на прочность сцепления печатных проводников с основанием производится на разрывной машине. Для проверки усилия на отрыв к печатному проводнику припаивают наконечник из латуни, равный ширине проводника или меньше на 0,2 мм. Пайку производят низкотемпературными припоями с температурой 60—80° С. Наконечник должен быть строго перпендикулярным к основанию платы. Печатные проводники надрезаются на расстоянии 5—6 мм от наконечника и отгибаются в сторону наконечника. Расчет прочности сцепления производить по формуле P , кГ/см2 F где Р — усилие при отрыве, кГ; F — площадь припаянной поверхности. Материалы для печатных плат. В зависимости от варианта технологического процесса изготовления печатного монтажа применяется либо обычный диэлектрик, на который затем наносят металлизированную схему, либо диэлектрик, покрытый сплошным слоем металла («фольгированный» диэлектрик), с которого затем стравливают лишний металл. В обоих случаях предъявляемые к диэлектрику требования заключаются в следующем. Материал должен иметь: а) минимальную диэлектрическую проницаемости, чтобы не создавать значительных паразитных емкостей между печатными проводниками; диэлектрическая проницаемость должна быть не более 6; б) малый тангенс угла диэлектрических потерь в рабочем диапазоне частот, что особенно важно для высокоомных цепей; тангенс угла потерь должен быть не более 0,07 на частоте 1 Мгц; в) удельное поверхностное и объемное сопротивление изоляции не менее 108 ом и 109 ом -см; г) электрическую прочность не менее 15 кв/мм; д) достаточную нагревостойкость, чтобы допускать пайку погружением при температуре 240—260° С в течение 10—15 сек; 315 е) стабильные электрические параметры в интервале рабочих температур от —60 до +120° С. При температуре 32 -±. 2° С и относительной влажности 95—98% стабильные электрические пара метры должны сохраняться в течение 30 суток; ж) стабильные электрические, физико-химические и механические свойства в процессе технологической обработки; з) достаточную механическую прочность и хорошую обрабатываемость сверлением, штамповкой, фрезерованием; и) однородную по цвету и без посторонних включений поверхность. Чаще всего для изготовления печатных плат применяют электротехнический гетинакс марки ЭВ СТУ 36-14-04-62. Этот материал нельзя считать высококачественным по электрическим свойствам, но он легко обрабатывается, дешев и обеспечивает нормальную работу схем на частотах до 30 Мгц и даже выше (импульсные усилители промежуточной частоты). Толщину гетинаксовых печатных плат рекомендуется брать не более 2 мм, что позволяет обрабатывать их посредством штамповки. Гетинакс толщиной 3 и 4 мм применяется при значительных механических нагрузках обычно для плат площадью более 400 см2. Кроме того, применяются фольгированные гетинакс и стеклотекстолит марок: ГФ-1, ГФ-1-П, ГФ-2-П, ГФ-1-Н, ГФ-2-Н, СФ-1, СФ-2, МРТУ 16-509-001-64; ГОСТ 10316-62. Низкочастотные фольгированные диэлектрики НФД-1801 и и НФД-180-2 (одно- и двусторонний) выпускаются толщиной 0,8—3 мм, обладают повышенной термостойкостью и рекомендуются для работы при температуре от —60 до +180° С. Фольгированный диэлектрик гальваностойкий (ФДГ) применя ется при изготовлении плат, где медные проводники покрываются другими металлами: родием, палладием, серебром, предназначен для работы в интервале температур —60 (-150° С. Фольгированный диэлектрик (НФДФ-8) (низкочастотный) рекомендуется для изготовления печатных плат, имеющих 316 сложную конфигурацию, работающих в интервале температур 60 - +70° С. Применение термопластичного наполнителя (капрона) дает возможность формовать диэлектрик в нужную конфигурацию при температуре +80° С. Можно использовать также другие электроизоляционные материалы (керамику, стекло, пресспорошок и т. д.). Применение порошковых пластмасс для печатных плат ограничивается рядом трудностей, основная из них заключается в необходимости изготовления СЛОЖНЫХ пресс-форм, которые приходится заменять при каждом изменении конструкции платы. Полистирол неприменим при пайке погружением из-за малой теплостойкости, но является хорошим материалом для печатных схем, работающих на сверхвысоких частотах. Наиболее перспективным является применение для печатных плат фторопласта-4 (тефлона), но применение его ограничено сложностью прочной склейки тефлона с металлом. Освоение выпуска фольгированного тефлона может устранить этот недостаток. 11.2. Технологичность конструкций печатных узлов и плат Основное преимущество печатных схем — возможность применять прогрессивные технологические процессы, открывающие возможность автоматизации и механизации сборки и монтажа радиоаппаратуры,— требует грамотного с точки зрения технологичности проектирования. Существует несколько способов изготовления печатного монтажа, каждый из которых предъявляет к конструкции определенные технологические требования, поэтому для правильного решения технологических вопросов при проектировании радиоприборов необходимо учитывать технологию изготовления печатных схем. Часто конструктор создает миниатюрный узел или прибор малого веса, но нетехнологичный, т. е. вызывающий большие трудности в производстве, что повышает его себестоимость. 317 То же самое влечет за собой неграмотное применение печатных схем в конструкции аппаратуры. Так, печатные проводники, по которым проходит ток 0,1 а, можно запроектировать с небольшим сечением и шириной 0,1—0,2 мм, но напечатать, протравить или нанести металл, сохранив этот размер, технологически невозможно, что вынуждает делать такие проводники значительно более широкими. Различные способы изготовления печатных схем поразному отражаются на их конструкции. Например, при изготовлении печатных проводников электрохимическим методом должны быть предусмотрены технологические проводники, соединяющие весь монтаж накоротко для отложения металла на всех участках, и намечены пути разъединения схемы в нужных местах. Это требует или дополнительных технологических отверстий на плате, или каких-либо других мер, которые могут повлиять на конструкцию платы. Рассматриваемые ниже технологические требования относятся к печатному монтажу, выполняемому методом травления фольги электрохимическим способом. Таблица 11.4 Величина тока, вызывающего нагрев проводников до 60 и 100° С, в зависимости от размеров сечения отложенного металла Размеры сечения Сила тока (ва), вызывающего нагрев до проводника ШиТолщина, рина, 60° С 100° С мк мм 0.5 1,0 1,5 10 5.2 5.6 6,5 5.8 6,5 7,6 0,5 1,0 1,0 20 6.0 7,0 8,0 7,0 8,2 10,0 318 Ширина проводника. Ширина печатного проводника зависит от плотности тока, допустимого падения напряжения, требуемой механической прочности и технологических возможностей его изготовления. Неправильно выбранное сечение проводника вызывает его перегрев, что может нарушить соединение металла проводника с основанием и вызвать разрыв проводника. Данные о температуре нагрева, размерах поперечного сечения и величине протекающего тока приведены в табл. 11.4 и 11.5. Таблица 11.5 Рекомендуемая величина тока н зависимости от размеров печатного проводника Ширина проводника, мм Сила тока (а) при толщине проводника 10 мк 20 мк 0,5 1,0 1,6 1,0 1,5 2,0 1,5 2,0 2,5 2,0 3,0 * При температуре окружающей среды 20+5° С, Допустимые максимальные токи в печатных проводниках, как видно из приведенных данных, больше, чем в навесных проводниках круглого сечения. Так, печатный проводник из фольги шириной 1 мм и толщиной 0,05 мм благодаря хорошей теплоотдаче и относительно большой поверхности можно нагрузить током 3—5 а, тогда как круглый провод с равной площадью сечения — только 0,5 а (при норме 10 а на 1 мм 2). Электрическое сопротивление печатных проводников постоянному току несколько больше, чем у проводов круглого сечения, из-за неровных краев проводников и повышенного удельного со противления медной фольги в меди, отложенной электрохимическим способом. Сопротивление 1 М медного печатно319 го проводника толщиной 0,05 мм, полученного из фольги, в зависимости от ширины проводника следующее: Ширина, мм ..................................... 0,5 1,0 2,0 3,0 Сечение, мм2..................................... 0,025 0,05 0,10 0,15 Сопротивление 1 м, ом ................... 1,0 0,5 0,25 0,18 Сопротивление 1 м медного проводника шириной 1 мм, изготовленного электрохимическим способом, в зависимости от толщины наращенной меди следующее: Толщина, мк ........................................ 10 20 30 Сопротивление 1 м, ом ....................... 3,5 2,0 1,5 При проектировании печатных проводников необходимо учитывать потери напряжения, которые могут нарушить нормальную работу прибора, поэтому следует производить расчет потерь напряжения, в первую очередь для накальных цепей, пользуясь приведенными выше значениями сопротивления проводников. Через проводник из фольги шириной 1 мм, сопротивление которого равно 0,5 ом/м, можно пропустить ток 6 а, что вызывает его нагрев на 52° С. При длине проводника 200 мм потеря напряжения составит 0,5 в, что может вывести лампы из нормального режима. Это обстоятельство не позволяет полностью использовать одно из преимуществ печатных проводников — большие допустимые плотности тока. Рис. 11.1. Расположение печатных проводников, перемычек и навесных деталей: 1 – перемычка; 2 и 3 – навесные детали 320 Минимальная ширина проводника зависит от технологических возможностей. Один из наиболее совершенных — офсетный способ печатания с применением плоских биметаллических форм-клише позволяет получить минимальную ширину печатного проводника из фольги 0,3 мм, а из отложенной электрохимическим способом меди — 0,4—0,5 мм. Однако экономически целесообразно при офсетной печати делать проводники шириной не менее 1 мм. При применении других типов форм-клише ширину проводника лучше увеличивать до 1,5 мм. К увеличению ширины проводников вынуждают и трудности получения печатных проводников с ровными краями. Толщина проводника. Толщина печатного травленого проводника зависит от толщины выпускаемой фольги. В настоящее время у нас применяется фольга толщиной 0,05 мм; за рубежом фольгу для этих целей выпускают толщиной от 0,038 до 0,076 мм. При электрическом осаждении делать толщину проводника больше, чем 0,03 мм, нецелесообразно, так как чем толще проводник, тем больше времени требуется для его наращивания. Кроме того, с увеличением толщины проводника сила сцепления его с основанием уменьшается. Так, проводник толщиной 0,1 мм имеет настолько слабое сцепление, что трудно обеспечить достаточную механическую прочность соединения. Зазоры между печатными проводниками. Зазоры между печатными проводниками, полученными различными способами, назначают в зависимости от рабочего напряжения (табл. 11.6). Минимальный допустимый зазор между краями проводников из технологических соображений должен быть принят 0,5—0,8 мм. Минимальный возможный зазор (однако экономически невыгодный) 0,3—0,4 мм. Зазор А между проводниками у мест паек (рис. 11.1) во всех случаях должен быть не менее 0,5 мм, чтобы избежать замыкания припоем рядом расположенных токопроводящих линий при пайке погружением. 321 Расположение печатных проводников. Плоскостное расположение печатных проводников и деталей требует тщательно продуманного размещения их на основании. Проводники должны быть короткими, особенно в сеточных и анодных цепях, без резких переходов от широкой части к узкой. Изменение направления проводника должно быть по возможности плавным, с внутренним радиусом закругления R на углах не менее 2 мм (рис. 11.1). Резкие переходы проводника от широкой части к узкой и острые углы снижают механическую прочность сцепления фольги или наращенной меди с основанием, что при механической обработке платы или при нагреве во время пайки может привести к отслаиванию проводника. По той же причине проводники из фольги должны быть расположены на расстоянии не менее толщины платы от края ребер и больших отверстий платы. Таблица 11.6 Минимальная величина зазора между проводниками в зависимости от рабочего напряжения при различных методах изготовления плат печатного монтажа Расстояние Рабочее напряжение, в между ХимичеКомбинированЭлектрохимичепроводниский метод ный метод ский метод ками, мм 0,3 50 50 0,5 100 100 50 0,8 175 175 125 1,0 250 250 200 2,5 500 500 400 Примечание. Дли цепей с напряжением выше 500 е расстояние между проводниками увеличивается по 1 мм на каждые 100 е. При изготовлении печатной схемы методом травления участки фольги, не используемые как проводники, желательно оставлять на плате, соединяя их между собой и с заземленными 322 частями прибора. Однако следует избегать кольцеобразного расположения их вокруг высокочастотных узлов (например, катушек индуктивности), так как получающийся короткозамкнутый виток ухудшает их параметры. Для предотвращения вспучивания и отслаивания фольги от основания из-за выделяющихся газов во время нагрева всей платы при пайке в проводниках шириной более 5 мм делают сплошные щелевидные прорези или вытравливают небольшие участки фольги (рис. 11.2). Из экономических и технологических соображений (экономия фольги, травящих растворов и удобство установки деталей) проводники, получаемые методом травления, желательно размещать на одной стороне платы. Перекрещивание проводников можно осуществлять проволочными перемычками 1 или навесными деталями 2 и 3 (рис. 11.1), расположенными на стороне платы, не имеющей печатных проводников. Проволочные перемычки, вставленные в специально предусмотренные отверстия, припаивают к печатным проводникам одновременно с выводами навесных деталей погружением в расплавленный припой. Рис. 11.2. Щелевидные прорези и вытравленные участки в фольге При расположении проводников на обеих сторонах платы переход токопроводящих линий с одной стороны на другую осуществляется пустотелыми заклепками (пистонами) или от323 резками монтажного провода через специальные отверстия в плате. Вставленные в отверстия заклепки развальцовывают, а концы отрезков провода изгибают, как показано на рис. 11.3. Для получения надежной пайки весьма желательно пистоны и провода, а также соприкасающиеся поверхности печатных проводников предварительно облуживать. Рис. 11.3. Соединение печатных проводников, расположенных на противоположных сторонах плат с помощью пистона и монтажного провода: 1 – плата; 2 – пистон-заклепка; 3 – печатные проводники; 4 – монтажный провод; 5 - припой Рис. 11.4. Соединение расположенных на противоположных сторонах плат печатных проводников, полученных электрохимическим способом: 1 – печатный проводник; 2 – плата Изготовление печатных проводников электрохимическим методом на обеих сторонах платы и их переход с одной стороны -на другую не представляет технологических затруднений. Переход токопроводящих линий с одной стороны платы на другую осуществляется отложением металла на стенки специальных отверстий одновременно с нанесением проводников (рис. 11.4). При изготовлении печатного монтажа электрохимическим методом все проводники должны быть соединены между собой, 324 поэтому на плате необходимо располагать дополнительные технологические проводники, которые позволяют без дополнительных сложных приспособлений подвести ток ко всем участкам схемы. Для уменьшения сопротивления и отложения более равномерного слоя металла на всех участках схемы ширина технологических проводников должна быть как можно больше. Для той же цели к рабочим проводникам длиной более 250 мм подводятся в нескольких точках дополнительные технологические перемычки, которые после наращивания рабочих проводников удаляют или разрывают. Иногда удаление технологических проводников осуществляют штамповкой; разрыв их происходит при вырубании отверстий. Эту операцию можно производить также сверлением, зенкованием и обрезанием края платы, куда выведены эти технологические проводники. В некоторых случаях вместо технологических проводников применяют гибкий контакт в виде листа, закрывающего полностью одну сторону платы. После отложения металла на открытую сторону лист переносят на противоположную сторону с уже нанесенными проводниками. На краю платы предусматривают широкую металлизированную площадку размерами не менее 15 15 мм для контактирования зажима (подвески) при наращивании металла проводником. При изготовлении печатных схем комбинированным способом (негативным, позитивным), который является перспективным по сравнению с химическим и электрохимическим методами, печатные проводники схемы получают методом травлении фольги, а металлизацию монтажных отверстий проводя электрохимическим способом. В отверстиях образуется своеобразная пустотелая металлическая заклепка, которая электрически и механически соединяет контактные площадки обеих сторон платы (при двустороннем монтаже). 325 Гальванически осажденный в отверстиях металл служит надежным электрическим контактом и силовым элементом для крепления радиодеталей. Металлизировать отверстия можно до вытравливания рисунка схемы (позитивный способ). Этот способ является весьма перспективным, так как растворы и электролиты не действуют на поверхность диэлектрика, так как он закрыт фольгой. Единственным недостатком позитивного способа является то, что после сверления и металлизации отверстий на токоведущую часть печатной платы наносят слой серебра для защиты ее от травления. Операцию травления в большинстве случаев ведут в растворе персульфата аммония, вследствие чего этот метод неприемлем для серийного производства. При металлизации отверстий после вытравливания рисунка схемы (негативный способ) значительно ухудшается сцепление фольги с диэлектриком, при металлизации отверстий требуется контактирование разобщенных проводников схемы, растворы и электролиты при этом воздействуют на обнаженный диэлектрик, ухудшая его диэлектрические свойства. Несмотря на имеющиеся недостатки негативного способа, его широко применяют как в мелкосерийном, так и в серийном производстве. Негативный способ изготовления печатных плат ведут по следующей технологии: 1) нарезка заготовок и сверление фиксирующих отверстий; 2) копирование схемы; 3) проявление и тепловое дубление; 4) травление в растворе хлорного железа; 5) нанесение защитного слоя лака; 6) сверление и зенкование отверстий; 7) сенсибилизация в растворе хлористого олова и активирование в растворе хлористого палладия; 8) химическая металлизация; 9) электрохимическое меднение; 10) покрытие сплавом РОЗЭ; 326 11) покрытие флюсом. Технологический процесс изготовления печатного монтажа негативным способом заключается в следующем. Вытравливание проводников схемы проводят обычным фотохимическим способом, декапируют в серной кислоте, промывают, лакируют лаком ХСЛ для предохранения проводников от повреждения в процессе сверления и зенкования монтажных отверстий. Проводят подготовку плат по стандартной методике: обезжиривание — промывка, сенсибилизация — промывка, активация — промывка, сушка. Производят химическое меднение в растворе: медь сернокислая ..................................700 г натрий едкий ........................................ 100 г глицерин ................................................ 100 г формалин (33%) .................................... 15—20 мл Промывают, удаляют лаковую пленку, декапируют и в специальном приспособлении производят электрохимическое меднение в растворе состава: Си (BF4), .......................................... 230-250 г/л HBF4 ................................................ 18—20 г/л вода....................................................до 1000 мл После тщательной отмывки печатные проводники и металлизированные отверстия покрывают сплавом ПОСВ50 и производят покрытие флюсом ПлП. Технологический процесс получения печатных плат позитивным способом в отличие от рассмотренных заключается в следующем: для вытравливания схемы вместо раствора хлорного железа используют раствор персульфата аммония, в котором серебро не разрушается. Эмульсия состоит из поливинилового спирта, двухромового аммония и этилового спирта. Печатное изображение на плате получают контактным способом с диапозитива. Полученное изображение окрашивают в растворе металвиалетового красите327 ля, проявляют в теплой воде и задубливают в 6%-ном растворе хромового ангидрида в течение 1 мин. Для того чтобы придать эмульсионному слою химическую стойкость, печатные платы подвергают термообработке в термостате или сушильном шкафу при температуре 105—110° С в течение 60— 80 мин. Декапирование проводников в растворах азотнокислого железа, соляной и серной кислоты недостаточно, поэтому перед декапированием проводят крацевание. Крацевание ведут на крацовочных станках с латунными щетками (толщина проволоки 0,1—0,3 мм), применяя при этом 5%-ный раствор кальцинированной соды. Декапированные проводники печатных плат покрывают лаком АВ-4 из пульверизатора или окунанием для того, чтобы предохранить проводники схемы от контактного осаждения благородных металлов при их химическом активировании и для защиты эмульсионной пленки от разрушения в щелочной среде раствора химического меднения. После механической обработки (сверления) проводят тщательный контроль, обдувку сжатым воздухом, обезжиривание венской известью и сенсибилизацию в 10%-ном растворе двухлористого олова в течение 2 .'! мин, отмывают и активируют в растворе хлористого палладия, СОЛЯНОЙ кислоты и дистиллированной воды в течение 1—2 мин при температуре 18—25 ° С. Химическое меднение монтажных отверстий производят в растворе медного купороса, едкого натра, глицерина, аммиака, формалина в течение 15—20 мин при температуре 18—25° С. После химического меднения удаляют лаковую пленку от платы и проводят гальваническое меднение. При интенсивном перемешивании в электролите плотность тока 5—10 а/дм 2, состав электролита: медь кремнефтористоводородная; кремнефтористоводородная кислота. Гальваническое серебрение проводят при плотности тока 0,3— 0,4 а/дм2 и температуре 18—25° С в электролите следующего состава: 328 серебро ................................................ 15—20 г/л калий .................................................... 50—70 г/л роданистый калий ............................... 18—100 г/л углекислый калий ............................... 8—10 г/л После серебрения проводников и монтажных отверстий производят раздубливание эмульсии и вытравливание фольги. Раздубливание производят в растворе щавелевой кислоты и хлористого натрия, а травление фольги — в составе персульфата аммония 300 г, сернистого железа 1 г и воды 1 л, промывают и осветляют серебро в растворе мела 100 г и аммония 25%-ного 1 л. Общие требования к печатным млатам. Обычно печатные платы имеют форму квадрата или прямоугольника. Размеры платы не должны превышать 240 360 мм, при повышенной плотности монтажа — 120 180 мм, так как платы больших размеров непрочны, неудобны для обработки, коробятся в процессе получения печатного монтажа и пайки погружением. Рис. 11.5. Расположение отверстий на печатной плате: а – правильное; б – неправильное Основные размеры плат устанавливаются на шаг координатной сетки, диаметр и расположение отверстий под выводы электро- и радиоэлементов и толщину плат. Шаг основной координатной сетки в Двух взаимно перпендикулярных направлениях должен быть 3 мм. Для особо малогабаритной аппаратуры допускается применять вспомогательную 329 координатную сетку с шагом 1 мм. Центры отверстий под выводы многоконтактных электро- и радиоэлементов (реле, разъемов, ламповых панелей), которые в силу конструктивных особенностей не могут попасть в узлы координатной сетки, располагаются согласно размерам, указанным в нормалях или чертежах на эти элементы или детали. Рис. 11.6. Расположение отверстий под выводы многоконтактных навесных элементов: а – правильное; б – неправильное Центры отверстий под выводы элементов находятся в точках пересечения линии координатной сетки (рис. 11.5). При этом центр отверстия, принятого за основное, располагается в узле сетки, а центр одного из остальных отверстий — на одной из вертикальных или горизонтальных линий координатной сетки (рис. 11.6). Диаметры отверстий под выводы радиоэлементов на платах с печатным монтажом выбираются в зависимости от размеров выводов и метода изготовления печатных плат. При электрохимическом методе изготовления печатных плат металлизированные отверстия выбираются исходя из условий: d = dвыв + 0,5 мм Диаметры зенковок при этом выбираются из условий: dзенк = d + (0,5 ÷ 0,7) мм. При комбинированном методе (негативном и позитивном) изготовления печатных плат металлизированные отверстия размером более 1 мм выбираются, как и для электрохимического метода. 330 Отверстия 1 мм и меньше выбираются в зависимости от толщины плат и размеров выводов радиоэлементов. При выборе диаметров металлизированных отверстий размеры их округляют, придерживаясь следующего ряда: 0,5; 0,8; 1,0; 1,3; 1,5; 1,8; 2,0; 2,4. Допуски отклонения диаметров неметаллизированных отверстий от номинальных размеров должны выполняться в пределах: +0,10 мм для отверстий до 1 мм; +0,12 мм для отверстий до 2,5 мм; +0,2 мм для отверстий зенковок. Рис. 11.7. Сетчатое экранирование проводников Зенковка отверстий выполняется под углом 70°. Экранирование проводников должно быть не сплошным, а сетчатым (рис. 11.7). Щелевидные вырезы в экране располагают под углом 45 – 60°. Вокруг крепежных, проходных и технологических отверстий в экране делают кольцевые вырезы шириной 1—1,5 мм. Если в зону экрана попадают отверстия под выводы навесных радиодеталей, то на экране на расстоянии 1 мм от кромки отверстия выполняют полукольцевой вырез шириной 1—1,5 мм. При этом ширина металлизированной перемычки должна быть не 331 более 1,5—2 мм. Иногда вокруг отверстий допускаются полукольцевые вырезы или кольцевые секторы (рис. 11.8). На печатной плате обычно предусматриваются не менее двух технологических отверстий и «ключ», обеспечивающий установку платы только в одном положении. Общие требования к печатным узлам. Конструкция печатного узла разрабатывается с учетом особенностей печатного монтажа и методов изготовления плат. Печатный узел может быть одноплатным (рис. 11.9, а), межплатным (рис. 11.9, б) или сборным, состоящим из двух, трех и т. д. одноплатных печатных узлов (рис. 11.9, в). Навесные элементы устанавливают на плате таким образом, чтобы можно было выполнить пайку погружением, исключив воз действие припоя на эти элементы. Поэтому независимо от назначения и габаритных размеров все элементы в одноплатной конструкции располагаются с одной стороны платы (рис. 11.9, а), а в межплатной конструкции — между платами в вертикальном положении (рис. 11.9, б). В межплатных конструкциях недопустимо размещение навесных деталей на внешних сторонах плат и введение третьей платы. Рис. 11.8. Вырезы вокруг отверстий в экране: 1 – отверстия под пайку; 2 – проходные технологические отверстия Навесные радиоэлементы рекомендуется размещать на плате рядами, в определенном порядке (рис. 11.10, а). Иногда допускаются некоторые отступления от этого требования (рис. 11.10, б), но совершенно исключено расположение 332 деталей под различными углами друг к другу (рис. 11.10, в). Условная ось, проходящая через точки крепления двухвыводных навесных элементов, должна быть параллельна основному направлению наибольших механических нагрузок, воздействующих на изделие. Рис. 11.9. Конструкции печатных узлов: а – одноплатный; б – межплатный; в – сборный Рис. 11.10. Расположение навесных элементов на плате: 333 а – желательное; б – допустимое; в – недопустимое Выводы навесных элементов крепят в отверстиях платы. В каждом отверстии должен размещаться вывод только одного навесного элемента (рис. 11.11). Элементы и узлы с большим количеством выводов (малогабаритные трансформаторы, разъемы и т. д.) закрепляют на плате в зависимости от их конструктивного оформления и механической прочности платы. Примеры крепления малогабаритных трансформаторов приведены па рис. 11.12. Рис. 11.11. Крепление выводов навесных элементов: а – правильное; б – неправильное Тяжелые или специальные элементы устанавливают с помощью держателей (рис. 11.13), предотвращающих поломку выводов при воздействии механических нагрузок. Элементы, детали и узлы значительного веса и больших габаритов (например, силовые трансформаторы) размещают вне платы (рис. 11.14) и присоединяют к последней перемычками из монтажного провода или специальными гребенками, впаиваемыми в плату способом групповой пайки. Конструкция каждого узла должна предусматривать свободный доступ к любому элементу и детали печатной схемы и легкую замену их в процессе настройки и эксплуатации. Во избежание замыкания печатного проводника на корпус прибора плата изолируется от шасси. Заземление осуществляется по средствам перемычек и лепестков, впаянных в монтажные 334 отверстия и контактирующих с шасси прибора. Непосредственный контакт печатного проводника с шасси не допускается. Рис. 11.12. Крепление на плате малогабаритных трансформаторов Для перехода с одной платы на другую применяются переходные элементы—разъемы, переходные колодки, устанавливаемые так же, как и навесные радиоэлементы (рис. 11.15). При надлежащем закреплении двух взаимно перпендикулярных плат переходы могут выполнять с помощью «шипов», как показано на рис. 11.16. Использование навесных радиоэлементов в качестве переходных в сборных П и Г-образных конструкциях не рекомендуется. После окончательной сборки печатный узел покрывают лаком. Оформление чертежей. Чертеж печатной платы (рис. 11.17) должен содержать: а) габаритные размеры платы; б) размеры ширины печатного проводника, обязательно указываются проводники шириной до 1 мм включительно, ширина же прочих проводников выдерживается по координатной сетке; в) расстояние между проводниками, обязательно указываются расстояния менее 1,5 мм; 335 Рис. 11.13. Крепление потенциометра на плате с помощью держателя 1 – держатель; 2 – выводы Рис. 11.14. Размещение крупногабаритного элемента Рис. 11.15. Переходные элементы г) маркировку отверстий и схемных обозначений элементов со стороны их установки. В обычных одноплатных кон336 струкциях маркируются отверстия под элементы с гибкими выводами и под переходные элементы (проволочные перемычки, штепсельные разъемы, переходных колодки), в межплатных конструкциях маркируются все отверстия печатной платы. Рис. 11.6. Переход с помощью «шипов»: 1 – шасси; 2 – плата; 3 – проводник; 4 – место пайки Кроме того, в технических требованиях на чертежах указываются: шаг координатной сетки (допуск на параллельность линий координатной сетки ± 0,1 мм); допуски на ширину проводников (обычно в узких местах +0,2 мм, а в остальных +0,5 мм); допустимые отклонения от чертежа в расположении проводников (обычно + 1 мм); способ маркировки отверстий (чаще всего цифры располагаются симметрично осям отверстий и выполняются белой маркировочной краской или травлением). 337 Рис. 11.17. Пример оформления чертежа печатной платы (без координатной сетки) В качестве базы при обработке принимается одно или два не-металлизированных крепежных отверстия или край платы. При отсутствии крепежных отверстий обработку ведут от технологических отверстий, которые могут выполняться как на самой плате так и вне платы. Использование в качестве базы металлизированных отверстий не допускается. Межцентровые расстояния между базовыми отверстиями и любыми другими отверстиями, не требующими специальных допусков, выполняются с точностью ±0,1 мм. Остальные указанные без допусков размеры выполняются по 7-му классу точности. Рис. 11.18. Пример оформления чертежа печатного узла: 1 – диод; 2 и 3 – конденсаторы; 4 – трансформатор; 5 – транзистор; 6 – плата; 7 – контакт 338 На чертеже печатного узла (рис. 11.18) изображаются печатная плата с навесными элементами, переходными элементами (перемычками, переходными колодками и т. п.) и элементами, закрепляемыми механическим путем (развальцовкой, заклепками и пр.), с последующей опайкой. Все навесные элементы должны иметь маркировку согласно принципиальной схеме. Монтажные проводники указываются в угловой спецификации на чертеже. Кроме того, в технических требованиях должны быть указаны способы пайки выводов элементов, защиты печатного узла лаком и марка последнего. Технологические требования к навесным деталям. Возможность применения автоматизации и механизации сборки при использовании печатных схем во многом зависит от конструкции выводов навесных деталей. Навесные детали с боковыми выводами прямоугольного сечения весьма трудно подготовить и установить на печатные платы с помощью сборочных машин. Такие выводы невозможно выправить и изогнуть по заданной форме с помощью несложных по конструкции сборочных машин, а существующий большой разброс допусков на расстояние между выводами затрудняет установку деталей на плате. Бункеризация и транспортировка подобных деталей по направляющим машин из-за несимметричности выводов почти невозможны. Кроме того, для надежной пайки прямоугольных выводов в плате необходимо пробивать прямоугольные или овальные отверстия, что усложняет инструмент для этой операции. Производить сборку таких деталей на платах, выполненных по координатной сетке, невозможно, так как расстояния между выводами деталей разных типов и номиналом различны и не кратны друг другу. С технологической точки зрения проволочный вывод круглого сечения наиболее целесообразен; его легко выправить и изогнуть, это позволяет выправлять, обрезать и изгибать выводы па относительно простых сборочных машинах. Круглое отверстие в плате для крепления такого вывода проще выполнять. 339 Транспортировка и набор в кассеты таких деталей или приклеивание к липким лентам, как это делают за рубежом, не вызывают трудностей. Обычно круглые выводы делают диаметром 0,8 и 1 мм, облупленные или посеребренные. Если круглые выводы конструктивно невыполнимы, то делают выводы прямоугольного сечения. Они должны быть жесткими, минимальной длины, и расстояние между ними должно быть подчинено определенной системе, отвечающей требованиям расположения отверстий на плате по координатной сетке. Допуски на размеры между выводами не должны превышать ±0,4 мм. Некоторые зарубежные фирмы изготавливают переменные резисторы, селеновые выпрямители, узлы с катушками индуктивности и другие нанесшие детали с плоскими жесткими выводами конусной формы, что позволяет временно закреплять детали без подгибки. Проектирование сложных по форме навесных деталей для печатных схем должно удовлетворять требованиям автоматизации процессов сборки и максимально использовать преимущества печатных схем. Так, крепление крупных деталей на плате может производиться не только путем пайки и токоведущим выводом, но и с помощью специальных отростков от корпусов, которые припаиваются или к отдельным участкам фольги, или к общему заземленному широкому проводнику. Эти детали и узлы должны иметь технологические выступы или желоба, позволяющие легко осуществить их транспортировку по направляющим сборочных машин с ориентацией деталей в определенном положении для правильной установки их на плате. При разработке электро- и радиоэлементов, крепежных и установочных деталей, применяемых в аппаратуре с печатным монтажом, внешнее конструктивное оформление их должно обеспечивать простоту и удобство механизированной и автоматизированной сборки. Все элементы должны быть приспособлены для установки их на печатные платы, отверстия в которых расположены 340 по координатной сетке с шагом 3 мм. Следует применять малогабаритные радиоэлементы, они должны быть простой геометрической формы, желательно цилиндрической. Допуски на размеры корпуса элемента должны быть не более ± 0,25 мм. Полярные радиоэлементы, а также элементы с тремя или более выводами снабжают «ключом» для ориентировки их при установке на печатную плату сборочной машиной. Рис. 11.19. Расположение навесных элементов на плате Рис. 11.20. Крепление навесных элементов с круглыми осевыми выводами в узлах межплатной конструкции Малогабаритные радиоэлементы должны иметь осевые выводы. Радиальные выводы применять не рекомендуется. Для широковещательной аппаратуры, работающей бее воздействия механических нагрузок, допускается крепление крупногабаритных узлов (контуров, трансформаторов, дросселей) с помощью защелкивающихся зажимов или крепежных лапок с последующей пайкой. 