После того, как изготовлены и разложены по полкам на складе исходные материалы, начинается изготовление деталей. Для изготовления деталей ламп применяются те же способы, что и в технике вообще. Но одни применяются чаще, другие реже, а третьи – в каких-то вариантах или модификациях. Например, реже применяется механическая полировка – потому что при ней в поверхность внедряются загрязнения. Вместо нее используют химическую или электрохимическую полировку, а если надо применить именно механический процесс – то шлифовку.
Требования к чистоте деталей в электронной технике намного выше, чем в технике вообще. Чтобы понять, почему это так – достаточно посмотреть на лампу и осознать, что в ней вакуум. В технологии электронных ламп, как и во всей технике, применяются химические способы очистки. Характерное отличие – широкое применение ультразвуковой очистки. Возможно, это связано просто с тем, что технология электронных ламп создавалась позже общетехнической и впитала в себя новые (на тот момент) решения. Затем, взрастив эти решения внутри себя, она стала источником этих решений для остальной техники. Позже такая же ситуация в какой-то мере возникла между техникой электронных ламп и полупроводниковых приборов – вторая строилась на более прогрессивных методах, но первая позже заимствовала их, увидев, как они хороши.
Намного чаще, чем в остальной технике, используют при производстве ламп для очистки отжиг. Если он правильно проведен, то содержание загрязнений уменьшается не только на поверхности, но и в глубине деталей. Там, откуда они все равно при работе лампы попали бы сначала на поверхность деталей, а потом в ее объем. Таким образом, процесс отжига в некотором смысле имитирует работу деталей в лампе.
При отжиге из металлов выделяется в основном водород, иногда азот и кислород. Выделение воды и оксидов углерода – результат взаимодействия диффундирующих из глубины металла водорода и углерода с оксидами на поверхности, поскольку газы диффундируют в металлах не в виде молекул, а в виде отдельных атомов. При значительном содержании углерода желательно, чтобы металл был окислен, так как углерод сам по себе, без реакции с кислородом, с поверхности не удалится – он и не испаряется (при этих температурах), и в реакцию с водородом не вступает. Если же оксида для окисления углерода не хватает, то металл отжигают во «влажном водороде» – смеси водорода и воды – для окисления.
В диэлектриках газы могут диффундировать и в виде молекул, поэтому выделяющиеся из стекол и керамик вода и углекислый газ – не продукт реакций, а их собственные, имевшиеся в объеме вода и углекислый газ. Для удаления примесей в печи должна быть среда, концентрация загрязнений в которой достаточно мала. Иначе загрязнения будут не удаляться из деталей, а насыщать их. Отжиг в вакууме является первым приходящим в голову решением. Но это плохое решение: получить в большой печи, набитой грязными (по меркам электроники) деталями, такой вакуум, какой нужен в лампе, – трудная задача. Поэтому чаще отжигают в водороде, который заодно восстанавливает оксидные пленки. Правда, при этом водород проникает в некоторые металлы; само по себе это не очень опасно – при обработке уже собранной лампы водород относительно легко покидает детали и откачивается насосами. Но нельзя отжигать в водороде металлы, активно поглощающие водород – при поглощении ими водорода они становятся хрупкими.
Кроме того, проникновение водорода в металл опасно, например, если проникший в глубь металла водород соединяется с кислородом, получившиеся водяные пары разрывают металл. Называется это явление «водородная болезнь». Поэтому, например, если используют медь и предполагают позже отжигать детали в водороде, то берут металл с пониженным содержанием кислорода (бескислородную медь). Кроме водорода, детали отжигают в аргоне, а иногда в смесях инертного и восстанавливающегося газов.
Отжечь детали так, чтобы они стали чище «снаружи и изнутри» – сложная задача. В этой области выполнено множество исследований, опубликовано немало статей, а в книгах по технологии электронных ламп отжигу отводится обычно весьма заметное место. Температура, время, состав газа, скорость протока, загружаемые детали – их количество, материал, расположение – все влияет на результат, зачастую непонятным и непредсказуемым образом. Загрязнения переносятся при отжиге с одних деталей на другие; несмотря на избыточное давление, атмосферные газы проникают в печь; лампы, собранные из более тщательно очищенных деталей оказываются грязнее собранных из менее очищенных. Эти и десятки других загадок, успешные и безуспешные попытки их решения – вот что такое ежедневная работа технолога.
