автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка и исследование материалов и технологиимногослойных металлодиэлектрических структурметодом диффузионной сварки

Л А

^ -С''

» ^

На правах рукописи Экэ.М».

ч

Чнлккння Марин* Валерьевна

Разработка и исследование материалов и технологии многослойных металлодиэлсктрических структур методом диффузионной сварки

Специальность 05.27.06 ■ технология полупроводников и митирнацов электронной техники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

о

Работа выполнена на кафедре обшей химии и экологии Московского государственного института электронной техники (технического университета).

Научный руководитель • лауреат Государственной премии СССР, Заслуженный деятель науки и техники Российской федерации, доктор технических наук, профессор ПЕТРОВА Валентина Захаровна,

Официальные оппоненты -

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор СОРОКИН Игорь Николаевич, Кандидат технических наук, доцент ЛЮБИМОВ Виктор Константинович Ведущая организация - АООТ "Московский научно-исследовательский институт радиосвязи", г.Москва

Защита диссертации состоится _1997г. в_часов

на заседании диссертационного совета Д.053.02.03 при Московском институте 'электронной техники по адресу. 103498, г.Москва, МГИЭТСГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ. Автореферат разослан " "_1997г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, • < / ,< > "»----- А.А.РАСКИН

доктор технических наук, профессор

'г /. 7<

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многослойные структуры "металл-диэлектрик" являются основой многих электронных, электротехнических и других устройств .

Соединение большого числа плоских металлически* поверхностей в многослойные структуры, способные длительное врем» работать в широком диапазоне температур, к условиях нагружени», предъявляют жесткие требования к выбору материала диэлектоика и способа соединения пластан. От згих факторов практически зависит работоспособность и технология изготовления многослойной структуры в целом.

Одним из перспективных применений металлодиэлектрических структур «в-ллетс* создание ыагннтопроводоа элеюрических машин. Пластинчатые магнн го-проводы являются основными узлами многих зле.стро технических устройств. Высокая проницаемость, низкие коэрцитивная сила, остаточная индукшн, а также уровень потерь от вихревых токов в пластинчатых магнитопроводах обеспечили их широкое применение в электрических машинах, устройстм и аппаратах переменного тока.

На современном этапе одной из важнейших проблем электротехнической промышленности является обеспечение качества и надежности метрических машин, устройств и аппаратов, работающих в переменном токе на частоте 4О0Гц при высоких эксплуатационных нагрузках. Надежность таких устройств по многом зависит от качества изготовления основного узла - магнитоировода.

Несмотря на большое разнообразие форм и размеров, конструктивно все пластинчатые магнитопроводы состоят из пластин мапштомягкнх металлов н диэлектрических слоев, исключающих возможность электрическою контакт между металлическими пластинами. Таким образом, пакет натитонровода п; ь.пска-ляет собой многослойную структуру, состоящую иэ чередующихся «"хн "'«(адд. диэлектрик", т.е. материалов, обладающих отличающимися показателями различных физико-механических свойств.

Формирование многослойных металладкзлектрических структур на «ни»« используемых в современных технологиях органических диэлектриков приводит к возникновению факторов, отрицательно вл" чощих на магнитные сеоПс»еа ома-

вого изделия. Кроме того, необходимо учитывать фактор старения органических материалов и низкую температуроустойчивость этих структур. В связи с этим возникает необходимость исследования влияния этих факторов на магнитные свойства магнитопроводов и поиск новых технологий при замене органических материалов на неорганические.

Получить механически прочное соединение металла с диэлектриком при использовании диэлектрических материалов, применяемых в настоящее время в производстве магнитопроводов, невозможно.

Проблема достижения требуемой совокупности магнитных и механических свойств многослойных структур "металл-диэлектрик" в производстве магнитопроводов в настоящее время является нерешенной.

Другим не менее важным применением многослойных структур "металл-диэдехтрнк" является создание на их основе высокоэффективных, надежных, компактных матричных теплообменников.

Повышение эффективности и снижение стоимости многих виды лазеров в значительной степени зависит от эффективности и качественных характеристик тешюобменкых аппаратов, используемых в их конструкции,

Бачмш* тео промышленных лазеров, выделяющих мощность более 250 Вт, н некоторые лазеры, выделяющие около I Вт, для долговечной и надежной эксплуатации требуют водяного охлаждения.

Создано много различных видов теплообменных аппаратов. Однако особенности конструкций матричных теплообменников, в которых сочетаются такие преимущества, гак компактность » работоспособность при высоких давлениях, дают все основания отнести их к новому типу теплообменных аппаратов.