341 Рис. 11.21. Подготовка навесных элементов с плоскими радиальными выводами для крепления в узлах межплатной конструкции Радиоэлементы должны поступать на сборку в таре, обеспечивающей сохранение прямолинейности выводов при транспортировке, а также удобной для установки элементов на плату с помощью автоматического укладчика (например, лента с резисторами, свернутая в рулон). Способы установки навесных элементов на печатные платы. Перед пайкой выводы навесных элементов, а также перемычки из монтажного провода закрепляют в отверстиях платы, чтобы они не выпадали в процессе транспортировки и групповой пайки. Элементы крепят, пропуская выводы в отверстия и подгибая их под платой в любом направлении. Длину подогнутого участка вывода делают не менее 0,6 мм, а место изгиба вывода — не ближе 2 мм от корпуса элемента. Расстояние между корпусом или выводами элемента и краями платы предусматривают не менее 2 мм (рис. 11.19), между корпусами соседних элементов или узлов — не менее 0,5 мм, а от края корпуса радиоэлемента до центров отверстий под выводы других радиоэлементов, расположенных перпендикулярно, не менее 1 мм. В печатных узлах межплатной конструкции навесные элементы располагают между двумя платами вертикально. Элементы с круглыми осевыми выводами (типа резисторов МЛТ) крепятся в них путем изгибания одного из выводов (рис. 11.20), а радиоэлементы с плоскими радиальными' выводами (типа рези342 сторов ВС) — с помощью неизбежного или необрезанного участка вывода или изгиба вывода (рис. 11.21). Рис. 11.22. Крепление навесных элементов в узлах одноплатной конструкции: а – с осевым выводами; б – с радиальными выводами Обжатый вывод закрепляют в отверстии путем развертывания его при обрезке. В печатаных узлах одно платной или сборной конструкции навесные элементы располагаются параллельно поверхности платы без зазора или зазором между корпусом элемента и платой, равными 2-3 мм. Для предохранения регулировочных элементов (например, контурных катушек индуктивности) ОТ воздействия лака при лакировании погружением их корпуса должны быть приподняты над поверхностью платы на 3—5 мм, а открытые контакты переходных колодок, реле, монтажных стоек — на 5—10 мм. Навесные элементы с круглыми осевыми выводами, как и элементы с плоскими радиальными выводами в указанных печатных узлах конструкции, крепятся путем изгиба выводов (рис. 11.22). 343 11.3. Классификация методов изготовления печатных плат Процесс, изготовления печатных плат состоит из операций, с помощью которых создается токопроводящее покрытие на изоляционном основании и соответствии с заданным рисунком печатного монтажа. Методы изготовления печатных плит классифицируют по способам создания токопроводящего покрытия и способам нанесения изображения печатных проводников. Способы создании токопроводящих покрытий. Существуют следующие способы создания токопроводящих покрытий: электрохимический — тонкий слой металла (1—2 мк), нанесенный способом химического осаждения, наращивают до требуемой толщины в электролитической ванне; электролитический с переносом — проводники предварительно осаждаются электролитическим способом на специальную металлическую матрицу с последующим переносом их на изоляционное основание; фольгирование — лист медной электролитической фольги приклеивается к изоляционному основанию с одной или двух сторон; вжигание — соединения серебра, содержащегося в пасте, нанесенной на поверхность изоляционного основания, при обжиге восстанавливаются в металлическое серебро, сцепляющееся с основанием; шоопирование — расплавленный металл разбрызгивается на изоляционное основание с помощью воздушного пистолета; вакуумное распыление (вариант катодное распыление) — металлическая пленка наносится на изоляционное основание путем распыления металла в вакууме изогнутой либо под воздействием электрического поля; запрессовка металлических порошков — порошок металла вдавливается в изоляционное основание нагретым штампом. Способы нанесения изображения печатных проводников. Изображение печатных проводников на изоляционном основании получают с помощью трафаретов. К трафаретам относятся 344 фотодиапозитив или негатив, офсетная печатная форма, сетка с изображением проводников, пресс-форма, штамп, шаблон и т. д. Соответственно этому существуют следующие способы нанесения изображения: фотографический — копирование контактным способом изображения проводников с фотодиапозитива или негатива на основание, покрытое светочувствительной эмульсией; офсетный — нанесение позитивного или негативного изображения проводников на основание защитной краской с помощью печатной формы; сеточнографический — нанесение позитивного или негативного изображения проводников на основание защитной краской через сетчатый трафарет; прессование — создание с помощью пресс-формы позитивного рельефного изображения проводников на плате в виде канавок; штамповка — вырубка проводников из листа фольги, наложенного на изоляционное основание, специальным штампом; тиснение — нанесение на основание кислотостойких пленок позитивного или негативного изображения проводников с помощью нагретой матрицы и пленочной краски (фолии); ксерографический — фотографирование позитивного или негативного изображения печатных проводников методом проекции на пластину с полупроводящим слоем, заряженным до заданного потенциала. Скрытое электростатическое изображение проявляется с помощью заряженных пигментированных порошков, переносится на основание с помощью промежуточной подложки и оплавляется; гравирование — создание с помощью специального инструмента позитивного рельефного изображения проводников в виде канавок; рисование — нанесение изображения проводников на фольгированное изоляционное основание кислотостойкими красками вручную с помощью кисти или плакатного пера; нанесение защитной краски через шаблон. 345 Методы изготовления печатных плат. Сочетание определенного способа создания проводящего покрытия с тем или иным способом нанесения изображения проводников определяет изготовление печатных плат (рис. 11.23). Рис. 11.23. Способы нанесения изображения печатных проводников и создания токопроводящих покрытий при различных методах изготовления печатных плат 346 Наибольшее применение в промышленности находят фотоэлектрохимический, офсетноэлектрохимический, сеточноэлектрохимический методы, фотонеренос, офсетоперенос, сеточный перенос, фотохимический, офсетнохимиический, сеточнохимический методы. Сводка основных методов изготовления печатных плат и их характеристики приведены в табл. 11.7. 11.4. Создание токопроводящих покрытий Наибольшее распространение получили электрохимический метод создания токопроводящих покрытий, травление фольгированного диэлектрика, метод переноса, а также метод вжигания серебра в керамику. Метод электрохимического осаждения металла. Типовой технологический процесс получения печатной схемы электрохимическим способом состоит в основном из следующих операций: заготовка платы, гидропескоструйная обработка ее, печатание схемы, обработка растворами двухлористого олова и азотнокислого серебра с промежуточной промывкой, химическое меднение, снятие краски, электролитическое меднение, промывка водой, сушка. Возможно покрытие проводников припоем ПОСВ-50, никелем или серебром. Рассмотрим технологическую последовательность изготовления печатных плат этим методом при использовании в качестве основания листового гетинакса или другого листового изоляционного материала. Листы разрезают на полосы, из которых вырубают основания требуемой формы. Для лучшего сцепления с проводниками основание подвергают пескоструйной обработке кварцевым песком (диаметр зерен 0,1—0,2 мм), а затем обдувают сжатым воздухом для удаления пыли и приставших песчинок. На одну или обе стороны обработанных оснований наносят кислото- и щелочеупорной краской негативный рисунок схемы, т. е. покрывают краской те участки поверхности, на которые не должен при дальнейшей обработке осаждаться металл. 347 В условиях массового производства нанесение краски осуществляется способом офсетной печати. Печатание производят на плоскопечатном офсетном станке типографской краской с помощью клише. Такие станки применяются в типографиях для опробования изготовленных клише и для печатания небольших партий полиграфических изделий. Станок (рис. 11.24) состоит из станины 1 с двумя направляющими, по которым движется каретка 6 с вращающимся барабаном 8. Между направляющими укреплены два стола 2 и 4, на одном из которых устанавливается форма клише 3, а на другом заготовка-плата 5. На барабан натянута специальная офсетная резина 9, с помощью которой краска с формы переносится на плату. Краска переходит с клише 3 на резину 7, а с нее на плату 5. Возвратно-поступательное движение каретки и вращательное движение барабана строго согласованы, так что резина 9 при этих перемещениях не скользит по изделию и форме, а прокатывается, не размазывая краски рисунка. Форма клише, таким образом, является оригиналом, с которого производится печать. Для изготовления формы-клише на ватмане вычерчивают в увеличенном масштабе изображение печатного монтажа. Затем это изображение фотографируют с уменьшением до необходимого для печати размера. В зависимости от способа изготовления печатного монтажа и формы-клише изготовляют негатив или диапозитив и уже с помощью этого отпечатка фотохимическим способом приготовляют форму-клише. Рис. 11.24. Плоскопечатный станок для офсетной печати 348 Для печати применяют цинкографские клише с рельефным изображением, плоские формы, металлическая поверхность которых после специальной химической обработки приобретает способность воспринимать краску только на необходимых участках, образуя тем самым нужный рисунок, и биметаллические формы. Для изготовления последних на основной металл — медь — гальваническим способом в соответствии с требуемым рисунком наращивается другой металл — никель; после химической обработки краска пристает только к меди, образуя на форме определенный рисунок. Биметаллические формы позволяют получать более тонкие линии с ровными краями. Стойкость этих форм благодаря значительной твердости никеля выше, чем цинкографских и плоских форм-клише; они выдерживают до 300 тыс. оттисков, в то время как с плоских форм можно получить до 50 тыс. оттисков. После нанесения рисунка схемы краску припудривают порошкообразной канифолью и тальком и сплавляют в печи при температуре 100—110° С. Канифоль наносят для улучшения кислотостойкости напечатанного рисунка (это делается также при фотоспособе). Усиление краски смолистыми материалами необходимо, чтобы предотвратить протравливание фольги или наращивание металла в ненужных местах. Простота технологического процесса и высокая производительность при офсетном печатании рисунка позволяют применять его для серийного и массового производства печатных плат. Основания с высушенным слоем защитной краски обрабатывают в водном 10%-ном растворе двухлористого олова, погружая в него на 1—2 мин. При этом участки поверхности, не защищенные краской, подвергаются интенсивному воздействию двухлористого олова, что улучшает сцепление с основанием слоя серебра, химически осаждаемого при следующей операции. Ионы двухвалентного олова восстанавливают соли серебра. Последние образуют большое количество центров кристаллизации, что способствует последующему равномерному отложению серебра контактным способом. После обработки в растворе основания тщательно промывают проточной водой. Затем они посту349 пают в ванну с 1%-ным раствором азотнокислого серебра, где их выдерживают в течение 1—2 мин, после чего высушивают в струе воздуха, нагретого до 50-60° С. Следующий за этим процесс химического меднения основан на восстановлении металлической меди из водного раствора солей при воздействии восстановителей. Медь находится в водном растворе в виде комплексного соединения — куприта меди Си(ОН)2 + 2NaOH Na2[Cu(OH)4]. В качестве восстановителя применяется 40%-ный водный раствор формалина. После химического меднения защитную краску, которой были покрыты все места основания, свободные от электропроводящих элементов схемы, снимают органическим растворителем. Освобожденное от краски основание промывают в растворителе РДВ или в специальной моющей жидкости и на слой меди, осажденной химическим восстановителем, наращивают новый слой электролитическим способом в ванне с кислым медным электролитом [сернокислой меди — 250 г/л и серной кислоты (уд. вес 1,84) 70 г/л]. Толщина наращиваемого слоя — до 10—20 мк; увеличение толщины свыше 25 мк влечет за собой уменьшение силы сцепления металла с основанием. Извлечение из электролита основания промывают проточной водой, сушат в струе воздуха, нагретого до 100° С. Для защиты в период межоперационного и длительного складского хранения и для облегчения процесса пайки слой меди покрывают сплавом ПОСВ-50 горячим способом (окунанием в расплавленный припой) и затем консервирующим флюсом ПЛП. Разъединение отдельных цепей схемы, замкнутых технологическими проводниками, производится после вырубки в основании сквозных технологических отверстий требуемых очертаний на вырубном штампе в эксцентриковом прессе за одну операцию. Основные достоинства метода электролитического осаждения заключаются в том, что выполнение технологических операций происходит при низких температурах (последнее позволяет использовать в качестве основания нетермостойкие мате350 риалы); электрический переход с одной стороны на другую осуществляется одновременно с нанесением проводников схемы, благодаря чему исключается применение специальных деталей и дополнительных операций. К недостаткам этого метода относится пониженная на 20— 30% электропроводность токопроводящих линий; пониженная (по сравнению с фольгированным гетинаксом) прочность сцепления металла с изоляционной платой; относительно большая длительность технологического цикла и номенклатура применяемых материалов; некоторая трудность электрического соединения с навесными деталями, а также снижение электрических параметров изоляционного материала платы вследствие ряда химических воздействий на нее в процессе технологической обработки. Метод травления фольгированного гетинакса. Технологический процесс изготовления печатных проводников методом травления фольгированного гетинакса заключается в том, что на плату из специального одностороннего или двустороннего фольгированного гетинакса любым из известных способов (методом пульверизации через трафарет, методом шелкографии или образованием схемы фотохимическими способами) наносится рисунок схемы, защищающий фольгу от действия хлорного железа, которое, воздействуя на незащищенные участки, растворяет фольгу, проявляя тем самым нанесенный рисунок схемы. После этого удаляют защитную краску или фотоэмульсию промежуточными промывками и нейтрализацией. При изготовлении фольгированного гетинакса для печатных схем употребляется электролитическая медная фольга. Одна сторона фольги должна быть матовой для прочного склеивания с гетинаксом, а другая — достаточно гладкой, чтобы точно воспроизвести рисунок схемы и обеспечить хорошее травление. Для лучшего сцепления с гетинаксом фольгу со стороны приклеиваемой поверхности оксидируют. Электролитическая медная фольга может быть любой ширины. Ее получают из раствора сернокислой меди с добавлением серной кислоты. 351 Поверхность фольги должна быть чистой, гладкой и ровной, без забоин, царапин, рисок и вмятин. На ней не допускаются следы жиров и масел, места, захватанные пальцами, проколы и отверстия. Отклонения медной фольги по толщине (в мм) не должны превышать следующих значений: При толщине ленты, мм 0,015 0,020 0,030 0,040 0,050 0,070 0,080 Отклонение, мм +0,002 ±0,002 -0,003 ±0,002 -0,006 +0,004 -0,008 Допустимые отклонения ленты шириной 600, 700, 1000 мм по ширине составляют ± 1,0 мм. Технологический процесс изготовления печатных схем методом травления состоит из операций нанесения защитной пленки на фольгу в соответствии с рисунком схемы и удаления незащищенных участков фольги (травления). Нанесение защитной пленки. Защитную пленку можно наносить несколькими способами, из них наиболее распространены фотоспособы, офсетный способ и шелкография. При фотоспособе пленка светочувствительной эмульсии, нанесенная на фольгу, под действием сильного источника света переходит в нерастворимое состояние и приобретает кислото- и щелочеупорные свойства. При изготовлении печатных схем применяют эмульсии, приготовленные на основе поливинилового спирта, реже на основе наволочно- эпоксидной смолы и дизопродукта, эмульсии на основе поливинилового спирта изготавливают по рецепту: 352 Поливиниловый спирт ......................... 70—100 г Аммоний двухромовокислый .............. 10—15 г Уксусная кислота (ледяная) ................. 2 —3 мл Этиловый спирт ................................... 10—20 мл Эмульгатор ОП-10 ................................ 10 мл Вода дистиллированная ...................... до 1 л Перед нанесением эмульсии поверхность фольга зачищают влажным маршалитом, предварительно просеянным через сито № 0042—0053, промывают при помощи тампона влажной венской известью и затем после промывки проточной водой декапируют в течение 10—15 сек 5—10%-ным раствором соляной кислоты. Рис. 11.25. Трафарет, выполненный на фотопленке или фотопластинке (светлые места соответствуют рисунку печатного монтажа) Эмульсию наносят на фольгу поливом или погружениями. Удаление воды (сушка) и выравнивание толщины пленки эмульсии осуществляется в центрифуге. Засвечивание эмульсии производится через трафарет со светопроницаемым рисунком печатной схемы или печатного монтажа (рис. 11.25). Негативный рисунок схемы сначала вычерчивают в увеличенном масштабе на бумаге, а затем с требуемым уменьшением фотографируют на контрастную фотопленку, 353 которая и используется как трафарет. Для засвечивания применяют источники света с большой ультрафиолетовой зоной в спектре. Засвеченные участки эмульсии частично полимеризуются, в результате чего повышается стойкость пленки против растворителей. Полимеризованную пленку эмульсии проявляют. Окрашивают в метилвиолете, промывают, задубливают в хромовом ангидриде в течение 0,5—1,5 мин, промывают в проточной воде для полного удаления неполимеризовавшейся эмульсии. Полученный защитный рисунок высушивают на воздухе. Для повышения стойкости защитной пленки основание нагревают при температуре 50—70° в течение 20—30 мин, что повышает степень полимеризации эмульсии. Рис. 11.26. Печатная схема с индуктивностями и емкостями, выполненными на одной стороне основания: 1 — емкости; 2 — индуктивности Промежутки между отдельными элементами печатной схемы могут быть доведены до 0,2 мм, что позволяет выполнить печатным способом емкости небольших номинальных значений на одной стороне основания (рис. 11.26). Минимальная ширина металлических проводников 0,3—0,6 мм. 354 Недостатком фотографического способа нанесения защитного рисунка является высокая трудоемкость. Нанесение защитной пленки шелкографическим способом применяется в серийном производстве. Процесс осуществляется с помощью сетчатого трафарета-рамки с натянутой на нее шелковой или тонкой металлической сеткой. Сетку покрывают светочувствительной эмульсией. На эмульсию накладывают диапозитивное изображение печатной схемы и засвечивают. Под действием света не закрытые рисунком участки эмульсии полимеризуются, изображение проявляют, как показано выше. Готовый трафарет накладывают на основание печатной платы а через открытые ячейки сетки продавливают валиком или обжимной линейкой кислотостойкую краску, получая на поверхности фольги защитный слой нужного рисунка. Удаление участков фольги, не покрытых защитным слоем (травление). Наиболее рациональным способом, совершенно не связанным с выделением вредных для здоровья газов, является травление водным раствором технического хлорного железа (уд. вес 1,24 г/см3). Процесс разрушения незащищенных участков медной фольги протекает следующим образом: 2FeCl3 + Си → 2FeCl2 + СиС12. Хлористая медь (СиС12) переходит в раствор, смешиваясь с раствором хлористого железа (FeCl2), в результате чего первоначальный темно-желтый цвет раствора хлористого железа становится грязно-зеленым. Длительность процесса травления зависит от толщины фольги. Для ускорения его хлористое железо подают на фольгированное основание под давлением 1,5—2 am с подогревом до 80—90° С. Сокращение времени травления необходимо для точиого воспроизведения рисунка схемы: чем быстрее процесс, тем меньше разрушение фольги под защитным слоем. После травления основание промывают холодной проточной водой, сушат и удаляют защитный слой. Основное преимущество метода изготовления печатных плат травлением фольгированного гетинакса заключается в про355 стоте технологического процесса, не требующего сложного оборудования и применения сложных химических процессов и материалов, и в получении печатных проводников высокого качества. К его недостаткам относятся: большой непроизводительный расход материала фольги вследствие перехода меди в раствор хлорного железа при травлении и трудностей восстановления меди из раствора; необходимость применения металлических соединений при переходе с одной стороны платы на другую в двусторонних схемах, а также снижение электрических параметров диэлектрика в результате воздействия активных химических продуктов. Метод переноса. Метод переноса, позволяющий в короткие сроки организовать производство печатных схем, основывается на способности некоторых электролитов при электролизе давать на металлах и сплавах осадки, имеющие слабое сцепление с этими металлами. Таким свойством обладает, например, пирофосфорнокислый электролит меднения, который на стали с присадкой хрома при определенном режиме электролиза дает легко снимающиеся с основы осадки меди. Подобными свойствами обладают также осадки меди на алюминии и его сплавах или на нержавеющей стали из обычных сернокислых электролитов. Если на металлическую подложку — матрицу нанести фотохимическим способом, офсетной печатью или шелкографией защитный слой, воспроизводящий рисунок схемы, то при электролизе на пробельных местах матрицы отложится медь, т. е. проводники схемы. Если наложить такую матрицу на изоляционную плату, на которую нанесен слой клея, достаточно небольшого давления, чтобы проводники схемы перешли на эту плату, так как сила сцепления медного осадка с клеем оказывается выше, нежели с матрицей. Последующей прокаткой на валках и полимеризацией клеевой пленки повышают силу сцепления меди с платой. Метод переноса, хотя и содержит больше технологических операций по сравнению с методом травления фольгированного гетинакса, обеспечивает более высокое качество печатных плат, 356 и применим для любого изоляционного материала, если к нему может быть приклеена осажденная из матрицы схема. Для изготовления печатных схем методом переноса могут быть использованы как сернокислый, так и пирофосфорнокислый электролиты меднения (табл. 14-8). В промышленности благодаря большей эффективности и меньшей стоимости более широко применяется сернокислый электролит. Таблица 11.7 Свойства электролита Параметры Сернокислый Пирофосфорнокислый электролит электролит Предельная допустимая плотность тока без перемешивания, а/дм………………….... 5—6 3—4 Рабочая температура электролита, °С.............. 35—45 50—60 Выход по току................ 90—95 80—90 Приготовление электролита........................... Растворением С промежуточным исходных получением пирофосхимикатов форнокислой меди Стоимость 1 л электролита, коп. 21 69 Матрица должна обладать небольшой силой сцепления с образовавшимися на ней медными проводниками и достаточной механической прочностью. Кроме того, материал матрицы должен быть устойчив к воздействию растворов серной кислоты, солей, щелочей и влаги. Чаще всего для матриц применяют сталь 1Х18Н9Т. Клеи для производства печатных схем методом переноса должны обладать достаточной адгезией к меди и материалу изоляционных плат и выдерживать изменения температур от —60 до +120° С. Этим условиям лучше всего удовлетворяют клеи на 357 основе поливиниловых и феноловых смол: БФ-2, БФ-4 и БФ-6. Клеевое соединение на БФ-4 обладает большей эластичностью. Для переноса проводников необходимо полное прилегание их поверхности к клеевой пленке, нанесенной на плату. Нельзя допускать смещения проводников на плате во время переноса. 11.5. Многослойные печатные схемы В настоящее время широко используются для монтажа радиоаппаратуры многослойные печатные схемы. Их применение в ближайшем будущем еще более возрастет, так как этот способ монтажа позволяет достичь большой плотности, повысить надежность и снизить стоимость изделий. В связи с этим в последние годы разработаны различные фольгированные диэлектрики для изготовления многослойных печатных плат марок ФДТ, ФДМ, ФДМЭ, ФГ. Основой для диэлектриков применяют стеклоткань марки Э, пропитанную спиртотолуольным раствором, состоящим из эпоксидов и феноло-формальдегидной смолы, модифицированной поливинилобутираллем. В качестве связующего применяют эпоксидную смолу ЭД6. Применение эпоксидной смолы ЭД-6 позволило максимально использовать свойство стеклоткани (прочность, теплостойкость, механические качества). Толщина диэлектриков составляет 0,1—0,2 мм. Применение стеклоткани позволило получить диэлектрики с высокой механической прочностью и повышенной теплостойкостью. При изготовлении ФДТ и ФДМ приклеивание фольги к диэлектрику выполняют фенольполивинилбутарилистым клеем БФ-4 с добавлением пылевидного кварца. Кварц вводят с целью повышения адгезии и теплостойкости клея. Для всех видов указанных марок применяется фольга оксидированная толщиной 0,035—0,05 мм. Склеивание многослойных плат производят клеем БФ-4 или БФР-4 при температуре 100—110° С в течение 10—30 мин 358 или при помощи пропитанной стеклоткани, поставляемой с фольгированными диэлектриками. При этом прессование ведут при давлении 40—60 кг/см2 при температуре 150—160° С в течение 10— 30 мин. Фольгированные диэлектрики ФДТ, ФДМ, ФДМЭ широко применяют в интервале температур от —60 до +120° С. При необходимости получить гибкие печатные схемы применяют фольгированный материал ФГ. Он может длительно работать при интервале температур —60 +100° С. Печатные платы допускают от 150 до 300 перегибов в зависимости от количества слоев платы и расположения проводников. В качестве наполнителя для него применяется капроновая ткань толщиной 0,09—0,1 мм. При изготовлении отдельных слоев печатного монтажа используют метод химического травления фольгированных диэлектриков. Изображения при этом следует наносить фотохимическим способом, который имеет значительные преимущества по сравнению с трафаретной печатью и другими способами. Он обеспечивает наиболее точные в отношении стабильности размеров и частоты линии проводников. При фотохимическом способе наиболее зарекомендовала себя технология изготовления плат с использованием копировального слоя на основе поливинилового спирта двухромовокислым аммонием. Тепловое дубление производят при температуре 90—100° С в течение 1 ч. Травление выполняют в растворе хлорного железа с удельным весом 1,38—1,40. Растворение меди в этом растворе происходит равномерное с очень четкими краями проводников. Общее внимание к разработке, изготовлению и применению многослойных печатных схем вызвано теми преимуществами, которые они дают при проектировании, изготовлении и монтаже: 1) многослойные печатные схемы сводят к минимуму пересечения проводников и объем радиоаппаратуры; 2) конструировать их значительно легче, чем обычные печатные схемы; 359 3) весь монтаж осуществляется одновременно, поэтому материальные затраты и время на его выполнение значительно уменьшаются; 4) отверстия можно располагать очень близко друг к другу: если на обычных платах минимальное расстояние равно 2,5 мм, то на миниатюрных многослойных печатных герметизированных схемах оно сокращается до 1,3 мм; 5) схемы заливают эпоксидной смолой, что позволяет располагать проводники ближе друг к другу и увеличивать допуски на толщину печатных проводников; залитые схемы хорошо защищены от воздействия окружающей среды; 6) применение многослойных печатных схем увеличивает общую надежность оборудования. Конструкция многослойных печатных схем. Многослойные печатные схемы состоят из перемежающихся тонких слоев диэлектрика и проводящего травлением материала. При этом образуется однородный блок, в котором предусмотрены все необходимые соединения элементов, размещенные на разных уровнях. Варианты конструкций многослойных схем, используемые в промышленности, различаются методами соединений между слоями. Так, в конструкции типа «сэндвич» перемежающихся проводников слои диэлектрика собраны между двумя пластинами из жесткого изолированного материала. Для соединения проводящих слоев друг с другом используют выводные штыри. В другой конструкции многослойных схем соединение между слоями осуществляется через край: конец проводника вышележащего слоя налегает на проводник нижнего слоя (рис. 14-27). Проводники наносят печатным способом. Для удобства соединения каждый верхний слой по размерам меньше нижнего. За рубежом наиболее распространена конструкция многослойных печатных схем, в которой слои соединены между собой с помощью металлизированных отверстий. Для изготовления таких схем используют фольгированный медью эпоксидный стеклопластик; минимальная толщина изоляции между слоями 360 0,1 мм. Все платы имеют одинаковые структуру и покрытие. Допуск на толщину плат ± 0,12 мм. Навесные детали (резисторы, конденсаторы, полупроводниковые приборы) располагают с одной или с двух сторон наружной поверхности многослойной печатной платы. Выводы деталей механически закрепляют, а затем опаивают в металлизированных отверстиях, пистонах и на штырях. В некоторых случаях производят дополнительное крепление деталей к поверхности платы путем приклейки или механического закрепления. Рис. 11.27. Конструкция многослойной платы с соединением через край Примерные электрические параметры многослойных схем сопротивления между двумя любыми проводниками не менее 50 000 Мом при 100 в напряжения постоянного тока, приложенного в течение 1 мин; максимальное напряжение пробоя между двумя проводниками 1 000 в при пике переменного или постоянного тока, приложенном в течение 1 мин; диэлектрическая постоянная 5,8. Схемы выдерживают температуру 150 ±5° С в течение 3—4 ч без пузырения, отслоения и других дефектов; они позволяют выполнять пайку волной припоя или погружением на 10 ± 1 сек при температуре припоя 260° С, удалять или заменять отдельные навесные детали и модули, причем 10 циклов нагрева не вызывают нарушения работы схем. Минимальная ширина проводников для внутренних слоев 0,2 ± 0,05 мм, для наружных 0,35 ± 0,1 мм, минимальный размер металлизированного отверстия 0,45 ± 0,07 мм, минимальное от361 ношение диаметра отверстия к толщине готовой платы 1 : 3; наименьшая толщина материала покрытия: медь — 0,025 мм; золото — 0,0025 мм; сплав олово — свинец — 0,012 мм. Качество многослойных схем с высокой плотностью монтажа во многом зависит от способа травления фольги. Основным фактором при этом является точное воспроизведение рисунка схемы и равновесное травление на всей поверхности пластинки. Наилучшим признан способ травления распылением, для чего разработана специальная травильная машина с программированием циклов распыления автоматического слива травильного раствора (хлорное железо) и душевой промывки протравленных пластин. Способы склеивания. Печатные схемы, полученные на стеклопластике травлением, накладывают друг на друга и склеивают. Недостаток метода обычного склеивания заключается в том, что материалы основания и адгезионные слои не всегда химически совместимы. Результатом этого могут быть не полностью отвержденные слои с высоким влагопоглощением, плохой устойчивостью к температуре пайки и низкими электрическими характеристиками. Поэтому разработан «сухой» метод наложения. Одно- или двусторонние схемы изготовляют травлением на эпоксидном стеклопластике толщиной 0,075 мм и больше. При наложении слои со схемами чередуют со слоями из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой, и полученный пакет спрессовывают под давлением около 40 кг/см2 при температуре 170° С в течение 40 мин. Получается многослойная печатная схема с большой плотностью монтажа, высокими электрическими характеристиками и хорошей влагостойкостью. Этот метод может быть использован как для схем с металлизированными отверстиями, так и для схем с открытыми контактными площадками. Создан также процесс, который получил название метода последовательного наложения. Слои накладывают один за другим на обе стороны обычной двусторонней печатной платы, которую называют «плата-сердечник». Отдельные слои пластины 362 изготовляют из стеклоткани толщиной от 0,05 до 0,1 мм с медным покрытием, пропитанной эпоксидной смолой. Смола при этом находится в полуотвержденном состоянии (в стадии В). Плату помещают в пресс, имеющий обогревные платы. Медное покрытие пластин способствует быстрому нагреву пакета. Время между размягчением и отверждением смолы очень мало, поэтому, поместив пластины в пресс, сразу же создают максимальное давление. В случае наслаивания нескольких схем одновременно тепло проникает в глубину пакета значительно медленнее, поскольку на поверхности пластин имеются только тонкие линии проводников. В этом случае требуется некоторая выдержка в прессе для равномерного распределения тепла на все склеиваемые слои. Поэтому во время начального нагрева пакет прессуют при низком давлении, которое затем повышается до уровня, требующегося для отверждения материала. Основными факторами, обусловливающими степень адгезии между слоями, являются качество материала, процент содержания связующего, время размягчения и отверждения смолы в пропитанном материале. Необходимо строго выдерживать заданные температуру прессования давления, время выдержки в прессе, специфические для каждого вида материала. На качество склеивания оказывает влияние наличие влаги в основном или склеивающем материале, проникновение в пластины растворов, применяемых при травлении и нанесении покрытия. Адсорбированную в процессе предыдущих операций влагу удаляют, высушивая предварительно наложенные слои (и каждый последующий накладываемый слой) в вакууме при температуре 120° С в течение 30 мин. Все операции наложения слоев производятся в помещении с относительной влажностью 40%. Для удаления загрязнений (в том числе травильных растворов и электролитов) применяют вакуумную промывку в деионизированной воде, а кроме того, очищают от окисей и обезжиривают. Все операции при изготовлении многослойных схем рабочие выполняют в перчатках. 