Что же до ситуаций, когда хорошо очищенные детали хуже очищенных плохо, то причина такова: при особо тщательной очистке поверхность детали оказывается химически очень активной и мгновенно окисляется при извлечении деталей из печи. Если же очистка производилась не столь «зверски», то слегка окисленные детали далее окисляются уже медленно. Отсюда видна важность проблемы хранения; и действительно, в технике электронных ламп это – отдельная проблема. Существует специальная тара для хранения и транспортировки деталей, их хранят в осушенной и очищенной от пыли среде, а иногда в среде инертного газа или в вакууме.
Отжиг применяется в технологии электронных ламп не только для очистки, он еще применяется для восстановления исходной, равновесной кристаллической структуры, изменившейся при механической обработке. При многих видах механической обработки, особенно при вытяжке и иной пластической деформации, происходит увеличение количества дислокаций (нарушений кристаллической решетки) и изменение размера кристаллов – удлинение в направлении деформации. У такого материала меняются свойства – механические, электрические, химические. В частности, у него становится меньше способность деформироваться – она уже частично (или полностью) израсходована. Для восстановления исходных свойств и, в частности, для возможности дальнейшей деформации надо уменьшить количество дислокаций и измельчить вытянутые кристаллы. Это и происходит при так называемом рекристаллизационном отжиге.
Если же материал деформирован в упругой области и форма его стабилизирована какой-то технологической оснасткой (например, на оправку навита проволока – мы хотим сделать пружину), то отжиг необходим для снятия напряжений. Иначе проволока после снятия с оправки благополучно раскрутится, и вместо пружины мы получим проволокой по носу, и хорошо, если не по глазам. Автор это проходил...
Другой процесс, который также имеет в электронике свою специфику, – это процесс нанесения покрытий. Вообще в технике покрытия применяются чаще всего для увеличения коррозионной стойкости, трения, коэффициента излучения и твердости, уменьшения трения, коэффициента излучения и износа. То есть детали и устройства в целом работали бы и без покрытий, но хуже, и быстрее вышли бы из строя. В отличие от этого в технике электронных ламп покрытия, как правило, и являются тем, что работает, несет основную функцию. Покрытия экранов кинескопов излучают свет – без них кинескоп не работал бы вообще. Катодные покрытия эмиттируют, изоляционное покрытие на подогревателе изолирует его от катода – без них лампы не будут работать. Поэтому в технике электронных ламп было бы иногда логичнее говорить не о покрытиях на деталях, а о деталях, которые существуют лишь для того, чтобы на них могли быть покрытия.
Разумеется, в технике электронных ламп могут применяться все обычные покрытия – например, медные радиаторы вполне могут снабжаться покрытиями, предохраняющими их от коррозии или увеличивающими проводимость (в области сверхвысоких частот, когда токи протекают по поверхности). Внутриламповые детали могут иметь покрытия, уменьшающие коэффициент излучения (для увеличения экономичности) или увеличивающие его для охлаждения соответствующих деталей. Все остальные покрытия, которые мы рассмотрим, специфичны для электровакуумных приборов, причем многие из них наносится по специфической, применяемой в основном в этой области, технологии.
По обычным технологиям наносится в основном два типа покрытий. Антиэмиссионные покрытия на сетках ламп (золото, серебро, сплав олово-никель, титан и др.), предназначенные для увеличения работы выхода сеток при попадании на них с катода бария или тория наносят либо гальванически, либо протягиванием проволоки для сетки через расплав того металла или сплава, который надо нанести. Полупроводящие прозрачные покрытия из оксида олова получают либо пиролизом паров хлорида олова либо осаждением из раствора хлорида олова (стекло с таким покрытием можно нагревать пропусканием тока, например, чтобы оно не обледеневало).
Много сил и времени было потрачено на поиск материала и конструкции окон, допускающих вывод больших мощностей. Рекорд мощности клистрона 30 мегаватт (импульсная мощность, при длине импульса несколько микросекунд) продержался около 20 лет. Но в 1983 году в Стэнфордском университете был разработан клистрон мощностью 50 мегаватт, а еще через 2 года там же американские и японские специалисты сделали клистрон мощностью 150 мегаватт. Кроме всего прочего, оказался важным выбор антиэмиссионного покрытия для окна вывода энергии (помните – вторичноэлектронный разряд?).