Наряду с указанными преимуществами, следует отметить их высокие тепловые и гидродинамические характеристики, возможность автоматизации и унификации производства, основанную на применении однотипных элементов. Кон-сгруьттано матричный теплообменник представляет собой сложное устройствг>, сосго»щ«с из метал, шческнх перфорированных пластин, обладающих высокой килоороводностьк:, соединенных между собоП диэлектрическими слоями. Технология солданн» матричных теплообменников должна обеспечить соединенно боаьщого чшпа (ЙЮ-600) металлических пластин, а также гарантировать тепло-Н'сымдооитй эффект в направлении движения потоков теплоносителей.

Одним из путей решения этих сложных технологических задач являете« применение стекловидных диэлектриков с комплексом заданных свойств. Среди большого класса диэлектрических материалов многокомпонентные стекловидные диэлектрики занимают особое место, благодаря своим уникальным свойствам. Стекловидные материалы обладают высокими диэлектрическими параметрами, хорошими технологическими свойствами, а за счет целенаправленного изменения их состава можно обеспечить комплекс заранее заданных химических, механических и электрофизических свойств, Разработанные в настоящее время составы стекловидных диэлектриков не отвечают специфическим требованиям, предъявляемым к неорганическим материалам для создания многослойных структур матричных теплообменников и пластинчатых мапттопроводов.

Анализ патентной и научно-технической литературы показывает, что одним из перспективных методов получения многослойных структур "металл-диэлектрик" является диффузионная сварка. Однако, создание высоконадежных многослойных структур магнитопроводов и матричных теплообменников требует постановки дополнительных исследований процессов физико-химического взаимодействия металлов с многокомпонентными стекловидными диэлектриками в условиях диффузионно;! сварки, а также изучения совместимости материалов и технологических процессов изготовления и эксплуатации приборов.

В связи с вышеизложенным, разработка диэлектрических материалов, отвечающих комплексу требований к многослойным структурам "металл-диэлектрик" в составе пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников; разработка принципиально нового технологического процесса создания многослойных структур с высокими показателями механической прочности, уровня магнитных свойств, максимально приближенным к свойствам базового материала, и улучшенными показателями эксплуатационных характеристик представляют значительный интерес и определяют актуальность настоящей работы.

Цель н задачи исследования. Цель данной диссертационной рабе I ы ''ос/сила в разработке и исследование свойств стекловидных диэлектриков дл» создания многослойных структур; разработке технологии получения многослойных структур "мегаян-диэлектрик"; комплексном исследовании влияния технологических параметров диффузионной сварки на свойства многослойных структур «I совместимости разработанных материалов и режим ч их формирования с материалами и

технологией изготовления пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• определить факторы, влияющие на свойства многослойных структур магнй-топроводов и матричных теплообменников;

. • обосновать выбор систем синтеза стекловидных диэлектриков для многослойных структур пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников;

- разработать составы стекол для создания многослойных структур пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников;

- разработать технологию получения многослойных структур "металл-диэлектрик" методом диффузионной сварки;

- исследовать влияние технологических параметров диффузионной сварки на свойства многослойных структур;

• исследовать процессы физико-химического взаимодействия при формировании многослойных структур "металл-диэлектрик" методом диффузионной сварки;

• исслед эть совместимость разработанных материалов н режимов формирования многослойных структур с материалами и технологией изготовления пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников.

Научная новизна работы.

О Впервые разработаны основы получения многослойных металлодизлек-трическнх структур с применением многокомпонентных стекловидных диэлектриков.

С Научно обоснована замена органических материалов на неорганические стекловидные диэлектрики при создании многослойных металлодиэлектрических структур пластинчатых магнитопроводов и матриччых теплообменников.

О Проведены систематические исследования изменения структуры в процессе кристаллизации сгехол системы ВаО-АЬОз-ВгОэ-ЗЮг. Установлено значительное влияние на кинетику кристаллизации стекол и порядок выделения фаз малых добавок, режимов кристаллизации и выявлены условия выделения кристаллических фаз для получения ситаллоцементов с заданными свойствами. На основании проведенных исследований р.иработан ситаллоцемент марки ТС-1, отвечающий комплексу

требований к материалам для создания многослойны* структур в составе пластинчатых мштштопроводов.

О Проведены систематические исследования влияния добавок оксидов металлов на физические и химические свойства стекол систем РЬО-ВгОз-ЭЮ! и РЬО-Вг01-гп0. Показано, что только совместное введение в состав стекла добавок СиО, МпО, ОагОз, VтО> дает максимальный эффект повышения растекаемости и адгезии стекча к алюминию и меди. В результате проведенных систематических исследований кристаллизационной способности, термического расширения, расте-каемости, адгезии, диэлектрических свойств легкоплавких стекол синтезированы составы стекол А1.-6 и ПЧ-б, отвечающие комплексу требований для создания многослойных структур на алюминиевом сплаве АД1 и меди при производстве матричных теплообменников. На состав ПЧ-6 получен патент Российской федерации.