363 Рис. 11.28. Многослойная плата с соединением слоев методом открытых контактных площадок до соединения слоев (а), после соединения слоев (б): 1 — изоляционное основание; 2 — медь; 3 — сторона расположения навесных элементов Способы электрического соединения слоев. Соединения между слоями многослойных печатных схем, как было сказано выше, осуществляются различными способами, из которых рассмотрим методы открытых контактных площадок, переноса, наращивания, штыревой и некоторые другие. Способ открытых контактных площадок. При изготовлении плат по этому способу набирают пакет из односторонних печатных схем. Монтажные и свободные отверстия располагают таким образом, что контактные площадки внутренних слоев печатного монтажа оказываются доступными для пайки. Диаметр контактной площадки (не менее 2,5 мм) больше, чем диаметр свободных отверстий в верхних слоях (около 2 мм). Это позволяет укрепить контактную площадку изоляционным материалом (рис. 11.28) и при необходимости перепаивать выводы навесных деталей на плате до 10 раз. Навесные детали или модули припаивают к плате, образуя электрический контакт со слоем печатного монтажа покрытой части контактной площадки. Этот метод допускает размещение отверстий с минимальным расстоянием между центрами 3,8 мм. 364 Рис. 11.29. Многослойная плата с соединением слоев методом электрохимической металлизации отверстий: а — до металлизации; б — после металлизации; 1 — медная фольга; 2 — изоляционное основание; 3 — гальваническая медь Способ электрохимической металлизации отверстий. Слои диэлектрика с печатным монтажом склеивают и просверливают отверстия. Медные контактные площадки на этих слоях располагают там, где необходимо сделать соединения. При сверлении в отверстия выдавливается внутренняя кромка медного кольца контактной площадки, как показано на рис. 11.29. В результате электрохимического осаждения меди все кромки кольцевых контактных площадок соединяются, образуется гальванический «пистон», в котором и производят пайку выводов навесных деталей или модулей. На рис. 11.29, б показано поперечное сечение металлизированного отверстия, металлизация отверстий может быть выполнена двумя способами: 1) с временной металлизацией всей платы; 2) с металлизацией по рисунку печатного монтажа. В обоих случаях до электроосаждения меди изоляционные площадки внутри отверстий покрывают тонким слоем меди путем химического восстановления из раствора. 365 Рис. 11.30. Стадии изготовления многослойной схемы методом «переноса»: 1 — медь; 2 — изоляционный слой; 3 — временная подложка Способ «переноса». При этом способе проводящие и изолирующие слои попеременно накладывают на временную стальную подложку. Проводящие слои наносят электрохимическим осаждением в виде медных соединительных шин. Для создания изолирующих слоев наносят эпоксидную смолу через сетчатый трафарет, тщательно защищают те проводящие участки шин, которые будут использованы для электрического соединения слоев. Эти проводящие слои выборочно покрывают электрохимической медью, образуя соединения с открытыми поверхностями контактных площадок, как показано на рис. 11.30, а — г. Этим способом можно нанести до шести слоев. Многослойный монтаж (рис. 11.30, д) переносят с временной подложки на постоянное основание, например на эпоксидный стеклотекстолит (на рис. 11.30, д оно не показано). В местах соединений сверлят отверстия для заделки и пайки выводов навесных деталей или модулей (рис. 11.31). 366 Рис. 11.31. Многослойная плата, изготовленная методом «переноса»: 1 — постоянное основание; 2 — изоляция; 3 — проводящий слой; 4 — временная подложка; 5 — медь; 6 — золото; 7 — изоляция Описанный способ позволяет получать очень высокую плотность размещения отверстий переходов, так как соединения могут быть выполнены отдельно от монтажных отверстий. Способ наращивания. Фольгированный изоляционный материал (рис. 11.32, а) дважды подвергается травлению. При первом травлении удаляют часть меди (не по всей толщине), не затрагивая травлением соединительные площадки (рис. 11.32, б). После второго травления остается схема проводников и соединительные площадки (рис. 11.32, в). Затем наносят эпоксидную смолу, которая покрывает всю поверхность платы, кроме выступающих соединительных площадок. Всю плату покрывают слоем электрохимической меди, контактирующим с соединительными площадками. Процесс травления, нанесения смолы и осаждения меди повторяют столько раз, сколько требуется проводящих слоев. На рис. 11.32, г показаны три таких слоя. 367 Рис. 11.32. Стадии изготовления многослойной схемы методом «наращивания», вид сбоку (А), вид сверху (Б), вид сбоку (В): 1 — изоляционный слой; 2 — медь В плате затем просверливают отверстия (рис. 11.32, д) для монтажа выводов навесных деталей и модулей. Этот метод также обеспечивает получение очень высокой плотности печатного монтажа, так как соединения снова могут быть выполнены отдельно от монтажных отверстий. Способ установки штырей. Изоляционные пластины вначале просверливают, а затем фольгируют медью. При травлении рисунка схемы в центре каждой контактной площадки образуется специальная конфигурация в виде «звезды». Отдельные слои набирают в пакет, совмещают по отверстиям и склеивают клеевой пленкой, в которой предварительно сделаны отверстия. В местах соединений полости фольги выступают внутрь отверстии. Когда луженый штырь или пистон вводят в отверстие, эти полоски отгибаются, как показано на рис. 11.33. Соединение производят оплавлением припоя при пропускании тока через штырь или пистон. Этот способ допускает расположение штырей с минимальным межцентровым расстоянием 1,25 мм. 368 Рис. 11.33. Многослойная плата с соединением слоев методом установки штырей или пистонов: 1 — штырь или пистон; 2—изоляция; 3 — медь Метод установки заклепок. Плата составляется из отдельных изоляционных оснований с вытравленным печатным монтажом. В ней просверливают отверстия, обнажая при этом внутренние кольцевые поверхности контактных площадок в тех местах, где должны быть выполнены межслойные соединения. Затем в отверстие вставляют трубчатую заклепку, оба конца которой развальцовывают, и раздают ее по диаметру. В это же время заклепку нагревают и соединяют с внутренней поверхностью контактной площадки припоем, как показано на рис. 11.34, образуя таким образом межслойное соединение. Метод разбрызгивания металла. Слои наращивают, разбрызгивая жидкую медь на подложку, покрытую эпоксидной смолой. Маски из нержавеющей стали определяют рисунок схемы. Попеременно наносят изолирующие слои эпоксидной смолы, защищая при этом контактную поверхность для получения межслойных соединений, как показано на рис. 11.35. Все соединения осуществляются отдельно от монтажных сквозных отверстий. 369 Рис. 11.34. Многослойная плата с соединением слоев методом установки заклепок: 1 — изоляция; 2 — заклепки; 3 — медь Рис. 11.35. Многослойная плата, изготовленная методом разбрызгивания металла: 1 — изоляция; 2 — основание; 3 — медь 370 12. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИИ РАДИОАППАРАТУРЫ 12.1. Направления микроминиатюризации и основные требования Современная радиоэлектронная аппаратура настолько сложна, что традиционные схемные элементы и способы конструирования уже не могут обеспечить достаточно высокую надежность радиоприборов. С другой стороны, вследствие резко возросшего числа предприятий, выпускающих детали и узлы радиоаппаратов, увеличились трудности, связанные со стандартизацией элементов, а она имеет важное значение для повышения плотности монтажа схемы. Конструкторы радиоаппаратуры вынуждены использовать лучшие из имеющихся элементов, подвергая их испытаниям в соответствии со своими собственными, часто очень жесткими, техническими требованиями. Но и это не всегда дает желаемый результат. Выход был найден в создании нового направления в конструировании радиоэлектронных схем, появление которого обусловлено развитием технологии полупроводников и тонких пленок. Это направление получило название микроминиатюризации. Понятие «микроминиатюризация», или «микроэлектроника», до недавнего времени не имело точного и окончательного толкования. В основном этими терминами обозначали изготовление по возможности небольших по размеру приборов. Сегодня уже можно сформулировать определение понятия этого важнейшего направления в технике. Микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры — это направление технического прогресса, преследующее цель уменьшения габаритов, весов и потребления энергии при одновременном повышении надежности аппаратуры и облегчения автоматизации ее производства. 371 Как известно, большая часть объема любого элемента занята материалом, не связанным с непосредственным выполнением электрических функций. Например, активный элемент углеродистого резистора занимает лишь 0,002% полного объема этой детали. Аппаратура, воспроизводящая визуальнораспознавательную функцию глаза или мозга, в 60 тыс. раз больше объема соответствующих органов человека. Микроминиатюризация позволяет во много раз увеличить полезный объем радиоэлектронной аппаратуры. Удельная плотность монтажа аппаратуры на обычных приемно-усилительных радиолампах составляет одну деталь на 100 см3, на миниатюрных (пальчиковых) лампах — одну деталь на 10 см3, на полупроводниковых приборах — одну деталь на 1 см3. Практически это предел плотности объемного монтажа радиоаппаратуры. Радиоаппаратура, разработанная на основе элементов, собранных в «этажерочные» микромодули, позволяет размещать в одном кубическом сантиметре с применением сверхтонких пленок 100—200, а в так называемых твердых схемах — свыше 1 000 элементов в 1 см3. Разработка микромодулей позволила в 10 раз уменьшить объем и вес электронной аппаратуры; одновременно резко возросла ее надежность. Надежность аппаратуры повышается в результате уменьшения количества контактов, максимальной жесткости монтажа и автоматизации производства микроэлектронных схем и блоков. Эта задача рассматривается как одна из основных. В вычислительных устройствах, кроме того, достигается сокращение времени обработки информации, т. е. повышается быстродействие систем за счет уменьшения длины путей прохождения сигналов в коммуникациях. Микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры позволяет резко снизить ее себестоимость вследствие массового автоматизированного производства микросхем. Однако разработка различных методов микроминиатюризации стоила и, повидимому, в дальнейшем будет стоить очень дорого. 372 Микроминиатюризация — качественный скачок в развитии электроники, значение которого трудно переоценить. Оно во много раз превосходит значение того технического переворота, который в начале нынешнего столетия знаменовал переход от искровой и дуговой радиотехники к вакуумной радиоэлектронике. Микроминиатюризация электронных изделий и микросхемотехника открывают неисчерпаемые возможности создания малогабаритных высокоэффективных электронных вычислительных и управляющих машин с небольшим числом типов электронных ячеек, но с огромным их количеством — сотнями тысяч и даже миллионами. Вот тут-то и проявятся в полной мере достоинства пленочных и твердых электронных схем — минимальные габариты и вес, незначительное потребление энергии и вместе с тем высокая надежность, возможность автоматизации всего процесса их изготовления. Микроминиатюрная электронная ячейка — так называемый «куб памяти» — открывает широкие возможности для конструирования и выпуска в массовом количестве портативных электронных машин с колоссальной емкостью запоминающих устройств. В числе других преимуществ микроминиатюрных схем можно назвать также их повышенную устойчивость к вибрациям и ударам. Микроминиатюризация позволяет использовать печатные схемы без штыковых соединений, уменьшить количество соединительных проводов и кабелей, а также соединительных блоков, что увеличивает надежность электронного оборудования. Наконец, поскольку микроминиатюризация позволяет конструировать оборудование, потребляющее минимальную мощность, можно увеличить надежность специальных источников энергии и систем охлаждения. Характерной чертой всех методов микроминиатюризации является применение плоских деталей, будь то резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды, и плоских соединений. Это позволяет добиться очень плотной упаковки элементов схемы. Наибольшие затруднения возникают при изготовлении плоских индуктивностей. Однако в некоторых случаях индуктивности 373 могут быть заменены комбинацией резисторов, конденсаторов и транзисторов или даже небольшими механическими резонансными системами. При создании микроминиатюрной аппаратуры следует прежде всего оценить целесообразность использования микроминиатюрных элементов в тех или иных устройствах, непременно учитывая рабочие условия, в которых они будут применяться. Бывают случаи, когда микроминиатюрные элементы удовлетворительно работают в лаборатории, но полностью выходят из строя в рабочих условиях. Общими для всех направлений микроминиатюризации являются проблемы теплоотвода, монтажа и взаимодействия сигналов. Трудности, связанные с повышением проблемы уменьшения рассеяния тепловой энергии, усугубляются чрезвычайным сокращением размеров схем. С уменьшением размеров элементов и схем относительная доля монтажных соединений в общем объеме возрастает. В то же время поверхность для осуществления этих соединений уменьшается. Для решения этих проблем разрабатываются гибкие и многослойные печатные схемы и многослойные сварные матрицы. Применяется даже метод оптического соединения элементов. По поводу метода осуществления соединений единое мнение пока отсутствует. Малые расстояния между проводящими элементами схем требуют особого внимания к геометрии контактов, а также к созданию высокочастотной экранировки. Микроминиатюризация связана с весьма низкими допустимыми уровнями мощности, как правило, порядка десятков милливатт на каждую функциональную схему, в то время как в обычных схемах допустима мощность порядка сотен милливатт. Если поместить в некоторый объем в 100 раз больше функциональных схем, чем это можно было сделать раньше, то после включения блок мгновенно нагреется и сгорит. Для предотвращения этого необходимы специальные меры по снижению мощности рассеяния на каждую выполняемую функцию. Таким образом, одним из основных и наиболее серьезных требований к микроминиатюризации является разработка функ374 циональных схем с гораздо меньшей мощностью рассеяния, чем у современных схем. Это требование может быть выполнено прежде всего путем создания новых материалов, способных работать при высоких температурах. Нагрев схем можно уменьшить за счет снижения уровней сигналов, повышения к. п. д. устройств, конструирования элементов, рассчитанных на низкую потребляемую мощность от источников питания, а также применения теплообменников. Вторым фактором, затрудняющим развитие микроминиатюризации, является рабочая частота, не превышающая нескольких сотен мегагерц. Наличие паразитных связей не позволяет пока использовать микросхемы на более высоких частотах. Затруднения, возникающие при создании микроминиатюрных резонансных контуров высокой добротности, делают микроминиатюрные блоки более пригодными для цифровой вычислительной техники, чем, например, для аппаратуры связи. В пределах указанных ограничений перед конструктором микроминиатюрной аппаратуры открыты пути, определяемые методами создания микроминиатюрных схем. При выборе метода конструирования микроминиатюрной аппаратуры, которая должна выполнять заданную операцию, исходят из возможности объединения приборов, использующих соответствующие физические явления, в блоки с минимальными габаритами. По сообщениям зарубежной печати, в последнее время, например, в США разрабатывалось более 20 методов микроминиатюризации. Однако различия между этими методами иногда несущественны с точки зрения их проектирования и производства. Поэтому ниже будут рассмотрены три основных направления развития микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры: микромодульное конструирование, пленочные микросхемы и твердые схемы с привлечением некоторых вопросов молекулярной электроники (молектроники). Ни одно из этих направлений не считается идеальным. Выбор диктуется основными требованиями к аппаратуре, производственными возможностями и сроками изготовления. 375 Микромодульное конструирование. Увеличение надежности, снижение веса, простота эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры могут быть достигнуты путем применения метода функционально-узлового модульного конструирования. Аппаратура комплектуется из функциональных узлов, размеры которых подчинены определенной так называемой модульной соизмеримости. Под термином «модуль» условно следует понимать узел стандартных размеров, кратных определенной единице измерения. Следует отметить, что само по себе понятие «модульная конструкция устройства» имеет весьма обобщенный смысл. Модуль может состоять, например, из стандартных стоечнопанельных устройств. Широковещательный радиоприемник, смонтированный на обычном шасси, может считаться модулем. Отдельная ламповая или транзисторная схема может быть выполнена в виде модуля. Следовательно, понятие «модуль» очень широко и относится как к конструкции законченного устройства — «черного ящика», выполненного в виде единого целого, так и к конструкции мельчайшей ячейки на печатной схеме. При модульном конструировании микроэлектронной аппаратуры основным ее элементом является микромодуль, представляющий собой герметизированную наборную конструкцию из керамических пластин, на которых печатным или иным способом нанесены детали схемы — микроэлементы. Их соединяют между собой проводниками с помощью пайки или сварки. В качестве активных элементов схем в модульных конструкциях обычно, применяют полупроводниковые приборы. Высокие механические свойства (прочность, ударо- и вибростойкость), а также практически неограниченный срок службы полупроводников делают их в этом отношении равноценными пассивным элементам схем. Вследствие этого упрощаются конструирование и расчет при проектировании модульных систем, внесение необходимых конструктивных изменений и облегчается их обслуживание. Микромодульное конструирование в микроминиатюризации основано на опыте, накопленном электронной промышлен376 ностью более чем за 30 лет. Оно предполагает непрерывное внедрение новейших электронных устройств, таких, например, как мезатранзисторы, электролитические конденсаторы, изготовляемые с применением технологии печатных схем, диоды с отрицательным сопротивлением, микроминиатюрные устройства с магнитными ячейками памяти, полупроводниковые линии задержки, параметрические усилители, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и др. В принципе их можно применять для всех электронных схем. Применение микромодулей в радиоаппаратуре связи позволило снизить вес приёмо-передающей станции в 3 раза и объем в 20 раз, а вес устройства для уплотнения каналов с временным разделением — в 25 раз и объем его — в 35 раз. Метод плоских микромодулей основан не только на стремлении максимально уменьшить размеры отдельных узлов и элементов, но и на учете функционирования аппаратуры в целом, на обеспечении взаимных электрических соединений и отвода тепла. Основные принципы этого метода заключаются в следующем: 1) применение теплообменной системы, являющейся неотъемлемой частью всей конструкции в целом и обеспечивающей эффективную передачу тепла от источников нагрева к элементам теплоотвода; 2) конструирование аппаратуры в строго заданных размерах в, двух измерениях и с переменными размерами в третьем измерении; 3) применение имеющихся элементов и обеспечение возможности применять новые типы печатных схем. Говоря о микромодуле как о рациональной системе в микроминиатюризации, следует иметь в виду как общие электронные схемы в равноприемных устройствах, усилителях, фильтрах, вычислительных устройствах и т. д., так и цифровые (логические) схемы главным образом в вычислительных устройствах. Для конструирования большинства функциональных цифровых схем требуются в основном лишь резисторы, конденсато377 ры, диоды и транзисторы, т. е. элементы, которые удобно делать двухмерными (плоскими). Очевидно, микроминиатюризация наиболее рациональна для цифровых электронных схем вычислительных устройств. В настоящее время плотность монтажа элементов в микромодуле для таких схем составляет около 3 500 на 1 дм3. Плотность монтажа деталей в модуле для общих схем значительно меньше (примерно в 60 раз). Поскольку конструирование микромодулей предполагает использование полупроводниковых приборов, то на первом этапе их применение будет ограничено маломощной аппаратурой. При переводе радиоэлектронной аппаратуры на микромодули важную роль играет унификация, т. е. установление определенных стандартов (например, на размеры отверстий в платах печатного монтажа, форму плат и др.). Этим вопросом промышленность стала заниматься всего несколько лет назад. Требуется определенная унификация самих микроминиатюрных схем. Предел уменьшения габаритных размеров микромодулей и построенной на них аппаратуры определяется габаритами микроэлементов, возможностями теплоотвода и соединения микромодулей между собой. Микромодульные элементы характеризуются следующими достоинствами: - они имеют стандартную геометрию; возможна автоматизация изготовления и сборки деталей; - обеспечивается потенциально высокая надежность. Однако они имеют и недостатки: - незначительна конструктивная гибкость при разработках схем; - велико количество тонких паек; - сложна технология изготовления компонентов схем и особенно обеспечение герметизации в месте крепления транзисторов к галете; - высока стоимость изготовления даже при условии автоматизации производства. Пленочные микросхемы. Метод микросхем представляет собой часть целой системы изготовления схем, которые собира378 ются с полупроводниковыми элементами для получения законченных функциональных блоков. В отличие от микромодульного метода, при котором каждый элемент выполняется на собственной пластине, применяя метод микросхем на одной пластине, формируют несколько взаимосвязанных элементов и таким образом получают полную функциональную схему. Элементы такой схемы конструктивно неразделимы и незаменяемы. Микросхемы формируют в виде тонких пленок на одной или обеих сторонах керамической или стеклянной пластины, размер которой зависит от назначения схемы. Пластины обычно имеют размеры порядка 12,5x12,5x0,8 мм. Применяют разнообразные методы нанесения тонких пленок: химическое осаждение, конденсацию паров, напыление через маску, фотолитографию, травление и различные комбинации перечисленных способов. При нанесении пленок предусматривают одновременное их использование в качестве, например, резисторов и обкладок конденсаторов. Активные (полупроводниковые) элементы либо присоединяют затем к микросхеме, либо выполняют на общей с ней пластине. Полученные плоские элементы соединяют между собой с помощью тонких пленок металла, обладающего высокой электропроводностью, отложенных на поверхности пластины. Технология тонких пленок позволяет строить схемы (RC-цепи) не только с сосредоточенными, но и с распределенными параметрами. Такие цепи по своим электрическим характеристикам значительно отличаются от цепей с сосредоточенными постоянными. При создании пленочной схемы возможны различные комбинации, различающиеся порядком чередования слоев, их толщиной, площадью и формой, величиной удельного сопротивления и диэлектрической проницаемостью, а также расположением выводов, т. е. пленочная конструкция открывает новые и широкие возможности для создания пассивных четырехполюсников с разнообразными характеристиками. Один из способов состоит в управлении движением пучка ионизированных паров металлов с 379 помощью отклоняющей системы, подобной той, которая применяется в электроннолучевых трубках. Этот способ позволит освободиться от масок и осуществить полную автоматизацию производственного процесса с применением программных устройств. Объемный к. п. д. нанесения элементов таких схем составит 70—80%. Используются способы точного соблюдения заданных контуров отложенных металлических пленок. В пассивных четырехполюсниках достигнута плотность монтажа около 350 000 элементов на 1 дм3. Методами тонкопленочной технологии изготовляют не только проводящие, но и магнитные, полупроводниковые, диэлектрические, люминесцентные, фотоэлектрические и другие пленки. Пленки диэлектриков и проводников наносят методом конденсации паров этих материалов на пластину, температура которой ниже температуры паров. Таким образом получают самые разнообразные схемы без применения соединительных штифтов, штекеров или соединительных проводников. Проводятся исследовательские работы в области нанесения многослойных пленочных покрытий. Изготовление многослойных пленочных схем позволяет снизить стоимость систем, автоматизировать производство пассивных элементов и цепей. Этот метод может применяться в комбинации с описанным ниже методом получения активных элементов в монокристаллах полупроводника для получения так называемых «гибридных» схем. Процесс изготовления многослойных пленочных схем состоит из следующих этапов: 1) составление топологического плана отдельных слоев с учетом особенностей процесса нанесения пленок и эффектов распределения; конечным результатом этого этапа является проектирование набора масок; 2) изготовление масок фотогравированием или микрофрезерованием, при этом должны быть выдержаны достаточно жесткие допуски; 3) изготовление пластин (плат). Для выявления погрешностей изображения пластины проецируют на экран при большом 380 увеличении и совмещают с заданным заранее прорисованным контуром. Затем их очищают ультразвуковым и химическим способами. В промежутках между операциями пластины хранят в изопропиловом спирте. Заключительной стадией изготовления пластин является получение основы из окиси кремния конденсацией паров в вакууме; 4) нанесение соединений в виде пленок алюминия на предварительно подготовленную пластину. В качестве проводников могут быть использованы медь или золото, но алюминий лучше совмещается с окисью кремния. Толщина пленки проводника колеблется от 5 000 до 50 000 А; 5) нанесение пленок диэлектрика, что является решающим моментом в изготовлении многослойных схем. Для этого используют окись и двуокись кремния. Для соединения проводящих слоев между собой в пленках диэлектриков оставляют пазы и отверстия; 6) дальнейшее чередование слоев проводника и диэлектрика, наносимых через последовательно используемые маски. В заключение на всю структуру наносят предохранительный сплошной слой окиси кремния, за исключением точек сопряжения с другими цепями и точек для монтажа активных элементов; 7) монтаж элементов и схем на специальной панели с помощью пайки, проводящего клея или термической компрессии; в последнее время для этой цели применяют также электроннолучевые и лазерные сварочные установки; 8) изготовление защитного корпуса для всей системы, и, если это необходимо, полная его герметизация. Основной проблемой при изготовлении тонкопленочных схем на пластинах различных размеров является проблема соединений. Должен быть установлен оптимальный размер пластин. Проблема его выбора и проблема метода соединения связаны непосредственно с проблемой монтажа тонкопленочных схем. Вероятность выхода из строя крупных пластин с большим числом эквивалентных элементов выше, чем маленьких пластин с меньшим числом элементов. С другой стороны, при использовании маленьких пластин усложняется задача электрического 381 соединения их друг с другом, а надежность соединений уменьшается. Одним из направлений тонкопленочной технологии является изготовление функциональных блоков на алюминиевых платах. Размеры таких плат вместе с монтажными выступами 12,5 х 12,5 мм. Каждый блок герметизируют. По краю платы предварительно направляют стеклянное кольцо. После нанесения схемы ее заливают стеклом при температуре 650° С и этот стеклянный слой сплавляют со стеклянным кольцом на краю платы. Так как между источником тепла и платой или стеклянной оболочкой нет физического контакта, в герметизированном блоке может быть создана среда из любого газа. Полученные блоки (модули) монтируют на керамических панелях. Соединение модулей осуществляют с помощью пружинных штифтов или пайкой. Экранирование в зависимости от конкретной задачи производят двумя способами. В первом случае тыльную сторону модульной платы покрывают слоем серебра, который соединяют с кожухом печатной схемы. Второй способ, который еще находится в стадии разработки, состоит в замене стеклянной оболочки металлической. Обычно современные стандартные цепи и пленочные схемы в виде модулей электрически соответствуют друг другу. Печатные схемы непосредственно трансформируются в пленочные. Таким способом была изготовлена лабораторная модель широковещательного радиопередатчика, размеры которого 12,7 х 12,7 х 22 мм. Твердые схемы. Твердой схемой называется устройство, состоящее из одного кристалла полупроводника, в котором сформировано несколько активных и пассивных элементов схемы без внешних соединений. При разработке радиоэлектронной аппаратуры на основе твердых схем электронные узлы получают путем создания в полупроводниковой пластине участков, которые по своим свойствам эквивалентны пассивным или активным элементам, а в совокупности выполняют функции, аналогичные электронным схемам. 382 Твердые схемы делят на две группы: интегральные, отдельные участки которых эквивалентны обычным электро- и радиоэлементам; функциональные, в которых трудно или вообще невозможно выделить отдельные участки схем, равноценные обычным элементам. Сопоставление таких схем с обычными возможно только с помощью эквивалентных схем, составленных по выполняемым ими функциям. Функциональные твердые схемы являются первым шагом в области молекулярной электроники. При создании функциональных твердых схем необходимо разработать технологию производства полупроводниковых блоков, эквивалентных законченной схеме, для чего используют опыт изготовления транзисторов. Поскольку в схемах этого типа трудно выделить отдельные элементы, сходные с обычными электронными устройствами, следует отыскать способ преобразования структуры функциональных элементов в обычную (эквивалентную) схему и обратно. Рис. 12.1. Полупроводниковые резисторы и конденсаторы: а — объемный резистор; б — резистор, полученный методом диффузии с помощью оксидной маски; в — резистор, полученный методом диффузии и травления по типу мезатранзистора; г — конденсатор с p-n-плоскостным переходом; д — конденсатор на основе окиси кремния 383 В основе технологии интегральных схем лежит создание функциональных элементов (т. е. элементов, выполняющих определенную функцию, например транзистора, резистора и т. п.) в кристалле полупроводника с помощью вплавления, диффузии, осаждения, использования оксидных масок и механической обработки. Резисторы в интегральных схемах могут быть выполнены в виде однородной пластины полупроводника (галеты) с проводящими примесями (рис. 12.1, а) или в виде такой же галеты, но с нанесенным методом диффузии тонким слоем с проводимостью другого типа (рис. 12.1, б и в). В последнем случае образуется р-п переход, который служит барьером, обеспечивающим протекание тока только по поверхностному слою. Удельное сопротивление при этом изменяется в зависимости от глубины слоя, поэтому величину такого сопротивления труднее подсчитать, чем величину сопротивления резисторов объемного типа. Диффузионным способом можно получать резисторы с неограниченно большими значениями сопротивлений. Максимальные значения сопротивлений объемных резисторов ограничиваются величиной 40 000 ом. В качестве конденсатора плоскостного типа (рис. 12.1, г) может быть использован р — п переход с обратным смещением. Запирающий слой перехода служит диэлектриком. Емкость такого конденсатора зависит от ширины и толщины запирающего слоя. Для кремниевого прибора возможны емкости до 200 мкф/смг, пробивные напряжения порядка нескольких сотен вольт и малые температурные коэффициенты емкости. Так как толщина запирающего слоя изменяется в зависимости от приложенного напряжения, то величина емкости нелинейна, поэтому конденсатор такого типа может быть только при малых значениях напряжений. Кроме того, такой конденсатор поляризован. На кремниевой пластине можно создать конденсатор другого типа, где в качестве диэлектрика используется слой окиси кремния, на который наносится металлическая пленка. Конденсаторы такого типа имеют температурный коэффициент емкости не хуже 10-4, малую нелинейность и отличную 384 стабильность. Можно получать конденсаторы емкостью 50 мкф/см2 (рис. 12.1, д), имеющие пробивные напряжения до 50 в. Несмотря на то, что конденсаторы обоих типов могут иметь большие значения емкости, для уменьшения габаритов схем величины емкости необходимо ограничивать. Пределы емкости конденсаторов плоскостного типа составляют 2 000 и 5 000 пф в зависимости от количества других элементов в схеме, а конденсаторов окисного типа — 500 и 1 000 пф. Активные элементы схемы (полупроводниковые приборы) формируются из р-п и п-р переходов, создаваемых путем диффузии соответствующей примеси в тело полупроводника. Интегральные схемы характеризуются: - чрезвычайно высокой плотностью монтажа; - небольшим числом коммутационных проводов и соединений; - простотой изготовления сложных схем благодаря применению сменных масок; - высокой надежностью элементов, которая достигается благодаря использованию тщательно проверенных материалов, уменьшению числа соединений между элементами, малой величине рассогласования по тепловому расширению между смежными зонами монокристального блока, небольшому числу технологических операций (по сравнению с изготовлением обычных элементов), малой массе корпуса, что уменьшает влияние ударов и вибрации. Недостатки этих схем: - ограниченные в небольших пределах номинальные величины параметров элементов; - трудности строгого соблюдения оптимальных допусков на каждый из элементов схемы; - значительная температурная зависимость характеристик активных и пассивных элементов; - ограниченные возможности использования в радиосхемах и схемах аналоговых устройств из-за нежелательных переходных связей и большего рассеяния энергии или неизбежное уве385 личение веса и размеров при использовании дополнительных экранировок и теплоотвода. Создание функциональных схем связано с возникновением принципиально новой технологии производства электронной аппаратуры, получившей название молекулярная электроника, или молектроника. Изготовление молекулярного устройства основано на синтезе кристалла, обладающего заданными электронными свойствами, таким образом, что при соответствующем воздействии этот кристалл выполняет сложные и комплексные электронные функции, выполнявшиеся ранее комбинацией раздельных элементов, как активных, так и пассивных. Молекулярное устройство, выполняющее определенную сложную функцию, называется функциональным электронным блоком. Функциональные блоки формируют, воздействуя на внутреннюю структуру монокристаллов полупроводников. В качестве примера молекулярного функционального блока, реализованного на практике, может быть приведен преобразователь переменного тока (110 в) в постоянный (9 в). В обычной схеме такого преобразователя необходимы трансформатор, выпрямитель и фильтр из трех элементов. В молекулярном блоке переменный ток подводится к резистивной области, генерируемое здесь тепло проходит через центральную область, являющуюся электрическим изолятором и вместе с тем проводником тепла, а затем превращается в постоянный ток в термоэлектрической области. Основным процессом в технологии молекулярной электроники является «дендритное» выращивание монокристаллов полупроводников в виде длинных ровных полос с оптически гладкими поверхностями. В полосе, имеющей в длину несколько десятков метров, могут чередоваться в заданном расположении участки с различными свойствами, получаемыми изменением условий в печи. Разработаны также методы дендритного выращивания «мультизональных» кристаллов, состоящих из нескольких областей с различными электрическими свойствами. 