Остальные процессы нанесения покрытий в технике электронных ламп строятся по следующей схеме: на поверхность наносится порошок вещества, которым мы хотим покрыть поверхность, а затем деталь нагревается так, чтобы произошло «спекание» – срастание частиц друг с другом и с поверхностью путем взаимной диффузии. Степень спекания обычно невелика, и покрытие получается пористым. Для эмиссионных и геттерных покрытий это необходимое условие работоспособности, для прочих оно допустимо. Обеспечить же высокую степень спекания нельзя потому, что для такого спекания нужна либо недопустимо высокая температура, либо давление, что обычно неудобно технологически.
Сам порошок может наноситься несколькими способами, различающимися тем, в какой среде находятся перед нанесением частицы порошка – в газе или жидкости – и под действием каких сил они приближаются к поверхности – электрических, гравитационных или упругих. Например, из суспензии в жидкости под действием электрических сил – это электрофорез, когда заряженные частицы устремляются к детали, на которую подается потенциал. Из жидкости под действием гравитации – это просто осаждение, так наносят в основном люминофорное покрытие на кинескопы. Из жидкости под действием упругих сил – это распыление или намазка суспензии. Из газа под действием электростатических сил – это так называемое электростатическое напыление, вообще применяемое в технике для нанесения красок. Чтобы порошок, попавший на поверхность, не осыпался с нее сразу, а дождался начала процесса спекания, к суспензии часто добавляют органические вещества с большой адгезией, клеи, испаряющиеся или разлагающиеся в процессе спекания.
По этим технологиям наносят покрытия почти всех видов – перечислим их. Проводящие покрытия из мелких частиц графита на баллонах кинескопов и электронных ламп. Полупроводящие покрытия из частиц оксидов хрома, железа и марганца для выравнивания потенциалов в высоковольтных электронных приборах. Геттерные покрытия из частиц активно взаимодействующих с остаточными газами металлов для поглощения газов внутри лампы. Изоляционные покрытия из частиц оксида алюминия на подогревателях. Люминесцентные покрытия в кинескопах и – кто помнит? – лампах-индикаторах настройки («кошачий глаз», серия Е). Эмиссионные покрытия оксидных катодов из оксидов щелочноземельных металлов и покрытия из металлических, как правило, никелевых частиц, на которые обычно и наносится собственно эмиссионное покрытие. И наконец, покрытия из частиц оксидов магния и алюминия на слюдяных изоляторах в лампах. Зачем же наносить изоляционное покрытие на изолятор? – удивитесь вы. Но его наносят не для изоляции, а для того, чтобы слюда стала шероховатой. А зачем ей становиться шероховатой? – еще больше удивитесь вы – ведь она в вакууме ни обо что не трется, это же не тормозные диски для Чероки! Шероховатость нужна для того, чтобы напыляющиеся на слюду при работе лампы металлические пленки не могли стать сплошными, проводящими и закоротить зазор.
Теперь, когда все детали изготовлены и молча лежат в эксикаторах с обеспыленной и высушенной средой или, пуще того, в вакуумных шкафах, из которых выкачан воздух, чтобы детали не окислялись, окинем их взглядом: катоды с эмиссионным покрытием; сетки из проволоки с антиэмиссионным покрытием, намотанной на траверсы (стойки) или, для ламп с планарной геометрией – на рамки; подогреватели, покрытые изоляцией; аноды, штампованные из черненного тонкого листового металла – для расположения внутри лампы и охлаждения излучением – или массивные медные, составляющие часть оболочки лампы и предназначенные для воздушного или водяного охлаждения; всяческие изоляторы из слюды или в мощных лампах из керамики, чтобы стабилизировать положение деталей относительно друг друга; оболочки ламп или, точнее, заготовки оболочек из стекла или иногда, в частности, для мощных ламп, из керамики; вводы, которые будут впаяны в стекло и начнут доставлять в лампу и из лампы электроны; и, наконец, газопоглотители или геттеры, которых, впрочем, может и не быть (об этом позже), а если они есть, то они могут существовать в виде покрытий на других деталях и в виде отдельных деталей – нераспыляемых геттеров или распыляемых – они при обработке лампы будут нагреты и напылят на стекло слой бария, который и будет поглощать потом остаточные газы.