О Предложен И научно обоснован механизм взаимодействия ситаллоцемента ТС-1 и стали марки 1521 при создании многослойных структур "металл-диэлектрик". Методом микрорентгеиоспектрального анализа установлено, что граница раздела сформирована за счет образования новой фазы • железомагниевой шпинели, которая обеспечивает прочное соединение разнородных материалов. Исследование влияния технологических параметров диффузионной сварки на меха, нические и магнитные свойства многослойных структур "металл-диэлектрик" позволили определить оптимальные режимы формирования пакетов магнитопрово-дов, обеспечивающие высокое качество соединения с оптимальной прочностью и минимальным уровнем остаточных напряжений. Впервые проведены исследования совместимости разработанных материалов и технологических режимов с технологией изготовления пластинчатых магнитопроводов. Установлено, что разработанные материалы позволяют повысить магнитные характеристики магнитопроводов, снизить удельные магнитные потери и позволяют эксплуатировать полученные изделия в экстремальных режимах.

О Предложены модели физико-химического взаимодействия влип ни* со стеклом АЬ-6, объясняющие механизм структурообраэоваиия в переходной зоне.

0 Исследовано влияиие технологических параметров диффузионной сварки на тепловые и механические свойства многослойных структур "алюминий- стекло". Определены оптимальные режимы диффузионной сварки. Впервые проведено исследование функциональной совместимо ¡1 материалов и технологических ре-

жимов формирования многослойных структур "алюминий-стекло" с режимами формирования и эксплуатации матричных теплообменников.

Практическая ценность работы:

О Разработан и исследован состав ситаллоцемента для получения многослойных структур "металл-диэлектрик". Разработанный материал позволяет изготавливать многослойные структуры на основе электротехнической стали для создания пластинчатых магнитопроводов электрических машин, устройств и аппаратов переменного тока, устойчивые к воздействию влаги и многократных термических обработок.

О Разработаны и исследованы составы легкоплавких стекол для получения покрытий на алюминии и меди, а также для создания многослойных структур матричных теплообменников. На основе разработанного стекла ПЧ-б (патент РФ № 2081069) на предприятии "СИЕТ-М" изготовлена опытная партия диэлектрических паст дтя защиты резисторов на основе соединений рутения.

0 Испытания опытной партии микросхем, содержащих резистивную схему с резисторами серии ПТР, показали, что уход номинала резистора при вжигании защитного сл составляет I -2 %, дрейф после подгонки не превышает 0,1 %. Стекло рекомендовано к внедрению в технологии толстопленочных микросхем.

0 Организовано опытное производство стекол марки ТС-1, АЬ-б и ПЧ-6.

0 Разработаны технологические режимы диффузионной сварки, обеспечивающие высокое качество соединения пластин в многослойные металлодиэлектри-ческие структуры с оптимальной прочностью.

На зяшиму выносятся следующие основные положения диссертационной работы:

- разработанные составы стекловидных диэлектриков для получения иного-аюйных мегаллодиэлситрических структур на основе электротехнической стали, алюминия и мели;

- технологический процесс создания многослойных структур "металл-лизлек грик " методом диффузионной сварки;

- модели физико-химического взаимодействия металлов со стекловидными диэлектриками, объясняющие механизм структуроойразования на границе раздела "мяалл-днэлектрик".

• режимы формирования многослойных структур, совместимые с технологическими процессами изготовления пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников.

Внедрение к использование результатов. Проведена технологическая апробация разработанных стекловидных материалов на муниципальном предприятии "СИЕТ-М"(г.Ярославль). Результаты апробации положительные. На заводе "Протон" изготовлена опытная партия стекла ПЧ-6, испс ьзуемая при изготовлении диэлектрических защитных паст в толстопленочных ГИС; изготовлена опытная партия фумигаторов на основе алюминия марки АД1 и стекла АЬ-6.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на:

• 1-Й научно-технической конференции СНГ "Состояние и перспективы развития пленочных нагревательных элементов" (г. Сочи, 1993);

- 14-й научно-технической конференции " Новые материалы для микроэлектроники на основе тугоплавких соединений (г. Туапсе, 1994);

. научно-технической конференции "Электроника и информатика-97" (г.Москва, 1997)

* - демонстрировались на выставке Госкомвуза РФ "Товары народного потребления" (г.Нижний Новгород, 1995,1996годы),

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе патент Российской федерации.