386 Освоение молектроники требует проведения научноисследовательских работ в областях, близких к физике атомов, молекул и кристаллов. Необходимо также использовать накопленные знания о физических явлениях и их законах, пересмотрев их в свете современной науки о чистоте и структурном совершенстве материалов. Сюда относятся изучение эффектов Зеебека, Пельтье, Холла и др. Особое внимание должно быть уделено исследованиям, целью которых является повышение химической чистоты и улучшение структуры существующих материалов, а также создание новых материалов для молектронных приборов. Необходимо также внимательно изучать влияние распределения примесей, даже при ничтожном их количестве (до одной миллиардной доли). Подобно тому, как это делается при исследовании полупроводников, следует установить, в какой мере микроскопические свойства материала подвержены воздействию электронов, дырок, фотонов, границ между зернами, термических и механических скачков, явлений Шокли и Френкеля и т. п. Не менее важно изучить вопросы воздействия разных факторов на возникновение или видоизменение физических явлений. К таким факторам, действующим раздельно и в различных сочетаниях, относятся температура, давление, свет, электрические и магнитные поля. Явления, происходящие в молекулярной схеме, и ее функции требуют математического описания и анализа. Если провести всесторонние математические исследования физических процессов и составить математические выражения для различных электронных функций, то расчет функциональных электронных блоков можно осуществлять с помощью электронной вычислительной машины, которая будет выбирать необходимые для реализации заданной функции параметры и должным образом их комбинировать. Большое место должны занять технологические разработки, результатом которых является технология получения материалов разного состава, методов нанесения пленок и ряда других процессов. 387 Молекулярные функциональные блоки имеют следующие преимущества перед обычными схемами — объемными и печатными: очень большая плотность монтажа; уменьшение потребления энергии; повышение ударо- и вибростойкости благодаря малой массе. Однако функциональные блоки имеют и некоторые недостатки: - конструирование большого числа молекулярных блоков различного назначения сложно и занимает длительное время; - свойства блоков сильно зависят от температуры; - очень сложно решать задачи электрического соединения единичной секции в многофункциональном блоке; - трудно регулировать рассеяние мощности, поэтому могут потребоваться громоздкие устройства охлаждения. Разработка молекулярных устройств находится еще на самой ранней ступени развития. Для широкого использования нового метода конструирования радиоэлектронной аппаратуры потребуется дальнейшее развитие технологии. 12.2. Технология изготовления микромодулей При создании микромодульных конструкций в качестве основания используют плоские тонкие пластины из диэлектриков (микроплаты). На рис. 12.2 показана конструкция такой микроплаты. Она имеет прямоугольный вырез (ключ) около одного из углов для ориентации микроэлемента при сборке в микромодуль. От длинной стороны выреза задается отсчет условной нумерации пазов, к которым присоединяют выводы элемента схемы. Двенадцать пазов на краях платы являются выводами модульного элемента и служат для соединения микромодулей друг с другом с помощью вертикальных стержней. Эти пазы металлизируют и покрывают припоем. При сборке в микромодуль микроэлемент можно установить в восьми различных положениях, которые однозначно определяются положением ключа. Стандартный размер для плат микромодулей 7,6 х 7,6 х 0,25 мм принят на основе изучения методов и возможностей 388 производства элементов, а также максимальных значений мощности, частоты и напряжения, установленных для микромодулей: рассеяния мощности 1—2 вт на один модуль, рабочая частота — до 100 Мгц, максимальное напряжение 75 в. Квадрат со стороной 7,6 мм — это наименьшая геометрическая форма, с которой можно связывать многие элементы цепей, включая электролитические конденсаторы большой емкости, кварцевые кристаллы, рассчитанные на частоту от 7 до 70 Мгц, катушки индуктивности до10 мгн, транзисторы, диоды, керамические резонаторы, стеклянные конденсаторы, металлические пленочные резисторы и даже некоторые электромеханические устройства (например, потенциометры и подстроечные конденсаторы). На одну квадратную пластинку можно наносить до четырех резисторов с сопротивлением до 1 Мом, что достаточно при использовании почти всех транзисторных схем. Рис. 12.2. Конструкция микроплаты (указаны зона и площадь рабочей части элемента) Указанные размеры также позволяют применять любую керамическую основу толщиной 0,25 мм. Для квадратной платы со стороной 12,7 мм толщина берется примерно в 2 раза больше. Такие размеры обусловлены требованиями плоскостности при надлежащей прочности, необходимой при механической обработке. Наиболее подходящим материалом для изготовления микроплат и других оснований микроэлементов считают керамику: 389 конденсаторную, ультрафарфор, стеатит. Им легко придавать необходимую форму пластическим прессованием или горячим литьем, тонкие пластинки из керамики обладают достаточной механической прочностью, теплостойкостью и влагостойкостью, а также имеют высокие изоляционные и необходимые диэлектрические свойства. В США наиболее распространенным материалом для изготовления микроплат является эпоксидный стеклопластик; разработаны и испытаны также опытные образцы плат из окиси алюминия и керамики. Микроплату можно использовать в качестве не только основания, но и как составную часть конструкции микроэлемента, например как твердый диэлектрик конденсатора малой емкости, обкладки которого наносят на обе стороны платы. В некоторых случаях, например для монтажа миниатюрных полупроводниковых приборов, применяют более толстые платы с фасонными отверстиями, выемками и т. п. Методом вжигания или вакуумного напыления серебра, золота, платины, палладия на керамических платах создают проводящие участки нужной формы. Так же металлизируют пазы, контактные дорожки для пленочных резисторов, обкладки конденсаторов, проводники, соединяющие выводы элементов с пазами. При изготовлении проводящих покрытий методом вжигания металла все покрытия выполняют до установки элементов на микроплату. Чтобы обеспечить контакт между выводами элемента и проводящими покрытиями на микроплате, применяют затвердевающие проводящие суспензии металлов или пайку специальными припоями, которые приготовляют на эпоксидных смолах и органических клеях. При микромодульном конструировании радиоэлектронной аппаратуры широко применяют пленочную технику. В виде пленок можно получать все пассивные элементы. Их наносят либо группами на одну большую плату, либо один - два элемента на маленькие платы, которые затем собирают в пакет. В технике микромодульного конструирования предпочтительнее применять второй способ, так как при изготовлении элементов 390 большими партиями не исключена возможность большого процента брака. Если на каждую плату наносят один элемент, то удобнее производить все операции по его изготовлению, испытанию, контролю и т. д., как это делается при изготовлении обычных элементов в производственных условиях. Рассмотрим способы изготовления некоторых микроэлементов. Резисторы. Микромодульные резисторы выполняют на стандартной микроплате путем нанесения тонкой проводящей пленки. Обычно применяются следующие пленки: стабильные углеродистые, металлические, получаемые путем спекания золото - платиновых, золото - палладиевых и других сплавов, пленки из окисей металлов (оловянно-сурьмяные и др.), хромоникелевые и другие пленки, наносимые на поверхность платы путем испарения. Резисторы из углеродистых смесей из-за их низкой стабильности применять не рекомендуется. С т а б и л ь н ы е у г л е р о д и с т ы е п л е н к и получают путем конденсации на керамической плате водно-угольных паров при температуре 900—1 000° С. Величина сопротивления полученного слоя зависит от давления паров, температуры нагрева и времени испарения. Окончательную величину сопротивления регулируют, обрабатывая пленку алмазным шлифовальным кругом. Пленки из золото - платиновых сплав о в наносят на стеклянные или глазурованные керамические платы, получая очень стабильные резисторы. Их сопротивление и температурный коэффициент зависят от пропорций, в которых смешивают металлы. Изготовляют такие резисторы следующим образам. На тщательно очищенную стеклянную пластинку наносят раствор, содержащий золото и платину, смешанные в масле. Затем платину обжигают в печи при температуре 400° С. В результате получается слой металла, которому гравированием или фотомеханическим способом можно придавать различные конфигурацию и размеры. Затем сплав подвергают вторичному обжигу при температуре 600 или 700° С (в зависимости от вида изоляционной осно391 вы), после чего получается прочно связанная с основой металлическая пленка. Изменение величины сопротивления после вторичного обжига ничтожно мало, и его можно заранее подсчитать. П л е н к и и з з о л о т о - п а л л а д и е в ы х сплавов можно наносить на керамические пластины также путем термического восстановления. Сплав палладия или платины диспергируют в жидкости с высокой температурой кипения и распыляют на чистую сухую керамическую пластину. После сушки на воздухе пластину обжигают при температуре 300° С для, восстановления палладия, а затем снова обжигают при температуре 400—750° С для окисления остаточного углерода и обеспечения адгезии сплава к основе. П л е н к и и з о к и с е й м е т а л л о в наносят распылением. Чаще других употребляются смеси из олова и сурьмы. Хлориды этих металлов распыляют на поверхность стекла, разогретого до красного свечения. В результате реакции получается стекловидный слой окиси. Толщина его может изменяться от нескольких сотен до многих тысяч ангстрем. Сопротивление пленки зависит от состава раствора. Для стабильных резисторов наиболее подходящей является смесь, содержащая 7% сурьмы и 93% олова. Этот состав имеет наименьший температурный коэффициент. После нескольких тысяч часов работы стабильность таких пленок составляет 0,1—0,2%. Хромоникелевые и другие металличес к и е п л е н к и наносят на пластины путем испарения материала с поверхности вольфрамовой проволоки или спирали, нагреваемой электрическим током в вакууме 10-5 мм рт. ст. Золото и серебро лучше испарять с небольшой вольфрамовой ложечки или из конического ковша. Температуры кипения никеля и хрома мало отличаются друг от друга, поэтому после охлаждения они образуют однородную композицию. Благородные металлы при испарении не окисляются, и свойства их мало изменяются с течением времени, но они обладают низким удельным сопротивлением, и поэтому для получения заданных величин сопротивления резисторов 392 необходимо изготовлять либо очень тонкие пленки, либо пленки с большими линейными размерами. При нанесении высокоомных сплавов трудно контролировать толщину образующейся окисной пленки, но, с другой стороны, можно получать резисторы малых линейных размеров. Хромоникелевые пленки для резисторов с линейной шириной более 0,4 мм и для резисторов с меньшей линейной шириной выполняют по-разному. «Широкие» резисторы изготовляют осаждением паров хрома и никеля на разогретую плату; окончательная толщина пленки при этом получается приблизительно 6 10-6 мм. Простые по конфигурации резисторы делают с помощью механических масок; их обжигают в течение примерно получаса при температуре 350° С. Резисторы с линейной шириной менее 0,1 мм изготовляют путем отложения временного слоя меди, который обрабатывают фотомеханическим способом (рис. 12.3). Осаждение хромоникелевого сплава на разогретую основу ведут обычным способом, после чего медь вытравляют вместе с излишними участками резистивного сплава. В результате получают резистор нужной конфигурации. Рис. 12.3. Этапы производства пленочных резисторов: 1 — подготовленная пластина (основание); 2 — нанесение контактных площадок выводов (золото, хром); 3 — нанесение слоя меди; 4 — нанесение светочувствительной эмульсии; засветка через маску и снятие незасвеченных участков эмульсии; 5 — травление меди на участках, не защищенных эмульсией, и снятие эмульсионного слоя; 6 — нанесение хромо-никелевой пленки и обжиг; 7 — селективное вытравливание медного слоя вместе с хромоникелевой пленкой 393 На одну сторону пластины можно наносить до четырех резисторов. Выводные контакты можно получать осаждением паров на проводящий слой резистора, который предварительно обжигают на основе, затем к ним припаивают проволочные или ленточные выводы. Осаждением паров получают пленочные резисторы с сопротивлением 22—100 000 ом и мощностью 0,5 вт, температурный коэффициент их составляет менее 0,02%/°С; пленочные резисторы из окисей металлов могут иметь сопротивление от 22 до 180 000 ом при таком же температурном коэффициенте. Общие характеристики микромодульных резисторов приведены в табл. 12.1 Конденсаторы. Микромодульные конденсаторы изготовляют путем нанесения на плату диэлектрических пленок следующих разновидностей: 1) тонкие пластиковые пленки; 2) анодные пленки; 3) керамические пленки с большой диэлектрической проницаемостью; 4) пленки, получаемые испарением; 5) пленки из окиси тантала и других металлов. Таблица 12.1 Общие характеристики микромодульных постоянных пленочных резисторов из металлических сплавов МаксимальМаксимальный Величина Допуск на ная мощ- Максималь- температурсопросопротив- ность рассе- ное напря- ный коэффитивления ление, % яния2, вт, жение, в циент сопро1 при 70° С тивления, %/°С 100 постоянного тока 0,02 Переменный До 1 Мом ± 10, ток сети 1 Планируется выпуск резисторов термисторного типа величиной 10—10 000 ом, специального назначения величиной 50—100 000 ом и прецизионных. 2 Имеется в виду мощность рассеяния на одну плату; для больших значений мощности платы можно объединять. От 10 ом ± 1; ± 5 1/2 394 Тонкие пластиковые пленки толщиной 2,5 мм изготовляют из высокомолекулярного полистирола, который наносят в растворе на полиэфирную пленку, используемую в качестве подложки. После того как пленка застывает, ее снимают с подложки. Из таких пленок можно изготовить конденсаторы объемом в 5 раз меньше бумажных. Диэлектрические свойства этих пленок такие же, как у обычного полистирола. Высокомолекулярный сополимер стирола с αметилстиролом применяется для изготовления пленок способом выдавливания толщиной 12 мк. Конденсаторы, изготовляемые из этих пленок, можно применять при температуре 125° С и более в зависимости от пропорций компонентов сополимера. В настоящее время исследуют так называемую лаковую технику, которая позволит изготовлять из высокомолекулярного полистирола или сополимера стирола пленки толщиной 0,5 мк. Из таких пленок и алюминиевых обкладок, получаемых испарением, можно изготовить конденсаторы очень большой емкости при малом объеме. А н о д н ы е п л е н к и получают анодированием высокочистой алюминиевой фольги в боратовой ванне. После анодирования фольгу высушивают и заливают эпоксидной смолой трещины, появившиеся на анодной пленке. Образовавшаяся пленка содержит 80% окиси алюминия и 20% эпоксидной смолы. Максимальная рабочая температура таких пленок составляет 150° С. Потери, диэлектрическая проницаемость и другие характеристики конденсаторов — на основе анодных пленок с характеристиками слюдяного конденсатора. К е р а м и ч е с к и е п л е н к и с большой диэлектрической постоянной толщиной 0,05 мм получают разными способами. Один из них заключается в том, что на движущуюся конвейерную ленту наливают слой жидкой керамики, толщину которого регулируют с помощью брусочка. Лента проходит через сушильную печь и печь для обжига. При другом методе жидкую массу пропускают через узкую щель в дне коробки, которая движется вдоль стеклянной пластинки. Толщина получающейся пленки зависит от ширины щели и скорости движения коробки. 395 П л е н к и , п о л у ч а е м ы е и с п а р е н и е м , привлекают особое внимание. В течение ряда лет таким способом изготовляли пленки из одноокиси кремния, которые применяют в качестве оптических защитных покрытий. Эти пленки используют и для производства конденсаторов с алюминиевыми электродами (на стеклянной основе), емкостью 2 500 пф/см2, работающих при температурах 200—250° С. Если вместо одноокиси кремния применить двуокись, то характеристики конденсаторов улучшаются, например повышается пробивное напряжение, снижаются потери и т. д. Получены пленки из сульфида цинка толщиной 1 мкм. Они имеют пробивное напряжение 100 в при емкости 10 000 пф/см2, но неустойчивы к воздействию атмосферной влаги. Способом испарения получают пленки из фтористого магния, фтористого кальция, силиката кальция, сульфида цинка, сульфида свинца, сульфида кадмия, двуокиси кремния, алюмината магния и других материалов. Хорошие результаты дает использование смесей из кремния и двуокиси кремния, особенно при низкой скорости испарения (от 10 до 15 10-7 мм/сек), в вакууме 1—3 10-5 мм рт. ст. (подробнее о технологии нанесения пленок методом испарения см. ниже). В будущем предполагают получать методом испарения пленки из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью (например, из окиси титана и титаната бария). В качестве материала для обкладок пленочных конденсаторов чаще всего используют алюминий, иногда также — хром, золото, медь и серебро. Общие характеристики микромодульных конденсаторов приведены в табл. 12.2. Индуктивности. Элементы индуктивности обычно изготовляют в виде смонтированных на микроплатах катушек, намотанных на миниатюрные тороидальные сердечники. Тороидальная форма обеспечивает минимальное поле рассеяния и тем самым позволяет избежать нежелательных связей между платами микромодуля. Так как параметры катушек индуктивности (L, Q и 396 т. д.) определяются характеристиками ферритовых сердечников, то основное внимание уделяют улучшению свойств их материала. Создан, например, феррит, температурный коэффициент магнитной проницаемости которого можно регулировать в пределах от 200 х 10-6 до 500 10-6 на градус. Индуктивность катушек может быть от нескольких микрогенри до 10 мгн при рабочей частоте от 100 кгц до 100 Мгц. Плоские катушки индуктивности изготовляют теми же способами, что и резисторы, т. е. в основном методом напыления в вакууме. Для изготовления плоских магнитных цепей применяют магнитные пленки. Их получают испарением, электролитическим осаждением из порошков магнитных сплавов, а также путем накатки и травления. Таблица 12.2 Общие характеристики микромодульных конденсаторов Тип конденсаМатериал Емкость Напряжение, в тора Общего назна- Керамические 0,01—0,3 50+100% чения тонкие пленки мкф То же Керамическая 0,0001—0,1 100+100% пленка толщимкф ной 0,25 мм Прецизионные Керамические 50—2 000 50 мкв для темпера- тонкие пленки пф турной компенсации То же Керамическая 0—1000 пф 100 мкв пленка толщиной 0,25 мм 397 Рис. 12.4. Этапы производства пленочных конденсаторов: 1 — нанесение выводов (золото, хром); 2 -— нанесение обкладок (золото); 3 — нанесение диэлектрика (фтористый магний) и отжиг (в течение 30 мин при 300° С); 4 — наложение общей обкладки; 5 — припайка выводов, готовый блок конденсаторов Методы испарения магнитных пленок схожи с методами, применяемыми для нанесения резистивных материалов, с той разницей, что испарение производят в сильном магнитном поле для ориентации диполей. Обычно используют сплавы, как никель — железо, в соотношении 7 : 3. Температуры испарения никеля и железа достаточно близки, чтобы избежать разделения компонентов сплава. Этим способом получены пленки толщиной до 2 мк. Полупроводниковые приборы. Создание микроминиатюрных полупроводниковых приборов и повышение их надежности является одной из самых трудных и важных задач микроминиатюризации. Относительно большие размеры полупроводниковых приборов определяются главным образом размерами корпусов, так как сами полупроводниковые переходы занимают очень малую часть общего объема. Для сокращения размеров применяют некапсюлированные полупроводниковые элементы, которые можно крепить непосредственно на микроплате. Один из способов состоит в заделке транзисторного элемента в углублении между двумя пластинами или же транзистор помещают в углубление пластины и накрывают металлической крышкой (рис. 12.5). Полупроводниковый элемент соединяет с 398 пазами для выводов посредством печатных проводников, нанесенных на поверхность пластины. Рис. 12.5. Конструкция микромодульного транзистора: 1 — металлическая крышка; 2 —транзистор; 3 — уплотнительное кольцо; 4 — металлизированные выводы транзистора Рис. 12.6. Диффузионный транзистор на монтажной плате: 1 — эмиттер; 2 — база; 3 — травленая канавка; 4 — связь с помощью эпоксидной смолы; 5 — монтажная плата В микромодулях применяют высокочастотные германиевые транзисторы диффузионного и сплавного типа. Германиевые диффузионные транзисторы изготовляют фотолитографическими методами. Их удобно соединять с печатными проводниками, наносимыми на пластину испарением в вакууме. На рис. 16-6 показан диффузионный транзистор, установленный на монтажной плате. Круглую германиевую матрицу (диаметр около 1 мм, толщина 0,1 мм) припаивают или приклеивают к монтажной плате, которая служит в качестве коллекторного контакта. 399 Площади базового и эмиттерного контакта каждая в отдельности составляют примерно 0,1 х 0,3 мм; для этих контактов протравливают канавку глубиной 0,01 мм и площадью 0,4 х 0,4 мм. Верхнюю часть матрицы покрывают фотоэмульсией, освещают через маску с требуемым рисунком, проявляют и незасвеченные участки эмульсии вымывают. Оставшаяся часть эмульсии служит защитным покрытием. На поверхности эмиттера и базы образуются незащищенные участки (рис. 12.7). Транзистор вставляют в паз керамической платы (модуля), а специально предусмотренный зазор заливают эпоксидной смолой, которая обеспечивает механическое крепление. Проводники, соединяющие электроды транзистора с серебряными проводниками на плате, наносят методом испарения алюминия в вакууме через точную маску. Рис. 12.7. Поперечный разрез диффузионного транзистора: 1 — база; 2 — эмиттер; 3 — фотоэмульсия; 4 — германиевая Рис. 12.8. Поперечное сечение сплавного транзистора, вставленного в отверстие на керамической плате (соединительные провода эмиттерного и базового электродов не показаны): 1 — индий; 2 — эмиттер; 3 — эпоксидная смола; 4 — держатель базы; 5 — германии; 6 — керамика; 7 — коллектор; 8 — проводящий клей 400 Транзистор сплавленного типа (рис. 12.8) имеет эмиттерный и базовый электроды с одной стороны матрицы, а коллекторный — с противоположной. Метод крепления такого транзистора на плате подобен методу крепления некапсюлированных транзисторов, только в этом случае транзистор вставляют в паз на плате эмиттерной и базовой стороной. Кроме того, керамику около эмиттерного паза металлизируют. Рис. 12.9. Поперечное сечение сплавного транзистора, герметически закупоренного в корпус: 1 – металлическая пластинка; 2 – индий; 3 – эпоксидная смола; 4 – транзистор; 5 – индий; 6 – керамика; 7 – проводящий адгезив. Диоды изготовлять легче, так как они имеют всего один переход. Этот переход получают диффузией в твердом состоянии на материале типа р, в результате чего образуется поверхность типа п и, следовательно, переход р-п. Систему покрывают фотоэмульсией через трафарет, а на поверхность наносят электролитическим путем золото для получения электрического контакта. Крепление диода на плате осуществляется таким же образом, как это делается и у транзисторов. Допустимая рабочая температура окружающей среды повышается для кремниевых диодов до +125°С, а допустимые температуры перехода — от — 90° до+200° С. Обратный ток типичного микродиода при напряжении 3 в составляет 2 мка и при напряжении 10 в — 2,2 мка. Прямой ток при напряжении 1 в составлял 150 ма. 401 Рис. 12.10. Конструкция микродиода: 1 — галета; 2 — заливочная смола; 3 — проводящая эпоксидная смола; 4 — алюминий; 5— паяное соединение; 6 — кремниевый диод В микромодульной системе, помимо полупроводниковых элементов, могут быть использованы и микроминиатюрные термоэлектронные лампы. Безнакальные миниатюрные лампы используют вместо транзисторов. В таком случае не требуется вспомогательных систем охлаждения, а значит, повышаются общая эффективность и надежность оборудования, увеличивается срок его службы. 12. 3. Технология изготовления пленочных микросхем Электрические элементы схем, используемые для генерирования, преобразования и передачи сигналов, обычно занимают лишь небольшую долю общего веса и объема аппаратуры, хотя и выполняют основную функцию радиоприбора. Для оценки электронных цепей вводится понятие «объемный коэффициент качества», или «коэффициент использования объема». Это — отношение объема элементов, воздействующих на сигнал, к объему всего прибора. Для обычной технологии характерны малые значения коэффициента использования объема. Разработка микросхем была связана именно с повышением коэффициента использования объема. Как уже говорилось, пассивные элементы микросхем могут быть получены осаждением в вакууме проводящих, резистивных, магнитных и диэлектрических пленок. Техника нанесения пленок позволяет получить элементы, эквивалентные по параметрам любым из существующих обычных элементов, за исклю402 чением больших индуктивностей. В то же время могут быть созданы элементы с распределенными параметрами, обладающие новыми свойствами. Хуже обстоит дело с активными элементами микросхем. Естественным кажется использование полупроводниковых приборов. Однако, хотя методом осаждения и получены единичные кристаллы кремния, на практике такие полупроводники еще широко не используются. В связи с созданием новой технологии в электронном производстве появился новый для него термин «морфология», описывающий метод «монтажа» микросхем, в котором большую роль играет форма элементов схемы. Существенную часть конструирования составляет выбор материалов. В качестве подложки, которая большей частью служит основой для нанесения пленок, обычно используют диэлектрики, например стекло, кварц, титанах бария, некоторые пластмассы, окись алюминия и др. В отдельных случаях, если подложка участвует в обработке сигнала, она изготовляется из металла. Материал для резистивных пленок выбирают в зависимости от требуемой величины сопротивления. Они могут быть из теллура или из высокоомного сплава типа нихрома. Линейные размеры определяются удельным сопротивлением пленки, ее формой и толщиной. Площадь поверхности резистора зависит от его мощности и от заданной величины параллельной ему распределенной емкости. Емкость определяется площадью токопроводящих пленок, толщиной изоляционной прослойки (обычно подложки) и ее диэлектрической постоянной. Определением материалов, формы и толщины пленок, участвующих в схеме, а также их взаимного расположения заканчивается разработка морфологии микросхемы. Следующим этапом является нанесение пленок. Участки подложки, покрываемые пленкой, ограничивают либо теневыми масками, либо масками, наносимыми в виде специального покрытия с помощью трафаретов. Теневые маски изготовляют из металла или изолирующего материала. Маскирующие покрытия 403 наносят специальной краской, закрывающей те части подложки, которые не должны быть покрыты пленкой. После осаждения пленки маскирующее покрытие смывают. Способ теневой маски проще, чем способ маскирующего покрытия. Монтаж микросхемы удобно начинать с осаждения проводящей пленки. Затем наносят резистивную пленку, края которой для создания электрического контакта должны частично захватывать края проводящей пленки. Таким образом, границы поверхности резистора определяются положением краев проводящей пленки. Так как проводящая пленка наносится первой, образуя выводные контакты, то возможен контроль величины сопротивления в процессе осаждения. Последним этапом в изготовлении пленочных микросхем является их защита. Микросхемы заключают в сборный или литой корпус или заливают компаундом. В качестве примера последовательности изготовления микросхемы может быть рассмотрен генератор, электрическая схема которого показана на рис. 12.11. В качестве подложки, выполняющей одновременно функции диэлектрика для конденсатора и изолирующей основы, — для остальной части схемы выбирают материал с высокой диэлектрической проницаемостью. Подложка в данном случае выполнена в виде диска, но возможны и другие формы. Рис. 12.11. Схема генератора: а — обычное исполнение; б — микросхемное исполнение 404 Морфология микросхемы показана на рис. 11.12. На верхнюю сторону подложки наносят резистор в форме разомкнутого кольца. Он представляет собою комплекс всех резисторов схемы. В нескольких местах под пленку помещают проводящие полоски, являющиеся отводами. На часть нижней стороны подложки, расположенную под одной из секций резистора, наносят проводящую пленку, которая выполняет функции заземленного элемента схемы. Рис. 12.12. Морфология микросхемы генератора: а - резистивная пленка; б - проводящая пленка; в - сборка пассивной схемы; г — генератор в сборке Для нанесения всех этих пленок используют маски. Подложку с маской помещают в вакуумную камеру. Пленка наносится в три приема: проводящую пленку осаждают с обеих сторон, а резистивную — с одной стороны подложки. Затем подложку вынимают из камеры и снимают маску. После этого присоединяют транзистор. Диаметр подложки 22 мм, толщина 0,5 мм. Эквивалентная плотность монтажа (включая транзистор) составляет 40 тыс. деталей в 1 дм3 Прибор весит 1,4 г без корпуса и 4 г с корпусом. 405 Описанные способы выполнения микросхем представляют собой лишь первый шаг на пути создания новой тонкопленочной технологии. В настоящее время разрабатывают ионную пушку по типу электронной. Предполагается, что осаждение будет осуществляться с программным управлением траекторией отклонения ионного пучка, который будет как бы «вычерчивать» заданную схему. Способом испарения в вакууме могут быть получены элементы схем с распределенными параметрами. Разработаны пассивные четырехполюсники с распределенными резисторами и емкостями. Из этих четырехполюсников могут быть созданы функциональные схемы, которые невозможно выполнить из ограниченного числа обычных элементов. На рис. 12.13. показана структура некоторых RC цепей в виде четырехполюсников с распределенными параметрами, выполненных методом микросхем. Такой четырехполюсник состоит из подложки, изготовленной из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, и нанесенных на нее пленок: резистивной с одной стороны подложки и проводящей — с другой. Проводящие пленки А, В, F и С образуют входные и выходные контакты. Четырехполюсники а и б характеризуются равномерным сопротивлением и равномерной емкостью на единицу площади. Они эквивалентны линии передачи с постоянным волновым сопротивлением. Четырехполюсники в и г, сопротивление и емкость которых переменны, аналогичны линии с переменным волновым сопротивлением. Характеристики четырехполюсника с распределенными параметрами регулируют, изменяя форму нанесенных пленок, сопротивление резистивной пленки, емкость на единицу поверхности между проводящей и резистивной пленками и расположением выводов на последней. Сопротивление резистивной пленки регулируют, изменяя ее толщину, а емкость на единицу поверхности — варьируя толщину подложки либо форму и расположение проводящей пленки по отношению к резистивной. 406 Рис. 12.13. Четырехполюсники с распределенными постоянными: а — простой RC; б — простой RR; в — линейно изменяющийся RC; г — экспоненциально изменяющийся RC Индуктивности больших значений трудно изготовлять методом тонких пленок, и это снижает диапазон использования тонкопленочной технологии. Однако уже найдены способы введения в схему эквивалента сосредоточенной индуктивности, получаемого путем сочетания емкости активных элементов и обратной связи. Малые индуктивности, как показано выше, изготовляют осаждением проводящих и магнитных пленок соответствующей конфигурации. Расчет четырехполюсников с распределенными параметрами ограничивают определением характеристик установившегося режима и сводят к нахождению величины полного сопротивления Z в операторной форме. С помощью величины Z четырехполюсник по отношению к внешней цепи может характеризоваться минимальным количеством независимых параметров. Способы изготовления тонких пленок весьма разнообразны и приведены в табл. 12.3. Рассмотрим основные методы. 407 Термическое испарение в вакууме Получение пленок термическим испарением в вакууме состоит из испарения вещества и последующей конденсации его паров на подложке. Для того чтобы атом поверхностного слоя вещества мог испариться с поверхности, он должен обладать достаточной энергией, за счет которой он может преодолеть силы, удерживающие его на поверхности. Эту энергию активации атом получает за счет тепловой энергии, подводимой к испаряемому веществу. Таблица 12.3 Методы получения тонких пленок 1. Термиa) Резистивное испарение ческое испа- b) Испарение электровакуумной дугой рение в ва- c) Испарение электронной бомбардировкой кууме d) Испарение лазерным лучом 2. Распыa) Катодное распыление ление бом- b) Катодное распыление со смещением бардировкой c) Катодное распыление с питанием электродов ионами асимметричным переменным напряжением d) Геттерное катодное распыление e) Электрохимическое катодное распыление f) Реактивное распыление g) Ионно-плазменное распыление (триодная схема распыления) h) Катодное распыление с изоляцией испаряемого материала тлеющим разрядом 3. Вжигание 4. Химическое осаждение 5. Электрохимическое осаждение 6. Термохимическое разложение 7. Разбрызгивание 8. Диффузия при высоких температурах 9. Газопламенное распыление 10. Окунание 408 Быстрое испарение металлов и сплавов в вакууме происходит при достижении ими температуры, соответствующей давлению паров порядка 10-2 мм рт. ст. Зависимость давления паров от температуры описывается уравнением A lg P B lg T C , (12.1) T где Р — давление насыщенного пара, мм рт. ст.; Т — абсолютная температура, ° К; А, В, С — постоянные эмпирические коэффициенты. Скорость испарения, т. е. количество материала, испаряемого в 1 сек с 1 см2 поверхности испарителя, определяется из уравнения (16-2): M M , (12.2) v 0,0585P 6 10 4 T T где v — скорость испарения, г/см2сек; М — молекулярный вес, г; Т — абсолютная температура, ° К. Пленки некоторых металлов, например, хрома, магния, родия, могут быть получены испарением из твердого состояния (сублимацией), но в большинстве случаев нанесению испарением предшествует плавление металла. Металлы в парообразном состоянии, за исключением сурьмы, являются одноатомными. Рассмотрим некоторые закономерности, которым подчиняются испаренные атомы. Согласно кинетической теории газов длина свободного пробега молекул , определяется из уравнения mc 2 , (12.3) 35 2 2 P где — эффективный диаметр молекул, см; m — масса молекул; с — средняя квадратичная скорость молекул. 409 Прямолинейное движение атомов и молекул в вакууме (без столкновений и рассеяний) происходит при условии, когда d, (12.4) где d — расстояние между испарителем и приемной поверхностью. При выполнении условия, описываемого неравенством (16-4), на поток посторонних частиц (молекулярный) распространяются законы геометрической оптики Ламберта, которые в приложении к движению молекулярных потоков носят название законов Кнудсена и формулируются следующим образом: 1. Интенсивность излучения частиц с поверхности испарителя под углом к нормали этой поверхности пропорциональна cos . 