Теперь мы приступим к сборке. На заре эпохи электронных ламп, 3/4 века назад, для работы в области больших мощностей применялись разборные лампы, работавшие с постоянной откачкой. Стучал насос, радиоволны неслись в эфир. Сейчас все лампы – неразборные и соединения в них выполняются, как правило, неразборными. Только в мощных лампах – и то редко – детали соединяют винтами; впрочем, поверх головок все равно приваривают накладки, исключающие ослабление и отвинчивание винтов. Лампа – не картофелеуборочный комбайн, в нее с гаечным ключом не залезешь. В маломощных лампах основной метод соединения деталей – контактная электросварка, называемая часто точечной сваркой; применяется также лазерная сварка. В мощных лампах применяется еще и аргонно-дуговая сварка, она дает вакуумно-плотный шов и поэтому может использоваться для соединения деталей оболочки лампы.
Сварка – это такой метод соединения деталей, когда расплавляется материал обеих соединяемых деталей. Если материалы остаются твердыми, а зазор между ними заполняется жидким металлом, который застывает, – это пайка. Если же расплавляется один из материалов, это называется пайка оплавлением. До сих пор мы говорили о соединении металл-металл. При соединении металлов с диэлектриками сварка – в обычном ее виде – не применяется, так как температура плавления керамик значительно выше температур плавления большинства металлов и, вдобавок, при плавлении керамики разлагаются. Стекло же плавится легко, но – наоборот, слишком легко – металлы же, с которыми соединяют стекло, плавятся при более высоких температурах. То есть это пайка оплавлением, причем плавится стекло.
А зачем вообще при пайке оплавлением расплавляют один из соединяемых материалов? Чтобы сблизить соединяемые материалы. Но можно и не плавить – нагреть и сильно сжать. За счет пластичности нагретых материалов они сблизятся на атомные расстояния, и диффузия, ускоренная нагревом, перемешает их. Такой способ соединения называется термокомпрессионной сваркой. Слово «сварка» тут совершенно не к месту, но такова традиция.
Часто говорят, что те или иные материалы соединить можно или нельзя. Так говорить некорректно – ибо соединить можно любые материалы. Вопрос в том, какую прочность будет иметь такое соединение. Тем более, что кроме внешних усилий (лампы роняют), существуют еще и внутренние, возникающие из-за различий в термических расширениях. Действительно, все эти пайки – сварки делаются при высоких температурах. Потом мы прибор охлаждаем, и если соединенные при высокой температуре материалы по-разному укорачиваются при охлаждении, то в соединении возникают термические напряжения.
Поэтому вопрос о соединении – это вопрос о согласовании расширений, о возникающих в соединении усилиях и о прочности тех соединений, которые возникают в сварной зоне или в зоне диффузии припоя и материала деталей друг в друга. Если говорят, что два металла хорошо соединяются, это означает, что возникающие в зоне их взаимодействия соединения не хрупки и прочны.
А еще в некоторых случаях в зоне соединения образуются легкоплавкие соединения. Автору этой статьи понадобилось как-то распылить в вакууме никель. Он взял титановую фольгу, вырезал ленточку, закрепил ее в вакуумной камере, положил на ленточку квадратик из никелевой фольги и начал греть титан, пропуская по нему ток. И в какой-то момент с ужасом увидел, что никель исчез, а в титановой ленте зияет аккуратное квадратное отверстие. Как квадратное отверстие в облаках у Стругацких, в «Гадких лебедях». При 955 по Цельсию в зоне контакта титан-никель началось плавление интерметаллида и расплавившаяся зона молча капнула вниз.
В отличие от спая металл-стекло, который по существу делается путем оплавления металла стеклом, соединение металла и керамики так получить нельзя – керамика тугоплавка. Поэтому сначала ее металлизируют, нанося на поверхность металлический порошок или соединения и расплавляя их. При этом за счет диффузии и реакций образуется переходная зона. А уже потом паяют керамическую металлизированную деталь и собственно металлическую.
Можно, впрочем, обойтись и без металлизации. При так называемой «активной пайке» между керамической и металлической деталью прокладывают фольгу из титана, затем этот комплект сжимают и нагревают. При взаимодействии образуется переходная зона, и детали соединяются. Заметим, что в электронике – как и вообще в жизни – более простая на вид технология требует более высокой технологической культуры и она более «строга», то есть требует лучшей стабилизации параметров. Поэтому
29-04-2015, 05:08