2. Число атомов металла, достигающих единицы приемной поверхности в секунду при точечном испарителе, обратно пропорционально квадрату расстояния от испарителя до подложки. После испарения металла его необходимо сконденсировать на приемной поверхности. Конденсация — это процесс перехода металла из парообразной фазы в твердую или жидкую. При выборе режима испарения и конденсации, а также при вычислении толщины слоя необходимо знать количество испаренных металлических атомов, которые образуют тонкую пленку испаренного вещества, а также скорость конденсации, определяемую уравнением (12.5) v1 n , где v1 — скорость конденсации молекул; п — число молекул, ударяющихся в единицу времени о поверхность подложки; α — коэффициент аккомодации, представляющий собой отношение числа молекул, фактически сконденсировавшихся на поверхности в единицу времени, к числу молекул, ударившихся о поверхность за то же время. Известно, что для каждого вещества существует критическая температура поверхности подложки, выше которой атомы испаренного металла полностью отражаются от подложки. Эта 410 величина зависит от природы пара, образующего атомный пучок, от природы подложки, степени ее чистоты, а также от интенсивности или плотности падающего атомного пучка. Теоретическая зависимость критической плотности падающего атомного пучка от температуры подложки описывается уравнением u (12.6) k A exp 1 , kt где ук — критическая плотность пучка; к — постоянная Больцмана; Т — соответствующая температура поверхности подложки; и1 — энергия связи атома, адсорбированного на поверхности, и атома из пучка, вошедшего в дублет; А — постоянная, зависящая от рода вещества. Величина u1 характеризует скорость процесса конденсации. Чем больше и1 тем больше коэффициент аккомодации конденсирующихся частиц. При большей плотности пара испарившиеся с подложки атомы схватываются вновь образующимися частицами и, осаждаясь на подложке, совместно образуют ядра конденсации. При увеличении плотности пара критическая температура подложки увеличивается. Изменяя свойства подложки, например, заранее образуя ядра конденсации предварительным нанесением слоев вещества, можно управлять структурой и свойствами получаемой пленки. Поверхностная миграция металлических атомов зависит от материала пленки и подложки. На степень поверхностной миграции оказывают влияние температура подложки и скорость нанесения пленки. Имеет значение также загрязнение подложки и наличие окисного слоя, который может возникнуть в процессе термического испарения между пленкой и подложкой. Такой окисный слой образуется, например, при нанесении железа и нихрома, чем и объясняется хорошая адгезия этих пленок, например, к стеклу и ситаллу. Пленки из платины, родия, рения и других благородных и тугоплавких металлов, которые не подвержены или слабо подвержены окислению, имеют очень 411 плохую адгезию, поэтому между ними и стеклянной или ситалловой подложкой создают тонкий промежуточный подслой из материала с высокой адгезией. Рис. 12.14. Схематическое изображение распределения потока испаряемого материала. Распределение конденсата по приемной поверхности происходит в соответствии с законами Кнудсена для молекулярных потоков, из которых вытекает принципиальная возможность методом термического испарения получить пленки металлов с равномерным распределением по толщине, что чрезвычайно существенно для создания, например, прецизионных переменных резисторов. На равномерность распределения пленки по поверхности подложки влияет целый ряд факторов, в том числе сама форма приемной поверхности, а также расположение испарителей относительно этой поверхности. Кроме того, существенным является распределение потока пара испаряемого вещества в пространстве: является ли оно равномерным во всех направлениях (в случае точечного источника) или существует какое-либо преимущественное направление. Поэтому для получения равномерной пленки на приемной поверхности весьма существенным представляется выбор конструкции испарителей. Вполне естественно, что выбор определенной конструкции испарителя зависит от целого ряда факторов, связанных с формой испаряемого вещества (порошок, проволока, кристаллы). Рассмотрим наиболее общий случай распределения молекул испаряемого веще412 ства, а именно направленный поверхностный источник. Пусть источником молекул является маленькая плоская площадка с постоянной по ее поверхности температурой. В соответствии с положениями Кнудсена испарение с такой поверхности равномерно и будет происходить в зависимости от угла испускания паров. Допустим, что испарение происходит с небольшой плоской площадки. Количество вещества, испаряющегося с этой площадки за 1 сек, равно т, г/сек. Тогда в соответствии с законом косинуса количество вещества, испускаемого в телесном углу d (рис. 12.14) по направлению, образующему угол ср с нормалью, равно: m dm cos d (12.7) Если плотность испаряемого вещества равна у, толщина пленки, образовавшейся за единицу времени, равна h, тогда количество вещества, осажденного на площадку dS1 будет составлять: dm = yhdS1. (12.8) Приравнивая уравнение (16-7) к уравнению (16-8), имеем: m hdS1 cos d ; (12.9) dS cos , (12.10) d 1 2 r откуда dS m (12.11) hdS1 cos 21 cos ; r m cos 2 h (12.12) r 2 В случае, если испарение происходит с малой площадки на поверхность, параллельную поверхности излучения (рис. 12.15), то выражение (12.12) ввиду равенства углов и можно записать: 413 m cos 2 r 2 Отсюда толщина слоя в точке О (рис. 12.15), так как cos обращается в единицу, равна: m 1 h0 r 2 Толщина слоя в точке R соответственно m cos 2 ml 2 (12.13) hR r 2 (l 2 2 ) 2 Отношение толщин в точке О и в точке R h0 l4 (12.14) hR (l 2 2 ) 2 Нетрудно показать, что точечный источник можно рассматривать р. частный предельный случай поверхностного источника. Анализируя формулу (12.13), можно сказать, что с увеличением расстояния от испарителя до подложки общая толщина пленки уменьшается, но одновременно и уменьшается ее неравномерность по толщине, так как при r угол 0 и величина cos 1, а следовательно, hR hO. Однако практически выполнить это условие невозможно, поэтому для получения равномерного покрытия нужно выбрать такое взаимное расположение испарителя и подложки, которое обеспечило бы минимальный разброс по толщине и в то же время было технологически выполнимо. Физико-технические свойства пленок во многом зависят от способа, которым испаряемый материал нагревается до температуры испарения или возгонки. Существующие испарители можно разделить на две группы: испарители с непосредственным нагревом и испарители с косвенным подогревом. В зависимости от способа нагрева испарители подразделяются на резистивные, индукционные и электронные; в зависимости от конструкции — на проволочные, ленточные и тигельные (автотигельные); в заh 414 висимости от формы — на точечные, ленточные, кольцевые и другие формы испарителей. Рис. 12.15. Схематическое изображение распределения испаряемого материала по приемной поверхности, параллельной поверхности испарения Испарение непосредственным подогревом осуществляется путем разогрева их при пропускании электрического тока. Преимущество такого метода испарения заключается в том, что отсутствуют элементы подогревателя, способные загрязнить наносимую тонкую пленку. Обычно используют непосредственное испарение с проволоки или системы проволочек. Этот метод успешно применяется для пленок тугоплавких металлов. Между двумя проводниками, изготовленными из напыляемого металла, создают точечный контакт и нагревают этот контакт током достаточной величины. В месте соединения образуются расплав металла и испарение его, тогда как другие участки проводника имеют температуру ниже точки плавления. Таким способом были получены пленки вольфрама, молибдена и тантала хорошего качества. Существует способ получения тонких пленок тугоплавких металлов при помощи электровакуумной дуги. В этом случае электроды из испаряемого металла монтируются на изолированном основании. 415 От обычного сварочного генератора на электроды подается напряжение. Подвижный электрод соприкасают с неподвижными для зажигания дуги, а затем отводят обратно. Дуга гасится выключением сварочного генератора. Во время возникновения дуги на подложку напыляется пленка из материала электрода. Методом электровакуумной дуги были получены пленки из ниобия, тантала, ванадия и других металлов. При испарении с косвенным подогревом испаряемое вещество разогревается специальными подогревателями, выбор материала которых в основном определяется следующими требованиями: 1. Давление пара материала подогревателя должно быть пренебрежимо малым при рабочих температурах испарения. 2. Испаряемый материал в расплавленном состоянии должен хорошо смачивать материал подогревателя, обеспечивая хороший тепловой контакт. 3. Не должно происходить никаких химических реакций между материалом подогревателя и испаряемым металлом, а также не должны образовываться сплавы между этими веществами. Возможность загрязнения испаряемого вещества материалом подогревателя является одним из основных недостатков этого метода. Степень загрязнения возрастает при испарении металлов с высокой температурой испарения. Практически в технике тонкопленочных покрытий применяются главным образом вольфрамовые проволочные подогреватели; большое распространение получили подогреватели из молибдена и тантала. Испарители с косвенным подогревом могут быть проволочные и ленточные (изготовленные из листового материала). При небольших количествах испаряемого металла и при условии, что испаряемый металл смачивает материал подогревателя, применяются V-образные, W-образные, волнообразные и спиральные испарители, на которые насаживается испаряемый материал в виде загнутых кусочков проволок или полосок листового материала. 416 Испарители V- и W-образной, волнообразной и спиральной формы хорошо противостоят вибрации, характеризуются однородным испарением, при их использовании легко осуществляется температурная компенсация. При испарении хрома, кадмия и некоторых других металлов применяют способ, состоящий в предварительном гальваническом покрытии испаряемым металлом тщательно протравленной поверхности подогревателя. Гальваническое покрытие улучшает тепловой контакт между испаряемым веществом и подогревателем и облегчает процесс испарения. Для испарения больших количеств металла и порошкообразных материалов применяют испарители в виде лодочек или тиглей, подогреваемых электрическим током. Чашечки (тигли) изготавливают из листового тантала, вольфрама, молибдена, платины. Для испарения металлов с высокой точкой плавления применяются тигли из алунда, окиси циркония, окиси бериллия, внутри которых расположена вольфрамовая проволочная спираль. Такие тигли используют для испарения металлов с точкой плавления до 1 600-1 750° С. Для испарения металлов при температуре порядка 2 200° С применяют массивные тигли из окиси тория. Для еще более высоких температур испарения в качестве материала для испарителей применяется графит. Однако при этом необходимо учитывать, что при высоких температурах многие металлы, например алюминий, реагируют с углеродом, образуя карбиды. Недостатком графитовых тиглей является также их способность легко поглощать газы, что осложняет их технологическую обработку в вакууме. Интерес представляет в ы с о к о ч а с т о т н ы й м е т о д и с п а р е н и я металлов. При этом способе исключается контакт испаряемого вещества с материалом тигля. Поле высокой частоты плавит испаряемый металл во взвешенном состоянии. Капля полученного расплавленного металла остается во взвешенном состоянии в течение всего процесса ис417 парения. Таким образом удалось получить пленки алюминия, серебра, титана, кобальта, железа, меди. Новейшим методом испарения является м е т о д нагрева при помощи фокусированного изл у ч е н и я л а з е р а , находящегося вне вакуумной камеры. Лазером легко испарять тугоплавкие металлы, кроме того, при помощи лазерного луча можно разогреть только небольшую часть испаряемого вещества, в то время как тигель, в котором это вещество расположено, остается холодным. Таким образом исключается загрязнение, вносимое в пленку при использовании обычных испарителей с косвенным подогревом. Наиболее эффективным способом термического испарения материала является м е т о д э л е к т р о н н о й б о м б а р д и р о в к и . Электронный испаритель построен по принципу обычной электронной пушки, применяемой в электроннолучевых установках. Электроны, испускаемые накаленным катодом, фокусируются с помощью специального устройства, и пучок, обладающий высокой концентрацией энергии (порядка 5 -108 вт/см2), направляется на испаряемый материал. В большинстве случаев испарение ведется из жидкой фазы, в отдельных случаях возможно испарение и из твердой фазы (сублимация). Испарители, использующие нагрев электронным пучком, получили широкое распространение, так как с их помощью удается испарять самые тугоплавкие металлы. Кроме того, нагрев электронной бомбардировкой дает возможность избежать непосредственного контакта расплавленного испаряемого вещества с материалом тигля. Чаще всего материал помещают в тигель, все время охлаждаемый проточной водой, так что вся масса металла не может расплавиться, тогда как небольшой участок, на котором сосредоточен электронный пучок, служит источником незагрязняемых примесями паров металла, и, таким образом, удается исключить один из источников загрязнения пленок. И с п а р е н и е и з ж и д к о г о с о с т о я н и я , помимо испарения из охлаждаемого тигля, возможно путем электронной бомбардировки вершины проволоки, прутка или штабика из испаряемого материала. Расплавленный материал собирается в 418 каплю под действием сил поверхностного натяжения и не контактирует ни с каким поддерживающим приспособлением, поэтому загрязнения практически устраняются. Теплопроводность испаряемого металла должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить увеличение размера жидкой капли до величины, когда поверхностное натяжение не в состоянии удержать ее на торце материала. И с п а р е н и е и з т в е р д о й ф а з ы осуществляется прогревом испаряемого материала расфокусированным электронным пучком до температур, не превышающих температуру плавления испаряемого материала. В этом случае возможна регулировка скоростей испарения в весьма широком интервале. К достоинствам метода нужно отнести получение пленок большой чистоты и однородного состава. Метод позволяет легко контролировать и регулировать как мощность нагревания, так и скорость напыления. Другим важным фактором для получения высококачественных прочных, например резистивных, пленок путем термического испарения является тщательная предварительная очистка покрываемой поверхности. Величина адгезии пленки к поверхности подложки и микроструктура пленки определяют надежность работы покрытия. Катодное распыление Сущность процесса катодного распыления сводится к использованию давно замеченного характерного для тлеющего разряда явления разрушения катода под действием бомбардировки его ионизированными атомами инертного газа. Распыляемость вещества ионами обычно характеризуется коэффициентом катодного распыления, который равен числу атомов, распыляемых под действием одного иона. Коэффициент катодного распыления зависит от очень многих параметров: от угла падения, атомного номера, энергии и массы бомбардирующих ионов, атомного номера распыляемого вещества, теплоты возгонки этого вещества, плотности тока ионов, давления остаточных газов и т. п. 419 Следующая формула позволяет вычислить коэффициент катодного распыления: Z (12.15) S 6,02 10 23 m e , AIt где S — коэффициент катодного распыления, атомов/ион; 6,021023 — постоянная Авогадро, моль-1; т — вес распыленного вещества, г; Ze — заряд иона, к; I — ток ионов, a; t — длительность бомбардировки, сек; А — атомный вес вещества, г. В настоящее время наиболее правдоподобным является объяснение теории катодного распыления импульсным механизмом. Положительный ион газа, ударившись о катод, не выбивает атом из металла, а лишь приводит его в колебание около положения равновесия. Возмущение, вызванное ионом, передается вдоль плотно упакованных атомных рядов кристаллической решетки, причем некоторая часть энергии распространяющихся волн направлена к поверхности металла. В результате этого поверхностный атом получает энергию от соседнего атома, принадлежавшего к плотно упакованному ряду. Если энергия, полученная поверхностным атомом, превзойдет энергию связи, то этот атом покидает поверхность металла. Такое разрушение происходит по всей поверхности катода, покрытой разрядом, и осуществляется при давлении газа от 1 до 10-2 мм рт. ст. Отличительным признаком тлеющего разряда является распределение потенциала в газе, характеризуемое катодным падением, т. е. изменением потенциала на несколько сотен вольт на расстоянии от катода до области разряда, называемой областью отрицательного тлеющего свечения. Это распределение потенциала обусловлено типичным для тлеющего разряда расположением пространственных зарядов. Оно сопровождается характерным внешним видом разряда, как бы распадающегося на несколько частиц. 420 Нетрудно показать, что для поддержания разряда важны процессы» ионизации в темном катодном пространстве, а положительный столб выполняет функцию пути проводимости между анодом и областью отрицательного свечения. Рассмотрим некоторые закономерности, характерные для катодного распыления. Зависимость количества распыленного вещества Q от давления газа и расстояния до приемной поверхности описывается уравнением k Q 1 , (12.16) dp где d — расстояние от катода до приемной поверхности; р — давление газа; к1 — постоянная. Как известно, критическая величина катодного падения потенциала приблизительно равна 500 в, ниже этой величины катодное распыление происходит чрезвычайно медленно. При катодном падении больше критического количество распыляемого вещества пропорционально разности между этим катодным падением и значением критического катодного падения. Тогда количество распыленного вещества k u Q 2 , (12.17) pd где и — разность между катодным падением и величиной критического катодного падения. Кроме того, количество распыленного вещества при прочих равных условиях пропорционально току I. Таким образом, уравнение (12.-17) можно записать в следующем виде: kui (12.18) Q pd Существенным фактором, увеличивающим интенсивность ка тодного распыления, является применение газов с большим молекулярным весом, так как при одинаковых условиях раз ряда более тяжелому иону легче выбить атом с поверхности катода. Конденсация распыленного металла на подложке при наличии тлеющего разряда не ограничивается критической 421 плотностью атомного пучка. Это объясняется удалением адсорбированных молекул газа ионной бомбардировкой, в результате чего создаются более благоприятные условия для миграции атомов металла по подложке, которые заполняют чистые места на поверхности и создают центры кристаллизации. При катодном распылении может происходить реакция между освобожденными атомами металла и следами активного кислорода в остаточной атмосфере, что также может влиять на явления осаждения. Если образуются молекулы окисей металлов, то они обладают большим сродством к стеклу, чем чистый металл. Такие молекулы могут служить центрами конденсации металла. До последнего времени считалось, что распределение распыленных частиц по направлению при катодном распылении подчиняется закону косинуса. Однако в последнее время установлены отклонения в распределении распыленных частиц от закона косинуса и зависимость коэффициента распыления от кристаллографического направления. Эти факторы могут существенно затруднить получение металлических пленок с равномерным распределением конденсата по толщине. Экспериментально установлено, что постоянная скорость распыления может поддерживаться при прочих равных условиях только при постоянном давлении рабочего газа и температуре катода. В условиях производства выполнение этих требований может вызвать серьезные затруднения, а следовательно, и трудности в получении пленок с воспроизводимыми параметрами. Практически в качестве катода в большинстве случаев используется диск распыляемого материала либо диск, покрытый распыляемым материалом. Анодом обычно служат металлические части откачной установки или стержни из железа или алюминия. На расстоянии 1—5 см от катода и параллельно ему укрепляется подложка, на которой нужно получить пленку распыляемого материала. 422 Приведенные в зарубежной литературе данные о наиболее целесообразных размерах катода, его расстоянии от напыляемого слоя, а также применяемых давлениях газа, напряжении и токе сильно расходятся. Обычно величина применяемых напряжений лежит в интервале от 1 000 до 3 000 в. Давление газа подбирается таким образом, чтобы в пределах от 1 до 0,5 мм темное катодное пространство занимало не менее половины и не более двух третей расстояния между катодом и подложкой. Существуют различные точки зрения на наилучшие условия проведения опыта, однако в основном все эти различия обусловлены недостаточной изученностью этих явлений. Далее существенным недостатком получаемых пленок является неизбежное присутствие в них рабочего газа. Молекулы газа, химически активированные тлеющим разрядом, интенсивно адсорбируются частицами металла. Это обстоятельство вызывает сильное отклонение как в структуре, так и в свойствах получаемых пленок. Рассмотрим некоторые разновидности катодного распыления. Одной из разновидностей метода катодного распыления является м е т о д р а с п ы л е н и я с о с м е щ е н и е м . Обычно при катодном распылении подложка, на которую конденсируется пленка распыляемого металла, находится под потенциалом анода. В случае катодного распыления со смещением подложка изолируется от анода и на нее подается отрицательное напряжение порядка —50 —300 в. При возникновении тлеющего разряда в цепи катод — анод часть ионов со сравнительно малой энергией бомбардирует напыляемую пленку, непрерывно вызывая десорбцию атомов газа, адсорбируемых конденсирующейся пленкой, за счет этого процесса получаемые пленки обладают большей чистотой и воспроизводимостью свойств, чем при катодном распылении. Вариантом катодного распыления со смещением является распыление асимметричным переменным током. В этом случае между катодом и анодом прикладывается переменное асимметричное напряжение таким образом, что в 423 один полупериод, когда анод положителен по отношению к катоду, оно равно напряжению распыления, а в другой полупериод, когда катод положителен по отношению к аноду, напряжение между катодом и анодом равно приблизительно 0,1 от напряжения распыления. В первый полупериод происходит распыление катода, во второй полупериод ионы бомбардируют подложку с напыляемой пленкой, установленной на аноде, и очищают от адсорбированных атомов газа. Чистоту пленок, получаемых различными методами катодного распыления, можно значительно улучшить, применив геттерную очистку инертного газа перед поступлением его в пространство разряда между катодом и подложкой, в котором производится напыление пленки. И о н н о - п л а з м е н н о е р а с п ы л е н и е заключается в следующем: в вакуумной камере собирается триодная система из подогревного катода, анода и электрода-мишени, источника атомов распыляемого материала. Подложка, на которой необходимо получить пленку, устанавливается напротив электрода-мишени. Камера откачивается до давления около 110-6— 510-6 мм рт. ст., после чего включают нагрев подложки и производят ее термическую очистку. Далее на подложке устанавливают заданную температуру, обеспечив наилучшие условия конденсации. Одновременно с операцией термической очистки подложки производится обезгаживание катода, после чего на нем устанавливается температура, достаточная для получения термоэмиссионного тока в несколько ампер на квадратный сантиметр. Между катодом и анодом прикладывается напряжение, в цепи катод — анод возникает ток. В камеру через специальное дозирующее устройство подается инертный газ при давлении около 110-3—510-4 мм рт. ст. При достаточно большом термоэмиссионном токе зажигается дуговой разряд. После возникновения дуги ток в ней возрастает, а напряжение на аноде падает до 60 в или меньше. В этот период подложка бомбардируется ионами, которые удаляют загрязнения, оставшиеся после химической и термической очисток. После очистки подложки ионной бомбардировкой, время которой выбирается экспериментально, к электроду424 мишени прикладывается отрицательный потенциал, извлекающий положительные ионы из разряда, которые затем бомбардируют мишень, выбивая из ее поверхности атомы, движущиеся в основном перпендикулярно к поверхности мишени и конденсирующиеся на подложке. К преимуществам данного метода, кроме описанных ранее преимуществ метода катодного распыления, нужно отнести возможность одновременного распыления металлов, значительно отличающихся друг от друга по физикохимическим свойствам. Некоторые сплавы (нихром, константан) распыляются без изменения состава распыленного материала. Сложные пленки, состоящие из нескольких компонентов, могут получаться в результате распыления нескольких независимых мишеней с различными скоростями. Возможно испарение как полупроводников, так и полупроводниковых соединений. Чистота получающихся пленок значительно выше, так как рабочее давление в несколько десятков раз ниже, чем при распылении в тлеющем разряде, расстояние между мишенью и подложкой может быть сделано меньше длины свободного пробега атомов распыляемого металла, а следовательно, будет значительно уменьшено загрязнение пленки остаточными газами. Адгезия пленки, полученной методом ионно-плазменного напыления, очень высокая за счет лучшей очистки ионной бомбардировкой, которую не удается осуществить при катодном распылении, так как распыление начинается сразу же после возникновения разряда. В случае к а т о д н о г о р а с п ы л е н и я с и о н и з а ц и е й р а с п ы л я е м о г о м а т е р и а л а обычная система диода с тлеющим разрядом и катодом из распыляемого материала изменяется следующим образом: вводится дополнительный электрод, обеспечивающий термическое испарение атомов распыляемого материала. В этом случае катод служит подложкой, на которой получают металлическую пленку. Процесс в этом случае отличается от обычного катодного распыления тем, что часть атомов, возникающих при термическом испарении электрода, ионизируется в тлеющем разряде и направляется к катоду высоковольтной системы, на которой и происходит конденса425 ция. Скорость напыления материала на подложку является функцией скорости термического испарения, степени ионизации и геометрии системы. Степень ионизации материала в основном зависит от плотности тока и ускоряющего потенциала. Существенным недостатком данного метода является распыление осажденного материала пленки за счет бомбардировки ионами инертного газа. Прочие недостатки характерны для обычного катодного распыления. К преимуществам нужно отнести улучшение адгезии получаемой пленки к подложке за счет повышения энергии осаждаемых частиц. В этом случае кинетическая энергия частиц напыляемого материала может превысить энергию распыления атомов в 100 раз и более. Некоторые другие методы нанесения тонких пленок Получение тонких пленок с помощь го х и м и ч е с к и х р е а к ц и й . Помимо получения тонких пленок методом термического испарения в вакууме и распыления материала бомбардировкой ионами, существуют способы получения пленок из газовой фазы с помощью химических реакций. Эти способы применяются в основном для получения пленок из материалов с различными типами проводимости. Отличительной чертой получения пленок из газовой фазы является сравнительная легкость управления процессом кристаллизации, а также возможность легирования получаемых пленок в процессе их образования. Создавая определенные условия в зоне осаждения и подбирая соответствующее соотношение реагентов, можно добиться ориентированного наращивания образующихся слоев на подложке, получения так называемых эпитаксиальных пленок или в случае применения в качестве подложки монокристалла получаемого вещества — автоэпитаксиальных пленок. Получение пленок из газовой фазы может быть осуществлено в основном следующим образом: водородным восстановлением хлоридов элементов, пленки которых хотят получить, или термическим разложением их гидридов или иодидов. Реакции 426 водородного восстановления хлоридов в общем виде описываются следующим уравнением: МеС14 + 2Н2 Ме + 4НС1. В основном хлоридная технология применяется для получения эпитаксиальных пленок кремния и германия, наращенных на их монокристалл, причем, применяя различные легирующие добавки, можно получать на одной подложке слои п- и р-типа проводимости. Реакции термического разложения гидридов или иодидов могут быть записаны следующим образом: MeJ4 Me + 2J2; МеН4 Me +2Н2. Процесс разложения иодидов основан на том, что равновесие реакции с понижением температуры смещается вправо, т. е. образование иодида происходит при более высокой температуре, чем его разложение. Таким образом, создавая в реакционном пространстве две температурные зоны (так называемый «замкнутый процесс»), можно в более холодной зоне получать чистый металл, т. е. будет происходить транспорт вещества из более горячей зоны в более холодную. Эта технология в настоящее время практически не применяется для получения пассивных элементов тонкопленочных микросхем, хотя в перспективе является очень заманчивой вследствие сравнительно низких температур (t = 500° С), позволяющих получать очень чистые пленки с любым заданным распределением примесей. Методы термического разложения иодидов в настоящее время с большим успехом применяются для глубокой очистки металлов. Другим способом получения тонких металлических пленок является разложение гидридов металлов (в основном GeH4 и SiH4), позволяющее получить при создании тонкопленочных элементов микросхем очень четкие р-п переходы. Однако большая взрывоопасность гидридов существенно ограничивает дальнейшие разработки этой технологии. Получение тонких слоев с помощью химических реакций для резисторов в настоящее время, по-видимому, не представляется возможным вследствие трудности контроля за сопротивлением растущей пленки в процессе ее образования. 427 В ж и г а н и е . Для получения металлических слоев, прочно связанных с подложкой, применяется метод вжигания, сущность которого сводится к следующему: измельченный металл в смеси с флюсом и связующим веществом наносят на поверхность подложки и подвергают затем нагреванию до температуры, при которой органическая связка выгорает, и металл с помощью флюса прочно сцепляется с подложкой. Таким образом, обычно получают пленки серебра, платины, золота, родия и палладия. В восстановительной атмосфере или в вакууме методом вжигания можно получать пленки других металлов, например никеля, качество которых будет определяться режимом процесса и составом применяемых паст. В качестве связующего вещества используют скипидар и канифоль, а для получения более чистых слоев — глицерин. Флюс состоит из 79,4% РbО, 15,7% Н3В08 и 4,9% SiO2. Приготовленную пасту кисточкой, по возможности равномерно, наносят на подложку, после чего производят вжигание. Для прочной связи наносимого слоя с подложкой необходимо, чтобы детали были нагреты не ниже чем до 450° С, что соответственно требует применения достаточно термостойких подложек. Естественно, что получение этим методом однородных пленок малых толщин (100 А) практически невозможно. Х и м и ч е с к о е о с а ж д е н и е . Сущность метода сводится к осаждению металлической пленки на поверхности подложки, помещенной в раствор соли данного металла, в результате реакции окисления-восстановления. Таким способом можно наносить пленки серебра, никеля и меди. Однако возможности применения этого метода сильно сужены из-за трудности получения пленок, обладающих достаточной адгезией к подложке, а также сильной зависимости воспроизводимости результатов от строгого поддержания постоянства концентраций и процентного соотношения компонентов смеси. Электрохимическое о с а ж д е н и е . Метод осаждения металлов путем электролиза применяется давно и в настоящее время достаточно хорошо изучен. Однако то обстоя428 тельство, что для ведения процесса необходимо иметь проводящую подложку, обычно ограничивает применение этого метода. Электрохимически можно получать слои серебра, золота, родия, иридия, меди, никеля и др. Недостатки метода в основном те же, что и для метода химического осаждения, и, кроме того, получение равномерных слоев на деталях сложной формы невозможно вследствие краевых эффектов. Р а з б р ы з г и в а н и е . Сущность метода состоит в том, что металл распыляют в электрической дуге и, используя в качестве носителя струю сжатого воздуха, осаждают на поверхности подложки, расположенной на пути этой струи. Аналогичным методом получения пленок является метод газопламенного распыления, отличающийся в сущности лишь тем, что расплавление материала, из которого хотят получить пленку, происходит в пламени газовой горелки с последующим осаждением в виде слоя на подложке. Вполне понятно, что получение тонких и однородных по толщине пленок этим методом невозможно. Диффузия при высоких температурах.С помощью этого метода можно получать слои различных металлов как на металлических, так и на неметаллических поверхностях. Сущность метода заключается в том, Что подложку помещают в замкнутый объем вместе с порошком того металла, из которого хотят получить пленку, и подвергают нагреванию до высоких температур. Однако процесс диффузии крайне медленный процесс, который растягивается на несколько десятков часов для получения пленок в несколько микрон. Следует отметить, что получение достаточно тонких пленок с воспроизводимыми параметрами описанными выше методами (кроме химических методов получения) не представляется возможным, поэтому более подробный анализ целесообразно проводить лишь для двух методов: термического испарения в вакууме и катодного распыления. 429 Сравнительная оценка методов термического испарения и катодного распыления Каждый из описанных выше методов нанесения тонких пленок имеет свои преимущества и недостатки. Сравним некоторые физико-технические свойства тонких пленок и возможности контроля основных технологических параметров, влияющих на эти свойства. Одним из основных параметров при нанесении тонких пленок является скорость испарения. Как известно, в зависимости от скорости испарения структура получаемых пленок может изменяться в широких пределах, так, при больших скоростях осаждения образуются более крупные кристаллы, чем при медленной конденсации. Соответственно пленки, полученные быстро, в большинстве случаев имеют структуру и значения плотности, более близкие к структуре плотности массивного металла. Кроме того, в зависимости от скорости нанесения в большей или меньшей мере будет происходить насыщение пленки остаточными газами, а следовательно, и изменение ее свойств. Отсюда вытекает, что постоянство скорости испарения является необходимым условием для получения пленок с хорошей повторяемостью физико-технических свойств. Из разобранных ранее зависимостей для термического испарения и катодного распыления установлено, что в случае термического испарения скорость в основном является функцией температуры испарителя, а в случае катодного распыления зависит от плотности газа, которая в свою очередь зависит от скорости откачки объема, скорости подачи рабочего газа и величины тлеющего разряда. Кроме того, скорость распыления зависит от температуры катода, напряжения и тока разряда. Таким образом, в случае термического испарения скорость испарения значительно легче контролировать и поддерживать постоянной. Диапазон возможных скоростей при термическом испарении от десятых долей секунды до десятков минут, при катодном распылении он значительно уже. Наибольшие скорости распыления составляют минуты. Распределение атомарного пучка металла по направлениям в случае термического испарения происходит по закону косинуса, а в случае катодного распыления распределение неравномерное с 430 отклонениями от закона косинуса. Следовательно, возможность получения пленки с равномерным распределением по толщине значительно сложнее. Чистота получающейся пленки металла; в случае термического испарения выше, так как процесс проводится в высоком вакууме, от 10-5 до 10-10 мм рт. ст., в то время как катодное распыление принципиально должно проводиться в атмосфере газа при давлении 10-2—10-1 мм рт. ст., когда скорость адсорбции остаточных газов может оказаться не только равной скорости адсорбции осаждаемого вещества, но и значительно превысить ее. С помощью катодного распыления трудно получить металлические пленки, свободные от окисных загрязнений, если не принять тщательных мер по устранению следов кислорода в атмосфере, в которой производится распыление. Следует отметить, что при использовании новых способов катодного распыления можно получить довольно чистые пленки. Адгезия к подложке в случае катодного распыления лучше, но при тщательной очистке при термическом испарении можно получить хорошие результаты. При изготовлении резистивных элементов очень важно иметь возможность контролировать в процессе нанесения пленки ход изменения сопротивления и автоматическую отсечку при достижении заданного номинала, в случае термического испарения это требование легко выполняется. Известно большое количество схем, обеспечивающих выполнение этого требования. В случае катодного распыления это осуществить весьма сложно из-за наводок в измерительной цепи, вызываемых газовым разрядом. Контроль толщины в процессе нанесения пленок методом катодного распыления вести сложнее, так как такие методы, как резистивный, кварцевого генератора и некоторые другие, в условиях разряда в газе не могут быть использованы непосредственно. Нужно отметить, что если до разработки метода термического испарения электронной бомбардировкой тугоплавкие и благородные металлы в основном наносились катодным распылением, то в настоящее время они успешно могут быть нанесены и методом термического испарения. 431 Помимо всего этого, при прочих равных условиях метод термического испарения не требует сложного оборудования для дозировки и контроля давления рабочего газа. На основании изложенного можно считать наиболее целесообразным применение метода термического испарения для производства тонких пленок и особенно прецизионных металлопленочных резисторов. Методы очистки подложек Процесс зарождения тонких пленок при конденсации вещества из паровой фазы в сильной мере зависит от состояния поверхности подложки и в первую очередь от степени ее очистки. Очистка поверхности подложки облегчает возможность введения атомов наносимого вещества непосредственно в область действия сил притяжения атомов к подложке. Состав и характеристики пленки, а также прочность сцепления ее с подложкой зависят не только от чистоты поверхности подложки, но и от состояния поверхности подложки. Перед процессом напыления с поверхности подложки должны быть удалены все посторонние включения, как-то: неорганические загрязнения (инородные частички, абразивы, кислоты, пыль и т. д.), органические загрязнения (жиры, масла, смолы, отпечатки пальцев и т. п.), адсорбированная вода, газы, препятствующие образованию прочной сплошной пленки. Величина адгезии пленки к поверхности подложки в значительной мере определяет надежность изготовленного тонкопленочного элемента. Процесс очистки можно разделить на предварительную, которую в свою очередь можно разбить на грубую и тонкую, и окончательную очистку в вакууме, проводимую непосредственно перед напылением. К предварительным методам очистки относятся: протирка поверхности ватой или бязью (батистом), смоченным в органических растворителях (бензин, спирт, ацетон), всевозможные методы химической обработки: обработка поверхности мелом; 432 активированным углем; термообработка в пламени бунзеновской горелки; обработка в ультразвуковой мойке и т. п. К более тонкой обработке относится отмывка в холодной и горячей (кипячение) деионизированной или бидистиллированной воде, промывка в органических растворителях, обработка в парах органических растворителей и сушка при повышенной температуре в атмосфере инертных газов в термовакуумном шкафу. К методам окончательной очистки рабочей поверхности подложки в вакууме перед напылением с целью удаления адсорбированных молекул воды и газа относятся: температурная обработка, обработка в тлеющем разряде, обработка электронной бомбардировкой, расщепление адсорбированных молекул в сильном электрическом поле. Совокупность способов очистки поверхности подложки выбирается в зависимости от ее материала, состояния поверхности, характера загрязнения и способов хранения. Следует отметить, что процесс очистки требует высокой чистоты применяемых химикатов и определенных навыков в работе. Из многочисленных методов предварительной очистки в последнее время используются как наиболее эффективные химическая и ультразвуковая, а также их сочетание. Рассмотрим подробнее методы очистки. Предварительная очистка подложек. В качестве материала подложек для изготовления микросхем возможно применение стекла, керамики, ситалла и др. Х и м и ч е с к а я о ч и с т к а . Следует отметить, что в настоящее время конкретных данных о химической обработке ситалловых поверхностей в литературе очень мало, а поскольку химизм процессов обработки ситалловых, керамических и стеклянных поверхностей достаточно близок, представляется целесообразным рассмотреть химические методы очистки стекла и керамики. Из наиболее распространенных химических способов очистки стеклянных поверхностей можно привести следующие: 1. Промывка подложек в едком натре или едком кали с по433 следующей обработкой в концентрированной хромовой смеси, состоящей из двухромовокислого калия, растворенного в концентрированной серной кислоте. 2. Обработка деталей в кипящем растворе хромовой смеси или 1—2%-ном растворе плавиковой кислоты в течение 1—2 мин. 3. Очистка стекла активированным углем. Этот метод заключается в протирке поверхности подложки непосредственно перед внесением в вакуумную камеру порошком активированного угля, нанесенного на чистую фильтровальную бумагу. Остатки порошка снимаются обезжиренной тканью. 4. Очистка подложек кипячением в 5%-ном растворе перекиси водорода в течение 20—30 мин с добавлением NH3 до рН = 11. Одно из преимуществ этого метода состоит в выделении пузырьков газа, оказывающих сильное механическое воздействие на поверхность подложки, что исключает, по-видимому, необходимость ультразвуковой очистки. 5. Очистка поверхности путем протирки пастой из углекислого кальция с последующей промывкой в 1%-ном растворе NaOH, промывки в 5 % -ном растворе НСl и дистиллированной воде. В качестве завершающей операции очистки применяют обработку поверхностей подложек в парах органических растворителей, таких, как трихлорэтилен, ацетон, изокриловый спирт. Химикаты применяют особо чистые, часто они дополнительно очищаются путем перегонки. Эта обработка в основном применяется для удаления мономолекулярных слоев воды, углеродов и т. п. Обработка осуществляется следующим образом: Подложки, укрепленные в специальной подставке, после промывки в дистиллированном органическом растворителе переносятся в камеру очистки паром, экстрактор. Подложки выдерживаются в парах органических растворителей несколько минут, пока они не приобретут температуру испарителя. Затем подставка вынимается из камеры, спирт быстро испаряется с поверхности горячей подложки. Подложки, в част434 ности из кварца, стекла, сапфира, после обработки паром обладают весьма большим коэффициентом сухого трения, характеризующим степень очистки подложки, поэтому имеется возможность снизить интенсивность обработки в тлеющем разряде. В качестве тонкой очистки перед загрузкой в вакуумную камеру можно применять также промывку в деионизированной или дистиллированной воде с последующей тщательной сушкой в течение 20—30 мин в термошкафу при температуре 320 ± 30° С в обеспыленной и очищенной инертной атмосфере, например, азота. После обработки в термошкафу хранение подложек на воздухе не допускается. У л ь т р а з в у к о в а я о ч и с т к а . В настоящее время успешно применяется очистка при помощи ультразвуковых колебаний большой интенсивности, воздействующих на детали, погруженные в раствор жидкости. Под ультразвуковыми колебаниями в акустике понимают такие колебания, частота которых лежит за верхним пределом слышимости человеческого уха, т. е. превосходит примерно 20 кгц; однако в настоящее время в технике используются колебания с частотой ниже 20 кгц; поэтому термин «ультразвуковые колебания» является до некоторой степени условным. Процесс ультразвуковой очистки является результатом действия различных факторов, однако главную роль играет кавитация. Кавитацией называют процесс образования, роста и захватывания газовых пузырьков в жидкости под воздействием распространяющихся ультразвуковых колебаний. Обязательным условием для возникновения кавитации является существование в жидкости зародышевых микропузырьков, наполненных газом или паром. Такие пузырьки всегда присутствуют в жидкости вследствие тепловых флуктуаций. Кавитация предпочтительно возникает на жировой поверхности, так как жировая пленка обладает гидрофобными свойствами, т. е. между ней и полярными молекулами воды наблюдается слабое взаимодействие. 435 Если интенсивность колебаний достаточно велика, то непосредственно у поверхности твердого тела будут происходить кавитационные взрывы. Очень большие мгновенные гидравлические давления, вызванные взрывами, способствуют эмульгированию жировой пленки, удаляют загрязнения с поверхности, а также и из микропор и трещин, а непрерывный поток жидкости удаляет эти частицы. Существуют разнообразные рецепты растворов, применяемых при ультразвуковой мойке. Хорошие результаты дает ультразвуковая очистка подложек из керамики, ситалла и стекла, например, в следующем составе: натрий фосфорнокислый трехзамещенный — 10 г, вспомогательное вещество ОП — 7—50 г, вода дистиллированная — до 2 000 мл. Подложки выдерживаются в мойке в течение 2,5 мин при температуре раствора 80—90° С. После ультразвуковой очистки может производиться дополнительная промывка подложек в холодной и горячей воде, а также кипячение в деионизированной и бидистиллированной воде. Промывка и кипячение в воде проводятся с целью удаления остаточных продуктов обработки. Т е р м и ч е с к а я о ч и с т к а . Наибольший эффект этот способ дает при очистке поверхностей керамических подложек. Он состоит в прокаливании подложек при температуре 550— 600° С в электрических нагревательных печах, возможна дополнительно подача кислорода. При накаливании загрязнения, имеющиеся на поверхности керамики, выгорают. Применяется обработка подложек, например стеклянных, в пламени горелки или также в печи при температуре 400° С. Разработана методика очистки при помощи окислительновосстановительного отжига. В этом случае органические и солевые загрязнения выжигаются в окислительной атмосфере (воздух или влажный кислород), а затем производится термическая обработка в восстановительной атмосфере. Итак, были рассмотрены различные методы предварительной подготовки поверхности. Чаще всего процесс предваритель436 ной очистки состоит из сочетания нескольких методов и разрабатывается в зависимости от конкретных производственных условий и технических требований. В настоящее время оценка качества очистки поверхности и соблюдение технологических режимов очистки зависят в основном от опыта и искусства работников. Чтобы сделать процесс очистки воспроизводимым и контролируемым, его необходимо автоматизировать и в первую очередь разработать методы объективного контроля технологических режимов (температура, время обработки, дозировка компонентов и пр.) и качества очистки поверхности. Кроме того, необходимо также усовершенствовать существующие методы предварительной очистки и разработать новые методы окончательной очистки, разработать эффективные методы контроля чистоты поверхности и создать методы защиты очищенных деталей от повторного загрязнения. Методы контроля степени очистки поверхности подложек. Одной из самых существенных причин отсутствия воспроизводимости свойств пленок является недостаточная очистка поверхности подложки. Исходя из этого большое значение приобретает контроль степени очистки поверхности. Методы контроля очистки поверхности являются в настоящее время самым узким местом вследствие множества противоречивых требований, предъявляемых к методам контроля: должно фиксироваться наличие ничтожных следов посторонних веществ порядка 10-6—10-10 г/см2, метод должен быть достаточно прост и должен занимать незначительное время. При этом детали не должны повреждаться; хотя в настоящее время и разработаны некоторые методы контроля, до сих пор еще нет ни одного серийного прибора, который бы давал объективную оценку степени очистки поверхности. Методы контроля можно подразделить на визуальные и количественные. 437 Визуальные методы контроля степени очистки поверхности подложек К визуальным методам контроля очистки поверхности подложек можно отнести следующие: метод разрыва водной пленки, метод распыления, метод конденсации, метод запотевания. М е т о д р а з р ы в а в о д н о й п л е н к и . Сущность метода состоит в том, что испытуемые детали погружают на короткое время в ванну с дистиллированной водой, а затем вынимают и после стекания избытка воды наблюдают за сплошностью водной пленки на поверхности детали. Разрыв водной пленки свидетельствует о наличии на деталях гидрофобных загрязнений. Однако доверять полностью результатам контроля очистки поверхности этим методом нельзя, так как он может создавать ложную уверенность в чистоте деталей, хотя фактически они могут быть загрязнены жирами. Ошибки этого метода обусловлены многими причинами. Например, сплошная пленка воды может образовываться и на загрязненных деталях, когда они плохо отмыты от моющих жидкостей, т. е. при наличии на них поверхностно-активных веществ. Молекулы этих веществ адсорбируются на островках гидрофобных загрязнений, а молекулы воды — на последних и на чистой поверхности, и поэтому пленка воды может перекрыть загрязненные участки и оказаться сплошной. Устранить ложную смачиваемость деталей при контроле можно погружением их в слабый раствор кислоты. На точность метода разрыва водной пленки влияет толщина слоя воды, причем чем тоньше слой, тем точнее метод. М е т о д р а с п ы л е н и я . Сущность этого метода состоит в следующем: на испытываемую деталь пульверизатором наносится дистиллированная вода. При этом напыленные капельки воды либо смываются, образуя непрерывную водную пленку, либо остаются разрозненными, в виде «сыпи», если на поверхности присутствуют гидрофобные загрязнения. М е т о д к о н д е н с а ц и и . Метод заключается в том, что испытываемую деталь помещают в пробирку, которую 438 охлаждают погружением в жидкий азот. После извлечения на воздух она быстро покрывается инеем, который начинает таять по мере нагревания детали. Концентрация влаги в отдельные островки или мелкие капли свидетельствует о загрязнении детали, а образование сплошной пленки — о ее чистоте. Осмотр детали чаще всего производится через лупу с 10—15-кратным увеличением. М е т о д з а п о т е в а н и я . Метод запотевания состоит в том, что подложку обрабатывают струей пара воды. Чистые детали покрываются сплошной пленкой влаги, а загрязненные — отдельными мелкими каплями. Количественные методы определения степени очистки поверхности К количественным методам определения степени очистки поверхности относятся: а) определение степени очистки по краевому углу растекания капли масла; б) определение чистоты поверхности по коэффициенту сухого трения; в) определение степени очистки по оптическим константам; г) определение очистки поверхности по сравнительной оценке электропроводности. Одним из наиболее совершенных методов количественной оценки степени очистки подложки является определение краевого угла растекания капли масла, помещенной на испытуемую поверхность. Для измерения краевого угла промытую подложку укрепляют в держателе, позволяющем помещать ее под объектив микроскопа БМИ в вертикальном положении. На подложку на расстоянии 1—2 мм от края маслодозировкой наносится ряд (5—6 шт.) капель масла. При помощи угломерной головки микроскопа пунктирная линия, наблюдаемая в окуляр микроскопа, совмещается с вершиной капли, имеющей удлиненную чечевицеобраз439 ную форму. Фиксируются показания штриховой сетки. Пунктирная линия переводится в положение касательной к капле. Показания опять фиксируются. Разница показаний составляет краевой угол . Краевой угол зависит от типа используемого масла, но во всех случаях чем лучше очищена поверхность, тем он меньше. Надо отметить, что при данном способе проверки степени очистки поверхности проверяемую подложку использовать без дополнительной обработки для последующих технологических операций нельзя, так как она загрязнена маслом, поэтому оценка степени очистки ведется на некотором количестве подложек, выборочно. Величиной, характеризующей степень очистки стеклянной поверхности, является коэффициент трения. Очищенные стеклянные поверхности обладают исключительно высоким коэффициентом трения, причем чем он больше, тем лучше очищена подложка. Коэффициент трения определяется путем измерения силы трения между движущейся с постоянной скоростью стеклянной поверхностью и расположенным под прямым углом к ней стеклянным штабиком. Ленгмюр показал, что наличие мономолекулярной пленки жирной кислоты, адсорбированной на стекле, достаточно для значительного снижения трения. Другим методом, позволяющим контролировать степень очистки подложек, является метод контроля электропроводности очищающей воды. Контроль электропроводности очищающей проточной (деионизированной) воды используемой для окончательной промывки подложки, производят до и после промывки. Присутствующие в воде ионы загрязнений с подложки определяют величину электропроводности. Окончательная очистка подложек перед нанесением на них тонких пленок в вакууме. Если для предварительной очистки подложек используются в основном химические методы, то при окончательной очистке перед нанесением пленок широкое применение нашли физические методы. 440 В этом случае применяется бомбардировка очищаемой поверхности .потоком заряженных частиц — ионов или электронов, разогнанных предварительно в сильном электрическом поле. Энергия удара потока частиц о поверхность эквивалентна нагреву этой поверхности до 4 000° С, что достаточно для удаления с поверхности всех типов загрязнений. В то же время эта энергия сосредоточена на очень небольшом слое поверхности (менее 1 мк в глубину), а поэтому подложка остается практически неповрежденной. При помощи такой обработки может быть удален наиболее загрязненный мономолекулярный слой поверхности подложки. Наиболее широкое применение в промышленных напылитель-ных установках нашла очистка в газовом тлеющем разряде. Очистка подложек в газовом разряде. Наиболее эффективным из существующих в настоящее время методов является очистка в тлеющем газовом разряде при вакууме 10-1 —10-3 мм рт. ст. Тлеющий разряд, используемый для очистки подложек, характеризуется сравнительно небольшими токами (15—600 ма) и высоким напряжением (0,7—20 кв). По внешнему виду тлеющий газовый разряд имеет сложную структуру — чередование темных и светлых полос. При очистке непосредственно используются два участка — это катодное темное пространство и анодный столб. В темном катодном пространстве электроны разгоняются приложенным напряжением до энергий, необходимых для образования положительных ионов при столкновении с молекулами газа. Для тлеющего разряда характерно то, что почти все напряжение, приложенное к разряду, сосредоточивается на темном катодном пространстве. Падения напряжения в положительном столбе почти нет. Для целей более эффективной очистки желательно использовать аномальный тлеющий разряд, характеризуемый повышенной плотностью тока и большим падением напряжения. Этот режим граничит с областью дугового разряда. До настоящего времени характер процессов, происходящих при очистке стекла в газовом разряде, слабо изучен. Помимо чисто физических явлений, имеют место сложные химические ре441 акции. Эффективность очистки зависит не только от режима разряда, но и от материала катода, состава остаточных газов, жидкостей, используемых в диффузионных насосах, скорости откачки, материала уплотнений. В тлеющем разряде подложка подвергается интенсивной бомбардировке ионами, которые расщепляют углеводороды, входящие в состав загрязнений. При этом нелетучие компоненты реагируют с кислородом, содержащимся в среде остаточного газа, и в виде окиси углерода удаляются из рабочего объема установки. Таким образом, при очистке подложек тлеющим разрядом происходят химические реакции, способствующие удалению нелетучих загрязнений, что является достоинством этого метода. Основной задачей при очистке ионной бомбардировкой в тлеющем разряде является разработка условий, при которых будет устранена бомбардировка поверхности быстрыми электронами. Холлэнд предложил конструкцию, особенностью которой является экранировка электродов. Заземленные плоские экраны защищают стеклянную поверхность от попадания на нее быстрых электронов. Очистка подложки производится хаотично перемещающимися ионами. Сравнение систем с экранированными и неэкранированными электродами показало, что при использовании экранированных электродов обеспечивается лучшее качество очистки стеклянных поверхностей. Электроды должны быть сделаны из материалов, не распыляющихся под действием ионной бомбардировки. Рекомендуется использовать алюминий или молибден. Очистка электронным п у ч к о м . Дюнайе предложил метод очистки поверхности электронной бомбардировкой и предложил для этого аппаратуру. Он помещал мощный вольфрамовый катод рядом с испарителем и использовал держатель подложки в качестве анода. При этом держатель был заземлен, а минус ускоряющего напряжения подавался на изолированный катод. Диммик усовершенствовал установку, применив электронную пушку для создания сфокусированного электронного луча, 442 сканирующего очищаемую поверхность, однако опыт других исследователей показал, что лучшая очистка происходит расходящимся электронным пучком. Очистка электронной бомбардировкой может быть весьма эффективной, однако существует опасность нарушить структуру очищаемой поверхности. Электронная очистка обладает двумя недостатками, которые ограничивают ее применение: 1. Катод может испаряться во время работы. 2. Пары углеводородов, составляющие часть остаточных газов в вакуумной установке, разлагаются и образуют углеродистые слои на очищаемой поверхности. Второй недостаток присущ и ионной очистке, но в случае электронной бомбардировки предотвращение таких загрязнений значительно труднее. Термическая очистка в вакуумной кам е р е . Термическую очистку подложек в вакууме обычно проводят непосредственно перед процессом нанесения пленок (при рабочем вакууме). Нагрев подложек лучше всего производить подогревателем, укрепленным на подложке держателя. При температуре подложки 200—300° С происходит окончательное удаление молекул воды как с поверхности, так и из приповерхностного слоя подложки. Высокотемпературный вакуумный прогрев эффективен и для удаления газов, адсорбированных в микротрещинах подложки. Обычно вслед за быстрым удалением большого количества физически адсорбированных подложкой газов идет медленное газовыделение хемсорбированных атомов. Для ускорения этого процесса надо повысить температуру, так как при этом физически адсорбированные атомы частично могут перейти в хемсорбированные и их связь с подложкой только упрочнится. Влияние температуры на физическую адсорбцию и хемсорбцию газов на поверхности объясняется следующим образом. Число физически адсорбированных молекул газа уменьшается с увеличением температуры, а процесс хемсорбции, требующий энергии активации, протекает быстрее с увеличением температуры. 443 Дальнейшее повышение температуры приводе к уменьшению числа хемсорбированных атомов, так как вследствие теплового движения их связи с подложкой ослабляются, атомы объединяются в молекулы и испаряются. Методы измерения толщин тонких пленок Метод многолучевой интерферометрии ( м е т о д п о л о с р а в н о й т о л щ и н ы ) . Наиболее универсальным методом измерения толщины тонких пленок, получаемых конденсацией в вакууме, является метод многолучевой интерферометрии. Сущность метода заключается в следующем. Пленка, толщину которой надо измерить, наносится на подложку так, чтобы она образовала ступеньку. Для этого при изготовлении пленки часть подложки закрывается маской, имеющей ровный край. При измерении толщины к пластинке с измеряемым слоем сверху прижимается другая стеклянная плоскопараллельная тонкая пластинка так, чтобы между ними образовался воздушный клин (рис. 12.16) с углом ~ 1'. Слишком сильного давления следует избегать, поскольку оно может вызвать изгиб стекол. Столь малое сближение пластин осуществляется с помощью микрометрических винтов, а момент необходимого сближения пластин определяется появлением интерференционных полос в поле зрения микроинтерферометра. Рис. 12.16. Увеличенное схематическое изображение интерференционных пластин клина 444 Если осветить клин параллельным монохроматическим пучком света, падающим по нормали к поверхности, то при отражении света от такой системы на поверхности клина образуется интерференционная картина в виде чередующихся темных и светлых полос, параллельных ребру клина. Чтобы избежать ошибки в результате скачка фазы, происходящего при отражении на границе раздела двух сред и сдвига фазы за счет различия оптических свойств поверхности пленки и подложки, на внутренние поверхности пластин, образующих клин, необходимо нанести слой серебра или алюминия, причем на верхнюю стеклянную пластину клина путем конденсации в вакууме наносится полупрозрачный слой серебра толщиной около 200 А, а на нижнюю поверхность с пленкой наносится равномерный отражающий слой серебра или алюминия толщиной около 500 А. Имеющаяся ступенька при нанесении дополнительного отражающего слоя на пленку и подложку полностью сохраняется той же величины (рис. 12.17). Толщина воздушного клина, где нанесена пленка, отличается от толщины той части клина, где пленки нет (см. рис. 12.6), как раз на толщину измеряемой пленки, вследствие чего возникают две системы интерференционных полос, расположенных рядом. Расстояние между полосами в каждой системе одинаково, но линии систем отодвинуты относительно друг друга на величину, соответствующую толщине слоя d. Рис. 12.17. Исключение разности скачков фаз посредством напыления дополнительного слоя 445 Измеряя расстояние между двумя соседними полосами l и величину смещения ∆1 двух соседних полос, получающуюся за счет толщины пленки, можно определить толщину пленки d в единицах длины световой волны из соотношения l d (16-9) 2 l где d — толщина пленки; — длина волны монохроматического света; l — расстояние между соседними полосами; ∆l — смещение двух соседних полос различных интерференционных систем. Величины l и ∆l легко определяются с помощью окулярного микрометра. На рис. 12.18 показана блок-схема установки для определения толщины тонких пленок с помощью рассмотренного метода. Этот метод, получивший название многолучевой интерферометрии был разработан Толанским. Поскольку точность определения толщины пленки пропорциональна точности измерения расстояния между полосами, т. е. определяется в основном точностью замера относительно смещения ∆l/l, то точность метода повышается с увеличением резкости интерференционной картины. Толанский подробно изучил причины, влияющие на условия получения резких полос интерференционной картины, и установил, что поверхности клина должны быть покрыты пленкой с большим коэффициентом отражения и малым коэффициентом поглощения; кроме того, пленка должна быть однородна по всей поверхности образца и иметь четко выраженный контур ступеньки; воздушная прослойка между образцом с пленкой и пробным стеклом должна быть как можно меньше (ее величина подбирается опытным путем при настройке прибора); угол отклонения светового пучка от параллельности должен быть меньше 3°; падение света на клин должно быть нормальным. 446 Рис. 12.18. Блок-схема оптической установки для измерения толщины тонких пленок методом полос равной толщины: 1 — монохроматический источник света (например, натриевая лампа); 2 — конденсатор; 3 — диафрагма; 4 — коллиматор; 5 —фильтр; 6 — стеклянная светоделительная пластина с полупрозрачным покрытием; 7 — клин; 8 — полупрозрачная серебряная пленка; 9 — непрозрачная серебряная пленка; 10 — измеряемая пленка; и — микроскоп; 12 — интерференционная картина, наблюдаемая в окуляр микроскопа: смещение полос равной толщины Соблюдение этих условий дает возможность получить в монохроматическом свете очень резкие интерференционные минимумы на светлом фоне. Погрешности, возникающие при измерении толщины пленок методом многолучевой интерферометрии, как показал Хевенс, в основном вызываются неровностями и волнистостью поверхностей, на которых конденсируется пленка, а также пренебрежением дисперсией фазового скачка. К преимуществам рассмотренного метода следует отнести: 1. Метод полос равной толщины позволяет определить толщину любых пленок: металлических, диэлектрических и т. д. — в пределах от 40 до 2 000 Å. 447 2. Точность измерения данного метода составляет' примерно 20-30 Å. 3. Метод отличается простотой процесса измерения и расчета толщины готовых пленок. Недостатки метода: 1. Невозможность контроля толщины пленки в процессе напыления. 2. Необходимость изготовления ступеньки и напыления дополнительного слоя серебра или алюминия. 3. Невозможность использования измеряемой пленки для каких-либо дальнейших исследований. Учитывая последнее обстоятельство, целесообразно одновременно изготавливать два образца измеряемого слоя, располагая их на одинаковом расстоянии от испарителя. Один образец со ступенькой, так называемый «свидетель», предназначается для непосредственного измерения толщины, а другой — для проведения дальнейших исследований. Интерференционный метод полос равн о г о х р о м а т и ч е с к о г о п о р я д к а . Одной из разновидностей интерференционного метода является метод полос равного хроматического порядка, который отличается от предыдущего метода тем, что вместо монохроматического источника света здесь используется источник белого света, а интерференция наблюдается от параллельно расположенных пластин с тонким воздушным зазором. Вся подготовка пластин к измерению производится так же, как и в рассмотренном выше методе: пленка должна иметь ступеньку, а пластины покрываются отражающими слоями серебра или алюминия. Использование источника белого света во много раз увеличивает четкость линий интерференционной картины и разрешающую способность. Схема установки, использующей этот метод для измерения толщин, рассмотрена в литературе. Для получения линий равного хроматического порядка можно использовать и клин, как это было сделано раньше (рис. 12.16). В литературе рассматривается применение универсального монохроматора УМ-2 со специально разработанной для измерения толщин пленок приставкой. 448 Этот метод применим для измерения толщин ≤/2, но, вообще говоря, применяя универсальный монохроматор УМ-2 с приставкой, можно измерять толщину пленок металла, полупроводников, диэлектриков в интервале от 80 до 50 000 Å. Применив другой прибор Иси-67, можно довести нижний предел измерения до 40 Å. Точность метода достигает 5 Å. Ф о т о э л е к т р и ч е с к и й м е т о д . Этот метод можно использовать для контроля толщины металлических, полупроводниковых и диэлектрических поглощающих, прозрачных и полупрозрачных пленок, на прозрачных и полупрозрачных, поглощающих и слабо поглощающих подложках. Для измерения толщин пленок этим методом в случае непрозрачных подложек рядом с такой подложкой ставится стеклянная, на которой и производится измерение. Сущность метода заключается в следующем. Узкий пучок белого света, направленный нормально к поверхности пленки, проходит сквозь нее и попадает на фотоэлемент. С увеличением толщины пленки интенсивность проходящего света уменьшается. Пропорционально уменьшению светового потока уменьшается и фототок в цепи фотоэлемента. На выходе фотоэлемента имеется чувствительный прибор (гальванометр или отсчетное устройство), который регистрирует всякие изменения фототока. Измерив толщины пленок другим способом (например, интерференционным), можно построить график зависимости фототока от толщины пленки для различных материалов или провести градуировку шкалы гальванометра в ангстремах, тогда прибор будет непосредственно показывать толщину пленки. В том случае, когда толщина измеряемой пленки такова, что она поглощает весь падающий на нее свет и фотоэлемент не реагирует, можно воспользоваться следующим примером. В камере, где производится испарение, вместе с подложкой, предназначенной для конденсации пленки, устанавливают вторую подложку — «свидетель» (для получения контрольного слоя), но на другом расстоянии от испарителя (рис. 12.19). 449 Рис. 12.19. Взаимное расположение измеряемой пленки и «свидетеля» в вакуумной камере Причем расстояние от контрольной подложки до источника испарения можно подобрать так, чтобы пленка «свидетеля» была достаточно прозрачной для света и обеспечивала устойчивую работу фотоэлемента. Кроме того, известно, что количество вещества, осажденного на подложку в течение определенного времени, обратно пропорционально квадрату расстояния от подложки до источника испарения, поэтому толщина слоя также обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника испарения. Исходя из этого толщина измеряемого слоя может быть рассчитана из соотношения d 2 r12 (16-20) d1 r22 Однако следует заметить, что зависимость от квадрата расстояния строго справедлива лишь для точечного испарителя, обусловливающего распределение испаряемого вещества по сфере. Помимо этого, при такой оценке толщины предполагается, что плотность осажденного материала не зависит от толщины слоя. Рассмотренный метод позволяет измерять толщину готовых пленок и производить контроль толщины в процессе конденсации непосредственно в вакуумной камере. Схема установки для такого контроля показана на рис. 12.20. 450 Рис. 12.20. Контроль толщины пленки в процессе ее получения Налаживая измерение непосредственно в вакуумной камере, всегда следует помнить, что оптика измерительной установки должна быть хорошо заэкранирована от попадания рассеянных молекул пара конденсата. Для того чтобы не допускать грубых ошибок при измерении толщины тонких металлических пленок этим методом, необходимо учесть следующее: 1. В процессе измерения свет должен падать на пленку перпендикулярно. 2. Условия испарения и конденсации должны поддерживаться неизменными. 3. При смене испаряемого материала и изменении технологического режима градуировку необходимо производить заново. Определение толщины металлических пленок с помощью этого метода ограничено сравнительно малыми величинами, порядка нескольких сотен ангстрем, так как при больших толщинах большинство металлов имеет очень малый коэффициент пропускания в видимом участке спектра, что значительно снижает точность метода. Так, большинство металлических пленок непрозрачно уже при толщине слоя ~ 500—1 000 Å. 451 Описанный метод не дает высокой точности измерения, но отличается простотой и несложностью применяемых для этого приборов. Ф о т о м е т р и ч е с к и й м е т о д . Изменение интенсивности светового потока, проходящего через пленку, лежит в основе другого, так называемого фотометрического метода. В этом методе проходящий через полупрозрачную пленку поток видимого света регистрируется микрофотометром, с помощью которого оценивается зависимость степени почернения пластины от толщины слоя конденсата. По данным эксперимента строят график зависимости почернения от толщины пленки и затем используют его для определения толщины пленок, полученных при тех же технологических условиях. Метод позволяет измерять не только толщину, но и судить о распределении плотности конденсата по поверхности подложки. Преимущества и недостатки метода такие же, как и в рассмотренном фотоэлектрическом методе. Рассмотренная методика определения толщины полупрозрачных пленок по прохождению видимого света принципиально применима для контроля непрозрачных пленок с помощью более жесткого невидимого излучения — рентгеновского и радиоактивного, где источниками излучения являются рентгеновская трубка и радиоактивные изотопы (β- или -излучения, а приемниками, регистрирующими изменение интенсивности при прохождении через пленку, являются счетчик Гейгера-Мюллера или сцинтилляционный счетчик. Использование рентгеновских лучей д л я о п р е д е л е н и я т о л щ и н . Применяя рентгеновские лучи для контроля толщины по изменению интенсивности проходящего пучка лучей, следует учитывать их большую проникающую способность, чем видимого света. В случае тонких пленок изменение интенсивности при прохождении через тонкую пленку будет очень незначительно и его трудно будет обнаружить. По этой причине контроль толщины с помощью проходящего через пленку пучка нормально падающих рентгеновских лучей не применяется для пленок, толщина которых составляет 452 меньше 1% от толщины подложки, и методика измерения несколько изменяется. Источник рентгеновских лучей и счетчик ГейгераМюллера располагают по одну сторону от исследуемой пленки. Рентгеновские лучи от источника попадают на пленку под некоторым углом, проходят через нее, отражаются от подложки и еще раз пронизывают пленку перед попаданием на счетчик. Этим достигается заметное поглощение рентгеновских лучей пленкой. Кроме того, это поглощение можно еще увеличить, если уменьшить угол наклона рентгеновских лучей по отношению к поверхности пленки. Толщина пленки в этом случае определяется из уравнения I 2k (d / sin ) e I0 где I0 — интенсивность лучей, отраженных от непокрытой подложки; I — интенсивность лучей, отраженных от подложки, покрытой пленкой; d — толщина пленки; к — коэффициент поглощения; ρ'— плотность пленки; — угол наклона пучка рентгеновских лучей по отношению к пленке. Диапазон измеряемых этим методом толщин от 1 000 Å до 100 мкм. Р а д и о м е т р и ч е с к и й м е т о д . В этом случае для измерения толщин пленок можно использовать явление мягкого тормозного и характеристического рентгеновского излучения, вызванного радиоактивными изотопами; явление обратного рассеяния β-лучей, так как интенсивность обратного рассеяния радиации является функцией толщины обратно рассеивающего материала; явление активации измеряемой пленки под действием какого-либо вида радиоактивного облучения. В последнем случае толщина пленки определяется из соотношения активностей пленки и контрольного образца известной 453 толщины из того же материала, подвергнутых одинаковому и одновременному облучению, т. е. d пл A (12.21) пл d отр Aотр d пл d отр Aпл Aотр (12.22) где — поправка на самопоглощение наведенной активности. Для радиометрического метода характерным является простота источников излучения, широкий диапазон измеряемых толщин, возможность контроля пленки без ее разрушения. Однако наряду с этим метод имеет ряд ограничений: необходимость иметь радиоактивные изотопы с достаточно большим периодом полураспада и определенной активности; необходимость иметь изотопы, обладающие различными энергиями; из большого числа известных радиоактивных изотопов лишь немногие можно использовать как источники излучения в радиационном методе. Помимо всего, радиационный метод можно применять далеко не во всех случаях, так как для этого существует целый ряд условностей. Механический метод определения т о л щ и н ы п л е н к и . Механический метод основан на измерении вертикального перемещения щупа с алмазным наконечником, который приводится поочередно в соприкосновение с подложкой, а затем с пленкой, нанесенной на эту подложку. По величине перемещения щупа судят о толщине полученной пленки. Вследствие того, что толщина пленки очень мала, величину перемещения щупа измерить довольно трудно, поэтому для усиления разбаланса используются различные приспособления. Так, в толщиномере, предложенном Аббе, вертикальный стержень с алмазным наконечником своей верхней части переходит в стеклянную масштабную линейку, а для отсчета делений на линейке прибор снабжен 50-кратным микроскопом с окулярным микрометром, позволяющим определить сдвиг до 0,1 мк. 454 Наиболее перспективным из механических методов является профилографический (щуповой) метод с использованием приборов профилографов. Профилограф — это щуповой прибор, служащий для записи неровностей поверхности в виде профилограммы и позволяющий измерить высоту этих неровностей, поэтому ею можно использовать для измерения толщины тонких пленок. При измерении толщины этим методом пленка наносится на подложку в виде ступеньки, затем ее помещают на горизонтальный стол прибора, устанавливают на нее алмазный щуп и приводят его в движение. По мере перемещения щупа механические колебания алмазной иглы, повторяющей все неровности поверхности, преобразуются в электрические, которые усиливаются и подаются на самописец с электротермической записью, вычерчивающий профилограмму. По разности уровней профилограмм пленки и подложки, которая возникает вследствие имеющейся ступеньки, определяется толщина пленки. Широкое применение этого метода в технике измерения толщин тонких пленок долгое время сдерживалось тем, что профилографы высокой чувствительности представляли собой весьма сложный, дорогой и громоздкий прибор, например профилограф-профилометр завода «Калибр» — ВЗИ. С появлением более компактного высокоточного профилографа-профилометра блочной конструкции модели 201 завода «Калибр» этот метод заслуживает должного внимания, ибо на этом приборе достигается вертикальное увеличение смещения в 2 105 раз, что дает возможность измерять пленки очень малой толщины. Вообще говоря, профилографический метод позволяет измерять толщины пленок от нескольких десятков ангстрем до десятков и даже сотен микрон. К преимуществу механического метода следует отнести возможность измерения толщин металлических, диэлектрических и полупроводниковых пленок. Однако, пользуясь этим методом, следует помнить, что существенным недостатком его является неизбежное давление щупа на поверхность измеряемого слоя, вследствие чего щуп может частично углубиться в слой, а это приведет к значительной ошибке в измерении. 455 По этой причине метод становится совершенно непригодным для мягких материалов, у которых даже небольшое давление щупа вызывает значительную деформацию поверхности. Определение толщины пленок методом в з в е ш и в а н и я . Одним из наиболее простых методов определения толщин слоя тонких пленок является весовой метод, описанный в литературе. Сущность метода заключается в определении массы конденсируемой пленки путем взвешивания подложки, на которую наносится слой до и после эксперимента, и расчете толщины пленки по формуле m , (12.23) d S где m — масса пленки; ρ — плотность вещества пленки; S — площадь пленки; d — толщина пленки. Выражение (12.23) предполагает равномерное распределение конденсата по поверхности подложки и равенство плотности полученной пленки и исходного материала. Однако формула (12.23) может быть использована лишь с известным приближением, потому что, во-первых, реальная площадь, занимаемая пленкой, как правило, не соответствует видимой площади (в большинстве случаев реальная площадь оказывается больше измеряемой площади). Во-вторых, плотность очень тонких пленок при определенных условиях получения оказывается значительно меньше плотности исходных материалов, из которых они напыляются, вследствие зернистой или пористой структуры, а надежных способов непосредственного определения истинной плотности полученных пленок в настоящее время не существует. Как показывают электронографические исследования, пленки, полученные с большой скоростью конденсации испаряемого вещества (100 Å /сек), начиная с толщины 150 Å, не имеют зернистой структуры, а их плотность почти такая же, как у исходного материала. Поэтому рассмотренный метод в этом случае может 456 быть с успехом использован. Пленки, полученные при малых скоростях конденсации (~1—10 Å /мин), имеют зернистую структуру до толщины 400—500 Å, и, следовательно, описываемый метод в этом случае дает приближенные результаты. Точность метода значительно повышается, если воспользоваться высокочувствительными микровесами, расположенными в вакуумной камере, где происходит испарение. Это позволяет избежать искажения результата, вносимого за счет адсорбции пленкой газов и паров после соприкосновения ее с атмосферой. Сконструированные в настоящее время крутильные микровесы с точностью 10-8 г позволяют определить вес моноатомной пленки на площади в 1 см2. Кварцевые микровесы для экспериментальных исследований тонких пленок описаны в литературе, а устройство и работа усовершенствованных кварцевых крутильных микровесов для работы в сверхвысоком вакууме (10-9 мм рт. ст.) также подробно рассматриваются в литературе. Метод кварцевого вибратора (радиоч а с т о т н ы й м е т о д ) . Метод кварцевого вибратора подробно рассмотрен в литературе. Сущность метода заключается в следующем. При конденсации вещества на кварц, включенный в схему генератора, его масса изменяется, что приводит к изменению собственной частоты колебаний кварца. Кроме того, установлено, что изменение собственной резонансной частоты кварца пропорционально изменению массы: f m (12.24) f m где f — собственная частота колебаний кварцевого резонатора; т — масса кварца; f — изменение (уход) резонансной частоты; m — масса пленки. Воспользовавшись формулой (12.23), после несложных преобразований выражений (12.23) и (12.24) получим соотношение 457 m 1 (12.25) f fS Величины т, f, s можно считать постоянными. Что касается ρ', то лишь для области очень малых толщин оно будет отклонено от линейной зависимости. Обоснование этого вывода для металлических пленок, например, подтверждено практически. В приборах, основанных на этом методе, контроль толщины пленки в процессе ее напыления производится по уходу собственной частоты колебаний кварца или по расстройке частоты двух генераторов, стабилизированных кварцем. Если прибор состоит из двух кварцевых генераторов, то перед началом напыления пленки генераторы настраиваются на одинаковую частоту. В камеру, где производится напыление, рядом с образцом помещается кварцевая пластинка одного из генераторов (рис. 12.21). По мере конденсации пленки частота кварца, находящегося в камере, будет изменяться, в то время как частота второго генератора остается неизменной. Сигналы с обоих генераторов попадают на смеситель. Выделяемая разностная частота f на выходе усиливается и измеряется частотомером, шкала которого может быть отградуирована в ангстремах. Для измерения очень тонких пленок необходим прибор с большой чувствительностью и высокой рабочей частотой. Если требуется производить измерение пленок в широком диапазоне толщин, то выбирают кварц с относительно низкой рабочей частотой. Используемая радиотехническая аппаратура дает возможность на рабочей частоте около 20 гц получить чувствительность при измерении толщины металлических пленок 10-9 г/см2. Кварцевый измеритель толщины пленок КИТ-1 позволяет измерять толщину тонких металлических, диэлектрических и полупроводниковых пленок непосредственно в вакуумной камере в процессе конденсации. Диапазон измеряемых толщин пленок от 100 до 50 000 Å. Точность измерения ±10% (в диапазоне 1 000-50 000 Å). d 458 Рис. 12.21. Контролируемая пленка и кварцевый датчик в вакуумной камере: 1 — источник напыления; 2 — маска подложки; 3 — подложка с напыляемой пленкой; 4 — корпус датчика; 5 — кварцевая пластина; 6 — ввод в камеру; 7 — фланец камеры Не меняя кварца, можно производить измерения 6—8 сеансов конденсации. Для повторного использования кварца напыленное вещество легко удаляется растворением в кислоте либо путем обработки тонким абразивным порошком. В процессе конденсации пленки кварцевая пластина нагревается. Этот нагрев может привести к паразитному уходу частоты кварца и внести погрешность в измерение. Поэтому с целью термостатирования кварцевого датчика его держатель во время работы охлаждается проточной водой. Кроме того, при подборе кварца для измерения толщины следует обращать внимание на температурный коэффициент частоты, который зависит от типа среза кварцевой пластины и ее геометрических размеров. Лучшим в этом отношении считается АТ-срез — кристалл кварца, срезанный под углом 35°10' к оси Z, обладающий минимальным и мало меняющимся температурным коэффициентом. Одним из существенных недостатков метода является необходимость предварительной градуировки прибора 459 каждый раз при смене напыляемого вещества или изменении режима напыления. Тем не менее этот метод имеет очевидные преимущества: 1. Возможность контроля толщины слоя в процессе его напыления. 2. Значительный диапазон измеряемых толщин от 100 до 50 000 Å. 3. Отпадает необходимость изготовления образцов — «свидетелей» при измерении толщины. 4. Универсальность метода — применяемость для различных материалов. 5. Высокая чувствительность, доходящая до 3—5 Å. Электромагнитный метод (метод вихр е в ы х т о к о в ) . Метод вихревых токов может быть применен для измерения толщины металлических покрытий на диэлектрических, а также металлических подложках, если существует разница в электрических и магнитных свойствах материала пленки и подложки, причем чем больше разница в электрических и магнитных свойствах пленки и материала подложки, тем легче и точнее можно произвести измерение. Сущность метода заключается в следующем. При прохождении по катушке переменного тока вокруг катушки возникает переменное магнитное поле. Если в это поле поместить металлическое изделие, то в последнем индуктируется электродвижущая сила и появляются так называемые вихревые токи. Следует заметить, что для этих целей лучше использовать ток высокой частоты. Согласно правилу Ленца вихревыми токами создается магнитный поток, направленный в противоположную сторону основному магнитному потоку. Поэтому магнитное поле вихревых токов снижает импеданс катушки-датчика, что в свою очередь вызывает изменение тока в катушке. Точнее, если учесть, что вихревые токи — это переменные токи высокой частоты, при которых возникает явление поверхностного эффекта — скин-эффекта, что изменения, вносимые вихревыми токами, позволяют судить о свойствах поверхностных слоев. Так, по изменению тока в катушке можно судить о толщине слоя металла на непроводящей подложке, а то 460 обстоятельство, что ток в катушке зависит от расстояния между металлической поверхностью и катушкой, позволяет изменить метод для контроля толщины лакокрасочных и других неэлектропроводящих покрытий. Далее, принимая во внимание проникновение электромагнитного поля в глубь проводника, следует учесть, что электромагнитное поле и возбужденные им вихревые токи затухают с проникновением в глубь изделия, а амплитуды электрического и магнитного полей имеют наибольшее значение у поверхности тел из проводящего материала. Глубину проникновения вихревых токов можно определить по формуле H k (12.26) f где Н — глубина проникновения тока; к — постоянный коэффициент; ρ — удельное сопротивление материала изделия; μ— магнитная проницаемость; f — частота тока. Как видно из формулы (12.26), с увеличением частоты тока уменьшается глубина проникновения вихревых токов. Поэтому рабочая частота генератора при измерении толщины покрытия выбирается в зависимости от наибольшей толщины покрытия с учетом электропроводности и магнитной проницаемости изделия. Иначе метод вихревых токов называют электроиндуктивным методом, так как рассмотренные явления возникновения вихревых токов аналогичны явлениям в индуктивно связанных контурах с той лишь разницей, что вместо вторичной катушки к первичной катушке-датчику подносится деталь с контролируемым металлическим слоем на поверхности, который можно рассматривать как вторичную катушку. Описанный выше принцип лежит в основе устройства прибора ТПО-8, разработанного в Ленинградском институте точной механики и оптики (ЛИТМО). Прибор контроля толщины гальванических и лакокрасочных покрытий. Диапазон измерения металлических покрытий на ферромагнитной основе от 0 до 30 мкм. Погрешность измерения при контроле пленок толщиной до 15 мкм не более 5%, а выше 15 461 мкм — не более 8%. На рис. 12.22 изображена схема измерения толщины покрытия методом вихревых токов. Рис. 12.22. Схема измерения толщины покрытия методом вихревых токов: Д — катушка датчика, на которую подается напряжение высокой часто ты; С — емкость, служащая для настройки катушки в резонанс с по даваемым напряжением; и — индикатор тока; d — толщина измеряемой пленки Измерение толщины покрытия производится следующим образом. Переменное напряжение высокой частоты подается на вход измерительной схемы (рис. 12.23). Рис. 12.23. Принцип работы прибора ТПО-8 Ток проходит через диоды П1 и П2, которые включены навстречу друг другу. Каждый диод пропускает только один полупериод тока. Последовательно с диодом П1 включена катушка Д, которая настроена на частоту генерируемого тока и является 462 выносным датчиком. Для измерения толщины покрытия катушку сначала помещают на деталь без покрытия и стрелку индикатора устанавливают на нуль. Нулевое значение тока на индикаторе И устанавливается переменным сопротивлением R. Затем датчик помещают на деталь с покрытием и по отклонению стрелки индикатора определяют относительную величину толщины покрытия. При определении толщины однотипных пленок строят соответствующую градуированную кривую (рис. 12.24), пользуясь эталонными образцами, толщина которых измерена другим способом. Рис. 12.24. Градуированная кривая для медных покрытий на ферромагнитных деталях Чем больше калибровочных образцов используется для построения градуированной кривой, тем точнее градуированная кривая зависимости показания индикатора от толщины контролируемого слоя. Используя метод вихревых токов, следует учитывать, что величина вихревых токов в металле зависит от многих факторов и в первую очередь от таких, как: 1) электропроводность и магнитная проницаемость металлов; 2) размеры и формы испытываемого изделия; 3) расстояние (зазор) между катушкой и материалом. В свою очередь электропроводность и магнитная проницаемость зависят от химического состава металла, его структурно463 го состояния и т. д. Серьезным фактором являются нарушений сплошности, которые служат препятствием для вихревых токов. Принимая во внимание вышеприведенные обстоятельства, следует заметить, что хотя по техническим характеристикам прибора ТПО-8 нижний предел измеряемых толщин указан от нуля, остается неясной возможность точного измерения малых толщин пленок, порядка десятков, а также и сотен ангстрем, описанным методом. Правда, следует отметить, что в литературе появились сведения о приборах, основанных на принципе вихревых токов, позволяющих измерять толщину металлических покрытий на изоляционных материалах и толщину покрытий из хорошо проводящих металлов на металлах с худшей проводимостью в диапазоне от 300 до 6 000 Å. Однако на сегодняшний день этот метод в основном применяется для определения больших толщин защитных покрытий, причем его можно считать наиболее перспективным и надежным экспресс -методом в производственных условиях при измерении толщин, начиная примерно от 1 000 Å до нескольких микрон. Анализ свойств и выбор материалов для подложек при изготовлении микросхем Кроме технологических параметров процесса напыления, таких, как: абсолютное давление и состав остаточных газов в камере, состав испаряемого материала, скорость и время осаждения, температура испарителя, термостабилизация, особо следует выделить параметры, непосредственно относящиеся к подложке: 1. Материал подложки. 2 Степень очистки поверхности. 3. Микрорельеф рабочей поверхности подложки. 4. Совместимость свойств материала подложки и напыляемого вещества. 5. Температура подложки во время осаждения. В качестве подложки для микросхем могут быть использованы такие материалы, как: стекла, кварц, ситаллы, фотоситаллы, керамические материалы, в том числе глазурованные, керме464 ты, монокристаллы, слюды, органические материалы, органические пленки, металлы, покрытые изоляционной пленкой, и др. Высокий класс чистоты обработки поверхности необходим, во-первых, для обеспечения однородности и воспроизводимости параметров пленки, во-вторых, для получения прочной пленки, что особенно трудно при толщинах в сотни ангстрем. Очевидно, что высота микронеровностей поверхности подложки должна быть меньше толщины наносимой пленки. Электропроводность материалов подложки должна быть низкой для уменьшения потерь в тонкопленочных схемах. Электропроводность стекла и керамических материалов в сильной мере зависит от содержания щелочей, что в свою очередь определяет коррозиоустойчивость подложки. Удельная электропроводность подложки, слагаемая из объемной и поверхностной составляющих, определяется прежде всего второй составляющей. Поверхностная проводимость особенно сильно заметна в условиях влажной среды. Считается, что в материалах с содержанием натрия более 4% наблюдается заметная миграция ионов натрия к поверхности. Образуя с адсорбированной влагой электролит, ионы приобретают способность легко перемещаться под воздействием электрического поля, вследствие чего возрастает поверхностная удельная проводимость, и создаются благоприятные условия для коррозии осажденных на подложку пленок. Теплопроводность через подложку является основным способом рассеяния тепла и снижения температуры резистивной пленки. Поэтому хорошая теплопроводность подложки необходима для рассеяния большой мощности. Так, например, кварц, стекло, ситаллы при высокой чистоте поверхности (микронеровности 10—100 Å) обладают низкой теплопроводностью. Керамика, напротив, обладая высокой теплопроводностью, имеет микронеровности величиной до 5 10+3—5 10+4 Å. Этот недостаток отсутствует у глазурованной керамики (высота микронеровностей до 300 Å). 465 Подложки из органических. материалов имеют низкую теплопроводность, малую твердость, низкую термостойкость. Они применяются при изготовлении тонкопленочных переменных подстроечных резисторов. Металлические подложки, обладая, хорошей теплопроводностью, позволяют повысить уровень рассеиваемой мощности, однако они требуют предварительной изоляции рабочей поверхности. В качестве материала для подложек может быть применен сапфир, так как он обладает большой твердостью, теплостойкостью, сравнительно высокой теплопроводностью (80 10-3 кал/см сек град), хорошо полируется. При изготовлении тонкопленочных радиоэлектронных микросхем и компонентов в качестве подложек используются жесткие изоляционные материалы. Выше были сформулированы основные требования к подложкам. Однако подложку характеризует еще целый ряд свойств, наиболее важными из которых являются: характер поверхности, химический состав, стабильность, твердость, теплопроводность, электропроводность. Менее существенны такие свойства, как максимально допустимая рабочая температура, пористость и способность к формовке. Существенное значение имеет коэффициент термического расширения материала подложки, который должен согласовываться с КТР наносимого резистивного материала. Химические свойства подложек должны обеспечивать возможность проведения процессов очистки, травления и надежную работу приборов в неблагоприятных климатических условиях. Также необходимо, чтобы воздействие температурных и электрических градиентов не вызывало в подложке ионный ток. В качестве материала подложек при изготовлении тонкопленочных элементов и схем чаще всего используются стекла. Следует воздерживаться от применения в качестве материала подложки щелочных стекол, так как щелочные стекла обладают высокой ионной проводимостью. Ионы натрия, мигрируя по поверхности подложки, реагируют с материалом тонкой 466 пленки, что приводит к ухудшению параметров и старению приборов. Повышение температуры усиливает процесс миграции. Подавление ионной проводимости возможно в силикатных и боратных стеклах с добавкой ионов кальция и бария. Лучшими из стекол для подложек являются бесщелочные алюмосиликатные и боросиликатные сорта. В условиях повышенной температуры предпочтительнее использовать кварц или кварцевые стекла, например пирекс и викор. Эти стекла являются одними из немногих типов стекол, на которые не влияют пары воды (влажность). Остальные же стекла, даже частично боросиликатные, расстекловываются. В контакте с водой на их поверхности образуются кристаллы металлических силикатов. Для изготовления гибридных микросхем применяются стекла С-48-3 и С-41-1. Основными недостатками стеклянных подложек являются их низкая теплопроводность и сложность их механической обработки. Применение в микроэлектронике находят новые твердые изоляционные материалы — ситаллы и фотоситаллы. Ситалл — это кристаллическое стекло, в процессе получения которого добавляется одно или несколько специальных веществ, способных образовывать зародыши кристаллизации. Микрокристаллы образуются в процессе термообработки при высокой температуре, например при Т = 980° С. Подбирая температуру обработки и химический состав, можно получать стеклокристаллические материалы с большим разнообразием свойств. Ситаллы, как и стекла, обладают рядом положительных качеств: они непористы, газонепроницаемы, обладают нулевым влагопоглощением (не увеличивают веса после длительного хранения в воде). Кислотоустойчивость большинства ситаллов примерно такая же, как у боросиликатного стекла, а устойчивость к действию щелочей более высокая. Теплопроводность ситаллов в среднем несколько выше теплопроводности стекол, а отдельные ситаллы, различные мар467 ки пирокерамов имеют теплопроводность в 3—4 раза выше, чем у боросиликатного стекла. Значение теплопроводности зависит от химического состава ситаллов. Следует отметить, что теплопроводность ситаллов слабо меняется с изменением температуры, в то время как теплопроводность стекол с повышением температуры увеличивается, а у непористой керамики — уменьшается. Коэффициент термического расширения ситаллов можно варьировать в более широких пределах, чем у стекол и керамики. Коэффициент термического расширения различных марок ситаллов может меняться от отрицательной величины до +120 10-7град-1. Температура размягчения ситаллов находится в пределах 1 000—1 350° С, а термостойкость сравнима с термостойкостью кварца. Например, пластины пирокерама не разрушаются при резком охлаждении от +900° С погружением в воду с температурой +5° С. Ситаллы являются электроизоляторами и по своим электроизоляционным свойствам сравнимы с лучшими керамическими диэлектриками, а электрическая прочность их сравнима с электрической прочностью стекол. Заслуживают внимания хорошие механические свойства ситаллов при их относительно невысокой плотности — 2,40— 2,72 кг/сж3. Ситаллы в несколько раз (в 2—3 раза) прочнее стекла, прочнее большинства керамических материалов и некоторых металлов. Их прочность на изгиб может достигать 2500— 5 600 кг/см2, т. е. превышает прочность нержавеющей стали и титана. Плотная микрокристаллическая структура ситаллов обеспечивает им твердость при вдавливании, приближающуюся к твердости закаленных сталей и превышающую твердость чугуна, плавленого кварца и стекла. Значение микротвердости сравнимо с микротвердостыо закаленной инструментальной стали. Благодаря высокой твердости ситаллы отличаются большой износоустойчивостью. В отличие от большинства высокопрочных тугоплавких кристаллических материалов ситалл обладает хорошей текучестью при формовании. Его можно прессовать, вытягивать, выду468 вать, прокатывать и отливать центробежным способом. Поверхность ситалла может быть обработана до 14-го класса чистоты. Стоимость ситалла невысока, как правило, стоимость изделий из ситалла значительно ниже подобных керамических изделий. Фотоситалл - это стеклокристаллический материал, полу чаемый путем кристаллизации светочувствительного стекла. Фотоситалл представляет особый интерес в случае, когда подложке требуется придать сложную геометрическую форму. При нагревании рисунок проявляется, а затем травлением получают желаемую конфигурацию. Фотоситалл обладает всеми преимуществами стеклокристаллических материалов, однако наличие в его составе щелочей делает его пригодным для применения в качестве подложек микросхем. Общим недостатком стеклокристаллических материалов является их сравнительно невысокая теплопроводность. При изготовлении подложек находят применение всевозможные виды керамических материалов, которые выгодно отличаются от стекол и ситаллов по теплопроводности. Керамический материал является сложной системой и содержит в себе в большинстве случаев кристаллическую, стекловидную и газовую фазы. Свойства керамики предопределяются характеристиками кристаллической фазы (диэлектрическая проницаемость, коэффициент линейного расширения, механическая прочность и т. д.). Зависимость электрических свойств керамики от ее структуры и химического состава устанавливается прежде всего на основании значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь. Удельное объемное сопротивление при повышенных температурах достаточно определенно характеризует качество керамики, а значение электрической прочности характеризует качество керамики с точки зрения ее микроскопических дефектов (степень плотности черепка, отсутствие в нем закрытых пор). Механическую прочность керамики определяют не только химический и минералогический состав материала, но и его 469 структура. Наибольшей механической прочностью обладает керамика с плотной мелкозернистой структурой, в которой преобладает кристаллическая фаза. Общим недостатком керамических материалов являются большая шероховатость поверхности (микронеровности 5 103— 2 104 Å) и пористость. Для уменьшения шероховатости поверхности применяют глазурование керамических материалов тонким слоем бесщелочного стекла. Поверхность глазурованных материалов может быть получена 14-го класса чистоты, микронеровности их могут быть менее 300 Å. Слой глазури имеет толщину порядка 75—100 мкм и поэтому при малых уровнях рассеиваемой мощности не представляет теплового барьера для переноса тепла от резистивной пленки к подложке с высокой теплопроводностью. Однако при больших уровнях рассеиваемой мощности и для керамических материалов, обладающих очень высокой теплопроводностью (например, бериллиевая керамика), влияние глазури становится более заметным. В микроэлектронике используют глазурованные керамические материалы на основе алунда и окиси бериллия. Так, подложки из высокоглиноземистого материала марки 22ХС, глазурованного боросиликатным стеклом, применяются при изготовлении тонкопленочных микросхем. Они удовлетворяют основным эксплуатационным требованиям, предъявляемым к приборам. Недостатком глазурованных керамических материалов является сравнительно большая волнистость поверхности, а также необходимость вводить в стекло PbO и К20, что может отрицательно сказаться на свойствах тонкой пленки. Необходимый после глазурования обжиг тонких пластин толщиной 0,2—0,4 мм, размером 12x12 мм приводит к короблению и необходимости в связи с этим механической обработки, что невыгодно. Имеются данные, указывающие на перспективность использования в качестве материала подложек керметов. Этот материал представляет интерес исходя из двух основных соображений: 470 а) поскольку кермет представляет собой керамический мате риал с распределенными в нем частицами металлического порошка, теплопроводность кермета может регулироваться в зависимости от количества вводимого металла в более или менее широких пределах; б) за счет наличия в материале металлических частиц упрощаются вопросы металлизации. Основанием для тонкопленочных резисторов может служить также кварц, который по своим свойствам близок к кварцевым стеклам, но более дорог. Хорошие прочностные свойства кварца позволяют изготовить подложки более тонкие, чем из стекла. Поверхность плавленого кварца может быть получена с плотностью 0,02 мкм/см и рельефом 10 Å. Некоторые его свойства даны ниже: Плотность, г/см3 ........................................................ 2,32 Температура размягчения, °С .................................. 1 500 Коэффициент термического расширения, 1град ... 5 Теплопроводность, кал/см сек град: при 25° С . 0,0035 при 300° С .......................................................... 0,0042 Диэлектрическая постоянная ................................... 3,8—4,5 Удельное сопротивление, ом см................... 1016 Химическая стойкость..................................... отличная В качестве подложек могут быть использованы органические и полимерные изоляционные материалы, как-то: текстолит, гетинакс, стеклотекстолит, пластмассы, смолы и т. д. Технология получения тонких пленок при изготовлении микросхем. Одними из основных направлений микроминиатюризации являются разработка и усовершенствование методов изготовления тонкопленочных схем, В этой области много нерешенных проблем. Например, необходимо найти способ осаждения металлов на заданную площадь основания при различной толщине слоя. В технологическом процессе изготовления тонкопленочных резисторов и конденсаторов различных номинальных значений необходимо уменьшить число производственных операций. Наиболее трудноразрешимой является про471 блема изготовления микроминиатюрных индуктивностей (больших номиналов) и трансформаторов. Необходимо наряду с радикально новыми формами катушек разработать соответствующие магнитные пленки и методы их массового производства. Часто элементы, используемые для соединения узлов (штепсельные разъемы, лепестки и т. д.), занимают больший объем, чем сами узлы. В связи с этим разработаны методы соединения узлов с использованием печатного монтажа, осуществляемого вакуумным испарением. Унификация формы и размеров микроминиатюрных плат позволяет создавать автоматическое оборудование для их изготовления. Автоматизировать производство тонкопленочных схем чрезвычайно важно с экономической точки зрения, так как высокая стоимость ручного изготовления микроминиатюрных узлов до сих пор препятствует широкому их внедрению в промышленности. При разработке технологических процессов изготовления микроминиатюрной радиоэлектронной аппаратуры необходимо учитывать возможность их применения в условиях массового производства. Ни один технологический метод нельзя считать ценным, если он неэкономичен и не может быть применен в массовом производстве. Р е з и с т о р ы . Пленочные микрорезисторы изготовляют путем осаждения в вакууме пленки из резистивного материала на твердое основание. Выводы, необходимые для хорошего электрического и механического контакта с резистивной пленкой, наносят вакуумным или химическим методами. Резистивный элемент защищают пленкой диэлектрика, наносимой также вакуумным осаждением, и слоем синтетической смолы. На первых этапах освоения технологии микрорезисторов, получаемых вакуумным осаждением, считалось, что защитные пленки из фтористого магния или окиси кремния существенно улучшают электрические характеристики. Однако сама окись кремния из-за пористости не обеспечивает полной защиты пленки от воздействия атмосферных водяных паров. Поэтому в настоящее время пленки защищают от влаги, нанося на них слой лака или смолы. Использование фтористого магния может привести к разруше472 нию резистивной пленки, если она осаждается при температуре более 300° С. Для предотвращения химических реакций между резистивной пленкой и активной смолой покрытия полезно наносить промежуточный слой одноокиси кремния. Заливка всего резистора обеспечивает надежную защиту пленки от механических и атмосферных воздействий. Выбор материала резистора определяется требуемой величиной сопротивления. Используют материалы с высоким удельным сопротивлением и низким ТКС. Удовлетворительные резистивные пленки получают из хромоникелевого сплава (Ni 80%; Сг 20%); при более высоком сопротивлении пленка получается слишком тонкой и резко снижается ее стабильность. Для пленок с более высоким удельным сопротивлением удовлетворительные электрические характеристики дают чистый хром или хромоникелевые сплавы. Конструкция металлопленочного резистора показана на рис. 12.25. Наиболее удовлетворительные свойства пленки получают при осаждении сплава с одновременным его окислением. Установлено, что при повышении температуры подложек до 300° С и разрежении 510-4 мм рт. cm. пленки из хромового сплава довольно хорошо окисляются в широком диапазоне скоростей осаждения. Осадок, вероятно, приобретает свойства полупроводника с малым температурным коэффициентом сопротивления и имеет высокую стабильность, так как дефекты структуры отсутствуют из-за высокой подвижности атомов металла при высокой температуре. Величину разрежения в вакуумной камере регулируют. Рис. 12.25. Конструкция металлического пленочного резистора: 1 — выводы; 2 — основание; 3 — защитное покрытие; 4 — резистивная пленка 473 Хромоникелевые резистивные пленки можно также получать посредством сублимации (возгонки) сплава. Для этого через спираль из хромоникелевого сплава пропускают ток большой силы, пока спираль не нагреется до температуры сублимации. При этом методе скорость испарения невелика. Количество испаряющегося металла можно определить с высокой точностью, взвешивая спираль до и после испарения. Особенно точно нужно подобрать рабочую температуру спирали во избежание ее расплавления, так как даже обычные колебания напряжения в сети могут вызвать плавление спирали или прекращение испарения. При использовании метода сублимации хром испаряется интенсивнее никеля, и получаемая пленка содержит несколько больше хрома, чем исходный материал. Испарители, где происходит предварительное плавление испаряемого материала, позволяют получать пленки с меньшим разделением компонентов. Разработана конструкция испарителя для непрерывного испарения резистивного материала (например, хромоникелевых сплавов), в виде проволоки. Рис. 12.26. Схема испарителя, нагреваемого электронным лучом: 1 — низкое напряжение; 2 — направляющая трубка с водяным охлаждением; 3 — механизм подачи проволоки; 4 — вольфрамовая нить; 5 — капля испаряемого материала; 6 — стойка; 7 — подставка; 8 — высокое напряжение (3 кв). 474 Резистивный материал нагревается в результате бомбардировки электронами, испускаемыми нагретой вольфрамовой спиралью (рис. 12.26). Эта спираль представляет собой петлю проволоки из чистого вольфрама диаметром 0,75 мм, прикрепленную к двум медным стержням диаметром 6,5 мм. Она нагревается током около 50 а. Спираль имеет отрицательный потенциал 3 кв по отношению к заземленной капле испаряемого хромоникелевого сплава. Для фокусировки пучка электронов используют сетку, потенциал которой равен потенциалу спирали (или ниже). Резистивный материал помещают в ванночке, изготовленной из тугоплавкого материала — окиси алюминия и молибдена и установленной на подставке из нержавеющей стали. В верхней части ванночки имеется углубление, где находится капля хромоникелевого сплава. По мере испарения материала капля расплава пополняется благодаря непрерывной подаче, хромоникелевой проволоки, которая плавится пучком электронов. Проволока подается через направляющую трубку; во избежание преждевременного плавления проволоки эта трубка охлаждается проточной водой. Толщину осажденной пленки определяют следующим образом. В каждой партии на одно из оснований накладывают маску в виде тонкой стальной полоски для получения резкого перехода (уступа) от стекла к пленке. После осаждения хромоникелевой пленки маску удаляют и толщину пленки определяют с помощью интерферометра. К о н д е н с а т о р ы . Пленочные конденсаторы можно изготовлять посредством, вакуумного осаждения двумя способами: осаждением на металлическое основание слоя диэлектрика и затем слоя проводника либо осаждением на основание из диэлектрика чередующихся слоев металла и диэлектрика. Конденсаторы микросхем обычно изготовляют вторым способом, т. е. осаждением на основание из стекла или керамики диэлектрических и проводящих пленок. Иногда в качестве одной из обкладок используют проводник микросхемы. Диэлектрическая пленка должна обладать следующими свойствами: 475 а) стабильностью физических и электрических параметров в диапазоне рабочих температур изготовляемого конденсатора; б) высокими электрической прочностью и диэлектрической проницаемостью; в) малым углом диэлектрических потерь; г) равномерностью толщины, однородностью структуры и отсутствием пор в осажденной пленке. Указанным требованиям удовлетворяют пленки двуокиси кремния, наносимые медленным испарением одноокиси кремния. Качество пленки из сульфида цинка быстро ухудшается в присутствии водяных паров; фтористый магний рекристаллизуется при температурах, близких к температуре отжига, необходимого для снятия внутренних напряжений. Полученные на этих материалах удовлетворительные результаты не устойчивы. Конденсаторы с диэлектрической пленкой из окиси кремния во избежание медленного поглощения атмосферных водяных паров и соответственного ухудшения диэлектрических свойств защищают синтетическими смолами эпоксидной группы. Рис. 12.27. Схема пленочного конденсатора: 1 — ослабленная точка; 2 — затененный край Для изготовления обкладок конденсаторов методом вакуумного осаждения используют золото, хром и алюминий. Наилучшим из них является хром, так как он обладает хорошей 476 адгезией к стеклу, но, чтобы обеспечить достаточно высокую проводимость, пленка должна иметь толщину около 500 Å. На рис. 12.27,а приведена схема конденсатора с пленками из алюминия и окиси кремния, нанесенными осаждением в вакууме на основание из стекла. Из-за острого уступа на проводящей пленке — первой обкладке — на пленке диэлектрика образуются электрические слабые участки. На рис. 12.27, б показано, как устраняют этот недостаток: для получения скоса на краю обкладки маску располагают не вплотную к основанию, а на некотором расстоянии ( 1 мм) от него. Толстые пленки окиси кремния (более 1 000 Å ) имеют тенденцию к отслаиванию при извлечении из вакуумной камеры. Чтобы избежать этого, производят отжиг при температуре около 250° С, нагревая основание с помощью терморадиационного нагревателя перед началом процесса осаждения и поддерживая указанную температуру в течение всего процесса. Одноокись кремния (выпускается в виде порошка или в кусках) можно испарять в лодочке открытого типа из молибдена или в закрытом тигле с решетчатой крышкой, которая препятствует выплескиванию расплавленного материала. Лодочки стандартных размеров изготовляют из фольги толщиной 0,05 и шириной 12,7 мм. Эти же лодочки можно использовать для испарения золота; алюминий лучше испарять с вольфрамовой трехжильной спирали (диаметр 0,5 мм), а хром — из корзинки, изготовленной из такой же трехжильной вольфрамовой проволоки. Для этих трех видов испарителей необходим ток 40—60 а напряжением 12 в. Испарение одноокиси кремния производят при разрежении -4 1 10 мм рт. ст., так как при меньшем разрежении осаждения пленка получается рыхлой, имеет пористую структуру и плохую адгезию к стеклу. При большой скорости осаждения в пленках возникают поперечные внутренние напряжения, а при слабой адгезии к основанию наблюдается наращивание пленок. Растягивающие и сжимающие напряжения снимают отжигом, для чего в вакуумной камере должен быть установлен радиационный нагреватель. 477 Многослойные пленки во избежание термического удара, который может вызвать отслаивание, рекомендуется охлаждать до температуры 100° С перед впуском воздуха и извлечением из вакуумной камеры. Для получения наилучших диэлектрических характеристик пленок окиси кремния скорость осаждения не должна превышать 5 Å /сек. Порошкообразные одноокись кремния и фтористый магний перед применением следует прокаливать на воздухе, чтобы удалить влагу. Это уменьшает разбрызгивание материала при испарении. Контролировать толщину обкладок или диэлектриков в процессе их нанесения нет необходимости, так как испарение строго определенного материала (по весу) дает отличные результаты. Скорость осаждения регулируют изменением величины тока, протекающего через нагреватель испарительного устройства. Особенно важно точно контролировать скорость осаждения при нанесении одноокиси кремния. Поэтому для получения требуемой скорости осаждения величины тока в нагревателе следует предварительно подобрать опытным путем. Диэлектрическую пленку можно контролировать оптическим методом: измеряя с помощью фотометра отражение поверхностью пленки монохроматического света. Точного измерения толщины этот метод не обеспечивает, но является простым средством определения минимальной и максимальной отражательной способности, которая дискретно изменяется при каждом увеличении толщины пленки на одну четвертую часть длины световой волны. Стандартные вакуумные камеры выпускаются со встроенными фотометрами для контроля толщины пленок окиси кремния указанным методом. Выводные соединительные контакты изготовляют осаждением толстой пленки хромоникелевого сплава с последующим нанесением слоя меди, к которому можно припаивать мягким припоем проволочные выводы. 478 Конструкция приспособлений определяется формой оснований. Для плоских стеклянных оснований можно использовать неподвижное приспособление со специальными масками для нанесения каждого типа пленки. В камере можно поместить все три маски и устанавливать их в рабочую позицию с помощью механизма, управляемого извне, но это ведет к уменьшению полезной рабочей площади. При отсутствии такого механизма вполне допустима смена масок вручную с нарушением герметизации камеры. Технологический процесс изготовления тонкопленочного конденсатора состоит из следующих операций: а) осаждения концевых контактов — выводов из хрома; среднюю часть будущего конденсатора закрывают маской. Эта операция может выполняться как первой, так и последней; б) осаждения нижней обкладки из хрома или алюминия. Обкладку соединяют с одним из выводов; второй вывод закрывают маской; в) осаждения диэлектрика (одноокиси кремния). Диэлектрик перекрывает нижнюю обкладку; оба вывода закрывают маской; г) осаждения верхней обкладки (хром или алюминий). Об кладку соединяют со вторым выводом. Рис. 12.28. Изменение тока утечки (а) и tg (б) в зависимости от температуры для пленок из окиси кремния 479 Для каждой кривой указаны толщина пленки и скорость осаждения. Конденсаторы с диэлектриком в виде пленки окиси кремния толщиной 0,15—2 мк имеют емкость в пределах 0,01—0,001 мкф/см2. Рабочее напряжение (12—60 в) зависит от толщины диэлектрика и рабочей температуры. При температурах, превышающих 200° С, величины угла диэлектрических потерь (tg = 0,1) и тока утечки (0,5 мка/см2) обычно неприемлемы. Скорость осаждения окисного слоя оказывает заметное влияние на tg , (рис. 12.28, б) и ток утечки (рис. 12.28, а). В общем случае наименьшие показатели тока утечки и tg получаются при скорости осаждения менее 5 Å /сек, но при малых скоростях осаждения у окисных пленок оказывается меньшей, чем у окиси кремния в куске. Это объясняется в известной мере меньшей плотностью пленок. Готовые пленочные конденсаторы могут иметь довольно высокую проводимость из-за точечных неоднородностей или других микроскопических дефектов в диэлектрике. Эти дефекты легко устранить «прожиганием» конденсатора , для чего на него разряжают предварительно заряженный до напряжения 100 в. бумажный конденсатор емкостью 4 мкф. При этом на верхней обкладке пленочного конденсатора в зоне точечного дефекта диэлектрика происходит выгорание пленки (как и в металлизированных бумажных конденсаторах, обладающих способностью самовосстанавливаться после пробоя). Изготовление тонкопленочных схем. Микросхемы, как уже было сказано, представляют собой сочетание пленочных схемных элементов и соединительных проводников, нанесенных на общее основание из диэлектрика. В качестве примера на рис. 12.29 представлены конструктивное оформление мультивибратора на транзисторах в пленочном исполнении и его принципиальная схема. В качестве оснований для изготовления мультивибратора используют квадратную пластинку из стекла со стороной 25,4 мм и толщиной 1,6 мм. Осаждение схемы производят в несколько этапов. Первый этап — осаждение четы480 рех резисторов (из сплава хрома и кремния), после чего производят осаждение нижних обкладок обоих конденсаторов с одновременным получением некоторых соединительных проводников (толстый слой хромоникелевого сплава). Затем следует нанесение диэлектрической пленки одноокиси кремния на нижние обкладки конденсаторов. Заключительный этап — нанесение верхних обкладок конденсаторов и оставшихся соединительных проводников. В соответствующих точках схемы наносят толстые пленки меди, котрые служат для подключения к схеме транзисторов и источника питания. Сведения о материалах, применяемых для изготовления конденсаторов и резисторов, приведены выше. В данном случае для резистивных пленок используется сплав хрома с кремнием, так как требуется получить сравнительно большие сопротивления при довольно большой толщине пленки. Размеры резисторов — длина 14,2 и ширина 1,2 мм. Эту же пленку используют для резисторов с сопротивлением 1 ком (длина 6,5 и ширина 4,8 мм). В испаритель загружается смесь порошков, состоящая из равных по объему частей хрома и кремния (или его одноокиси). Рис. 12.29. Конструктивное оформление мультивибратора на транзисторах в пленочном исполнении (а) и его принципиальная схема (б) 481 Для нанесения обкладок конденсаторов обычно применяют алюминий, но в данном случае для упрощения процесса используется тот же хромоникелевый сплав (Сг 20%, Ni 80%), который применяли для нанесения соединительных проводников схемы (при достаточно большой толщине пленки этот сплав позволяет получить малое сопротивление — менее 1 ом/см2), т. е. он пригоден для нанесения соединительных проводников; в большинстве случаев этим сопротивлением можно пренебречь. Диэлектрические прокладки конденсаторов изготовляют нанесением одноокиси кремния, которую (с использованием соответствующих масок) наносят также поверх пленочных резисторов как дополнительный защитный слой перед покрытием смолой или лаком. Контроль сопротивления резистивной пленки осуществляют по специальному контрольному образцу; по достижении требуемой величины Сопротивления испаритель закрывают крышкой, чтобы прекратить осаждение. После нанесения резисторов наносят нижние обкладки конденсаторов и соединительные проводники из хромоникелевого сплава толщиной 500—1 000 Å. При выполнении обеих операций температуру оснований поддерживают около 300° С, а разрежение в камере 10-4 мм рт. ст. Диэлектрик наносят из одноокиси кремния при скорости осаждения 5 Å /сек; остаточное давление 0,1 мм рт. ст. поддерживают с помощью игольчатого клапана. Основания нагревают до 250° С. Установлено, что скорость осаждения сильно зависит от величины тока, протекающего через испаритель, которая подбирается опытным путем. Верхние обкладки конденсаторов и оставшиеся соединительные проводники из хромоникелевого сплава осаждают одновременно через соответствующую маску. Процесс заканчивается нанесением толстого медного слоя на выводные контакты, к которым припаивают проволочные выводы. 482 12.4. Технология изготовления твердых схем Как уже было сказано, способ создания твердых схем состоит в том, что на базе одного или нескольких кристаллов полупроводникового материала изготавливают устройства, эквивалентные целым функциональным схемам. Для получения активных и пассивных элементов твердой схемы применяют сплавные, диффузионные и планарные полупроводниковые приборы, а также эпитаксиальные пленки. В такой конструкции, которая приобретает объемный характер, обычно трудно четко разграничить отдельные элементы схемы. Некоторые типичные структуры представлены на рис. 12.30. На рис. 12.30, а показан резистор, полученный диффузией сурьмы в кремний с проводимостью р-типа. В результате диффузии образуется тонкий слой с низким удельным сопротивлением с проводимостью n-типа. Отношение удельного сопротивления исходного материала к удельному сопротивлению полученного слоя с проводимостью n-типа оказывается больше 100, поэтому образованием узкой канавки можно изолировать один полупроводниковый резистор этого типа от другого. Если на обе поверхности рассматриваемого элемента нанести металлическую пленку металла с достаточной проводимостью, то получится схема, изображенная на рис. 12.30, б. Значения емкости и сопротивления зависят от величины приложенного напряжения. Схема такого вида может быть несколько изменена. Устройство, изображенное на рис. 12.30, в является фазосдвигающим НЧ фильтром с распределенными параметрами. Вентильная схема (рис. 12.30, г) строится за счет использования свойств однополюсного транзистора. Запирающее сопротивление между точками 1 и 2 достаточно велико, если к элементу приложено большое обратное напряжение смещения. При нулевом смещении запирающее сопротивление мало. Таким образом, изменение смещения п-р перехода открывает или запирает схему между точками 1 и 2. Эта методика может быть применена для получения большой логической схемы, изображенной на рис. 12.30, д. 483 При подаче сигнала смещения на один из электродов G1, G2, G3 схема между точками 1 и 2 открывается. На рис. 12.30, е изображены усилитель и его эквивалентная схема. Металлический электрод р-слоя образует коллектор. Базовые электроды образуются нанесением металлических пленок с проводимостью re-типа. В упрощенной эквивалентной схеме усилителя на двух транзисторах Q1 и Q2 не указаны компенсационные термосопротивления и соединительная емкость. На рис. 16-30, ж изображено устройство, не имеющее стандартной схемной аналогии, а также характеристика такого элемента. На графике штриховой линией обозначена нагрузочная характеристика элемента. Схема в этом случае имеет два устойчивых положения. При наличии нагрузки большой величины (сплошная прямая линия) схема становится генератором пилообразных импульсов, частота которых определяется величиной приложенного напряжения. Одновременное использование нескольких подобных элементов позволяет получить более сложные функциональные схемы. Рис. 12.30. Типичные структуры функциональных устройств на твердых схемах 484 Сравнение сложных полупроводниковых цепей со стандартными схемами лучше всего производить, сравнивая их функции, используя известные аналогии между элементами схемы и различными переходами в полупроводнике. В твердых полупроводниковых схемах решается проблема объединения отдельных элементов. Благодаря использованию однородного, обладающего высокой чистотой материала число контактов сокращается, основные электрические соединения приходятся на входные и выходные контакты и на выводы для подключения питания. Для превращения пластинки полупроводникового материала в функциональную схему требуется от 15 до 20 технологических операций. При таком небольшом количестве операций можно применять строгий пооперационный контроль качества. Это способствует повышению надежности схем. Трудности математического описания процессов в полупроводниковых приборах связаны с их объемным исполнением. Этим объясняется и трудность теоретического описания методов создания функциональных полупроводниковых схем. Поэтому твердые схемы пока создают путем обработки отдельных частей полупроводникового материала в соответствии с обычными схемами. Одни участки выполняют как резисторы, другие как конденсаторы, диоды, транзисторы и т. п. Можно реализовать любое число таких участков так, чтобы их сочетание образовало желаемую схему. Так как все эти участки представляют собой часть одного и того же образца полупроводникового материала, то получается полностью монолитная структура. Часто в устройстве подобного типа, как было сказано выше, невозможно определить тот или иной участок по функциональному признаку. Поэтому составляют эквивалентную схему, которую можно построить по принципу проводимости в полупроводниковом материале. Если известны электрические устройства участков, то можно узнать и характеристики всего устройства в целом. В отдельных случаях некоторые участки можно имитировать подключением обычного элемента схемы, например при макетировании. 485 Рис. 12.31. Твердая схема RC с распределенными параметрами (конструкция и эквивалентна схема): 1 – диффузионный строй; 2 – p-n переход с большой поверхностью; 3 – объемный кусок полупроводника На основе полупроводниковых материалов легко формируются цепи с распределенными RC-параметрами (рис. 12.31). Индуктивность значительно труднее выполнить в малом объеме. В настоящее время не существует такого микроминиатюрного полупроводникового прибора, который обладал бы большой индуктивностью. Разработан полупроводниковый диод, эквивалентная схема которого при определенных условиях представляет собой индуктивность с высокой добротностью в последовательном соединении с отрицательным сопротивлением. Можно выполнить индуктивную цепь на активных элементах или заменить ее другими элементами, обеспечивающими в итоге эквивалентный эффект. Например, в схеме временной задержки можно вместо индуктивности применить полупроводниковую линию задержки; схемы RC могут заменить в ряде случаев схемы LC, дроссели заменяют полупроводниковыми приборами, использующими эффект поля; вместо согласующих трансформаторов применяют другие схемы согласования, без индуктивностей. Небольшие индуктивности выполняют в виде спирали из полупроводникового материала. Если же требуются большие 486 индуктивности, то практически выгоднее использовать смешанную конструкцию с применением индуктивностей обычного типа. Диоды и транзисторы изготовляют методами диффузии или сплавления; диффузионный способ более удобен и при создании твердых схем. В структуре полупроводниковых схем можно выполнять, например, однополюсные транзисторы, работающие на основе эффекта поля, туннельные диоды, приборы типа р-п-р-п, солнечные элементы, термоэлектрические элементы. Ввиду малых размеров твердых схем их можно объединять разными способами, так как в любом случае достигается существенное уменьшение размеров аппаратуры по сравнению с обычным ее выполнением. Попытки укладывать твердые схемы в одной плоскости дают наименьшую экономию объема. Наиболее эффективный способ состоит в их монтаже параллельными рядами (рис. 12.32). Рис. 12.32. Один из методов соединения твердых схем: 1 — тефлоновые листы, покрытые медью с травлеными отверстиями для выводов; 2 — твердые схемы; 3 — проводник, изолированный от листа; 4 —листы для подачи напряжения питания; 5 — лист для вывода сигнала цепей; 6 — проводник, приваренный к листу 487 При выполнении малогабаритной аппаратуры необходимо обеспечить минимальное рассеяние тепла на единицу объема. Для этой цели твердые схемы выполняют с минимальным потреблением электроэнергии и с большим отношением площади поверхности к объему. Интересно провести оценку плотности элементов в твердых схемах. Сами по себе твердые схемы имеют плотность 350 млн. элементов в 1 дм3. Если учесть объем, занимаемый соединениями при объединении этих схем в блоки и системы, то плотность уменьшится до 9 млн. в том же объеме. С учетом заключения твердых схем в герметические корпуса получается плотность 0,6 млн. элементов, и, наконец, с учетом объема внешних электрических соединений блоков, равного объему самих блоков, — 280 тыс. элементов в 1 дм3. В целом твердые схемы позволяют значительно уменьшить габариты и вес радиоаппаратуры по сравнению с пленочными микроминиатюрными конструкциями. Не следует, однако, считать, что пределы микроминиатюризации аппаратуры на основе твердых схем безграничны. Как известно, существенные ограничения накладывают условия рассеяния тепла и многие другие факторы. Температура сферического блока радиусом R, выполненного из одинаковых элементов, имеющих объем d3 и развивающих мощность Р, вт, каждый, определяется уравнением p(R 2 r 2 ) 0 6d3 где — температура в точках внутри сферы, имеющих радиус r; 0 — температура на поверхности сферы радиуса R; — коэффициент теплопроводности. Для твердых схем, состоящих из слоев полупроводника, заключенных между керамическими прокладками с печатным монтажом, коэффициент теплопроводности определяется как некоторая средняя величина между коэффициентами теплопроводности воздуха (0,025 вт/м на 1° С), полупроводника (148 488 вт/м на 1° С для кремния и 58 вт/м на 1° С для олова). С достаточной степенью точности можно считать, что коэффициент теплопроводности такой схемы имеет величину порядка 1 вт/м на 1° С. Для устройства c d = 510-4 м и рабочими температурами 0 = 50° С и макс = 175° С получается величина R = 310-3 м, что соответствует шести слоям или приблизительно 200 элементам при мощности каждого элемента 0,01 вт. Существует несколько методов повышения допустимой предельной температуры: использование полупроводников с широкой запретной зоной (мышьяковистый галлий, фосфористый натрий и т. п.); проектирование устройств с большим отношением площади поверхности к объему для повышения эффективности охлаждения и др. С целью повышения теплопроводности выгодно ограничивать размеры твердой схемы некоторым оптимальным числом каскадов (порядка 100). Рассеяние тепла ограничивает реальную плотность монтажа твердых схем, и указанная выше высокая плотность монтажа, достигающая 36 105 элементов на 1 дм3, не может быть осуществлена, если не принять специальных мер для охлаждения. Для сферической конфигурации отношение объема к площади поверхности возрастает по линейному закону с увеличением диаметра, поэтому чем больше размеры твердой схемы, тем ниже должна быть плотность монтажа. Твердую схему легче всего применить в устройстве, состоящем из ряда каскадов тождественной конструкции, работающих по простому принципу. Это относится в первую очередь к электронным вычислительным машинам и радиоаппаратуре автоматического регулирования. С другой стороны, преимущество твердых схем с точки зрения уменьшения веса и объема аппаратуры определяет целесообразность их применения в тех случаях, когда сокращение веса и объема имеет решающее значение, в частности в подвижных установках. В заключение следует отметить, что технология изготовления твердых схем имеет очень много особенностей; научно обоснованные технологические процессы пока отсутствуют, за исключением отдельных данных, и эта область техники требует самостоятельного изучения и описания. 489 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Данное учебное пособие «Технология производства радиоаппаратуры» предназначено для обучения студентов специальностей 220201 – «Управление и информатика в технических системах», 140604 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов». Кроме знаний по основным дисциплинам специальности, получаемых студентами, обучавшимися по ранее действующим образовательным стандартам, современному инженеру крайне необходимо иметь хотя бы общие представления о технологии производства радиоаппаратуры. Приведенное учебное пособие, будучи ограниченным по объему листов и рамками образовательного стандарта, естественно, не может претендовать на полноту изложения, его цель дать начальные знания. Приведенные ниже литературные источники позволят студентам расширить свои познания в данной области. 490 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Атамалян Э.Т. Приборы и методы измерения электрических величин: учеб. пособие для студентов вузов / Э.Т. Атамалян. М.: Высш. шк., 1989. 2. Белевцев А.Т. Технология производства радиоаппаратуры / А.Т. Белевцев М.: Энергия, 1971. 544 с. 3. Введение в микроэлектронику, под ред. Степаненко И.П., изд. «Советское радио», 1968. 4. Екимов А.В. Надежность средств измерительной техники / А.В. Екимов, М.И. Ревяков Л.: Энергоатомиздат, 1986. 5. Иванов-Есипович Н.К. Инженерные основы плёночной микроэлектроники / Н.К. Иванов-Есипович М.: Энергия, 1986. 318с. 6. Кисурин А.А. Автоматизация проектирования систем и средств управления: учеб. пособие / А.А. Кисурин. Воронеж: ВГТУ, 2007. 173с. 7. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Автоматизация проектирования систем и средств управления в системе P-CAD» для студентов специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах» очной формы обучения / ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А.А. Кисурин. Воронеж, 2008. 25 с. 8. Методы электрических измерений / Л.Г. Журавлев, М.А. Маринейко, Е.И. Семенов, Е.И. Цветков. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 9. Саврушев Э.И. P-CAD система проектирования печатных плат// Э.И. Саврушев. М.: ЭКОН, 2002. 316с. 491 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение. ....................................................................................... 3 1. Характерные особенности радиоаппаратуры ....................... .5 1.1. Радиоаппарат как система, состоящая из элементов и узлов ............................................................................... .5 1.2. Общие условия эксплуатации, хранения и транспортировки радиоаппаратуры ................................................ .8 1.3. Надежность радиоаппаратуры ...................................... 11 1.4. Микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры ................................................................................... 17 1.5. Понятие о технологичности конструкции ................... 28 2. Общие основы проектирования технологических процессов ................................................................................................. 31 2.1. Общие сведения ............................................................. 31 2.2. Основные понятия о производственном и технологическом процессах ............................................................. 35 2.3. Особенности различных видов производств ............... 38 2.4. Общие характеристики технологических процессов .. 41 2.5. Пути повышения технологичности конструкции ....... 46 3. Основы точности и контроля качества производства радиоаппаратуры ................................................................................... 52 3.1. Общие понятия и определения производственных погрешностей.................................................................... 52 3.2. Законы распределения производственных погрешностей и методы их анализа ............................................ 55 3.3. Влияние производственных погрешностей на конструктивные, производственные и эксплуатационные характеристики радиоаппаратуры .............................. 65 3.4. Предупредительный контроль ...................................... 67 3.5. Приемный статистический контроль ........................... 69 3.6. Испытания радиоаппаратуры ....................................... 71 4. Изготовление заготовок ......................................................... 73 492 4.1. Способы получения заготовок и их выбор .................. 73 4.2. Основные виды холодной штамповки ......................... 75 4.3. Технологичность конструкции холодноштампуемых деталей ........................................................................ 100 4.4. Получение заготовок способами литья...................... 106 5. Поверхностные металлические и неметаллические покрытия, химическая и электрохимическая обработка ................. 120 5.1. Общие сведения ........................................................... 120 5.2. Подготовка поверхности перед нанесением покрытий................................................................................ 121 5.3. Металлические негальванические покрытия ............ 132 5.4. Неметаллические химические покрытия ................... 139 5.5 Металлические и неметаллические гальванические покрытия ......................................................................... 143 5.6. Лакокрасочные покрытия............................................ 152 6. Изготовление магнитных цепей .......................................... 162 6.1. Общие сведения ........................................................... 162 6.2. Применяемые материалы и их технологические свойства .............................................................................. 167 6.3. Изготовление сборных магнитопроводов ................. 172 6.4. Изготовление ленточных магнитопроводов.............. 180 6.5. Изготовление магнитопроводов из магпитодиэлектриков ................................................................................ 190 7. Изготовление обмоток .......................................................... 194 7.1. Виды обмоток и технические требования к ним ...... 194 7.2. Применяемые материалы и их технологические свойства .............................................................................. 201 7.3. Изготовление каркасов ................................................ 203 8. Изготовление резисторов ..................................................... 207 8.1. Общие сведения о резисторах, применяемых в радиоаппаратуре................................................................... 207 8.2. Изготовление углеродистых резисторов ................... 209 8.3. Изготовление металлопленочных и металлоокисных резисторов ................................................................... 213 8.4. Изготовление композиционных резисторов.............. 221 8.5. Изготовление проволочных резисторов .................... 224 493 9. Изготовление конденсаторов ............................................... 232 9.1. Общие сведения о конденсаторах, применяемых в радиоаппаратуре ............................................................ 232 9.2. Изготовление конденсаторов постоянной емкости .. 234 9.3. Изготовление конденсаторов переменной емкости.. 246 10. Технология объемного монтажа радиоаппаратуры ......... 248 10.1. Общие сведения о блок-схемах, принципиальных и монтажных схемах .................................................... .249 10.2. Основные технические требования к монтажу ...... .258 10.3. Методы монтажа радиоаппаратуры ......................... 263 10.4. Уплотненный монтаж обычных (навесных) элементов ................................................................................ 268 10.5. Механизация и автоматизация заготовительных электромонтажных операций ........................................... 277 10.6. Технический контроль монтажа ............................... 293 10.7. Техника безопасности при выполнении монтажа .. 296 11. Технология печатного монтажа ................................... 301 11.1. Общие сведения ......................................................... 301 11.2. Технологичность конструкций печатных узлов и плат .............................................................................. 313 11.3. Классификация методов изготовления печатных плат .............................................................................. 340 11.4. Создание токопроводящих покрытий....................... 343 11.5. Многослойные печатные схемы ............................... 354 12. Основы технологии микроминиатюризации радиоаппаратуры ............................................................................................ 367 12.1. Направления микроминиатюризации и основные требования ........................................................................ 367 12.2. Технология изготовления микромодулей ................ 384 12.3. Технология изготовления пленочных микросхем .. 398 12.4. Технология изготовления твердых схем.................. 479 Заключение ................................................................................ 486 Библиографический список ..................................................... 487 494