Публикации. По материалам работы опубликовано 4 статьи, 2 тезиса докладов, 1 патент РФ, Результаты диссертации вошли в качестве составной части в 3 научно-технических отчета. Основные результаты диссертации изложены в работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти 1 лав, выводов по работе и приложения. Работа состоит из 108 страниц машинописного текста, содержит 64 рисунка, 21 таблицу. Список литературы включает 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цепь работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе определены основные области применения многослойных структур. Показано, что одним из перспективных применений многослойных ме-таллодиэлектрических структур является создание магнитопроводов электрических машин. Определен технический уровень и тенденции их развития. Несмотря на большое разнообразие форм н размеров, конструктивно все пластинчатые маг-нитопроводы состоят из пластан магнитомягких металлов и диэлектрических слоев, исключающих возможность электрического контакта между металлическими пластинами. На основании анализа литературных данных установлены факторы, влияющие на свойства многослойных структур магнитопроводов. Показано, что основной проблемой, возникающей при создании магнитопроводов, является достижение требуемой совокупности магнитных и механических свойств всех составляющих их конструктивных материалов. Основной недостаток существующих пластинчаты магнитопроводов, заключающийся в снижении уровня структурно-чувствительных магнитных свойств готового изделия, по сравнению со свойствами базового материала, может быть устранен при использовании в качестве изолирующих слоев неорганических стекловидных диэлектриков. Однако используемые в настоящее время материалы для диэлектрических слоев в пластинчатых маг-китопроводах'имеют низкую температуроустойчивостъ и не выдерживают многократных термообработок. Установлено, что эффективным решением проблемы соединения и изоляции пластин электротехнической стали в многослойные структуры магнитопроводов с минимальным уровнем остаточных напряжений может быть использование в качестве диэлектриков ситаллоцементов. Показаны преимущества ситаллоцементов, позволяющих за счет своих уникальных свойств совместить процессы соединения пластин с восстановительным отжигом базового материала. Анализ литературных данных и существующих технологических процессов позволил выявить требования к многослойным структурам магнитопроводов. Сформулированы требования к материалам для их изготовления.

Проведен анализ информационных источников, посвященных стеклокри-

спллическим матч яллам. Для синтеза ситаллоцементов многослойных структур

\

на основе электротехнической стали выбрана стекл ©образующая система ВаО-ЛЬО]. ВгОз-БЮг.

Показано, что повышение эффективности и снижение стоимости многих видов промышленных лазеров в значительной степени зависит от качественных характеристик теплообмеиных аппаратов, используемых в их конструкциях. Определен технический уровень и тенденция развития матричных теплообменников. Установлено, что проблема достижения требуемой совокупности механических и теплотехнических свойств теплообменников до сих пор нь.. 'ешена.

Сформулированы требования к металлам и диэлектрикам для создания многослойных структур, применяемых в производстве матричных теплообменников. Установлено, что они определяются совместимостью материалов, технологией изготовления и условиями эксплуатации.

Анализ литературных данных показал, что наиболее полно сформулированным требованиям отвечают многокомпонентные стекловидные диэлектрики, синтезированные в стеклообразных системах РЬО-ВгОз-БЮ^ и РЬО-ВгОэ-5£лО.

Анализ методов получения диэлектрических покрытий на металлах показал, что наиболее перспективным с точки зрения получения качественных покрытий является метод электростатического нанесения.

Установлено, что проблема получения многослойных структур с заданными свойствами может быть решена при использовании метода диффузионной сварки, который позволяет производить соединение металлов через диэлектрические слон при невысоких температурах и небольших давлениях.

Таким образом, показано, что создание высоконадежных магнитопроводов электрических машин и матричных теплообменников требует постановки дополнительных исследований процессов физико-химического взаимодействия металлов с многокомпонентными стекловидными диэлектриками в условиях диффузионной сварки, а также изучения совместимости материалов и технологических процессов изготовления и эксплуатации приборов.

Результаты выполненного в первой главе анализа использованы кик базсоые для выбора направлений исследования,

Во второй глав« описаны методики синтеза стекол и исследования свойств монолитных диэлектриков, формирования пленочных элементов и многослойных структур, а тахже методы комплексного анализа структуры и физико-химических

свойств стекол, ситаллоцементов, пленок на их основе, многослойных структур, сформированных методом диффузионной сварки. Использовались современные методы исследований: дифференциально-термический, ренттснофазовый анализы, растровая электронная, оптическая микроскопии, рентгеновский микроанализ, методы исследования электрофизических свойств материалов, измерение магнитных характеристик многослойных структур в составе пластинчатых магиитопро-водов, измерение коэффициента теплопроводности и герметичности многослойных структур.

Третья глава посвящена разработке стекловидных диэлектриков для получения многослойных мсталлоди электрических структур. Приведены результаты исследований свойств стекловидных материалов в системах, ВаО-ВгОз-АЮэ-вЮг, РЬО-ВзСЪ-ЗЮз, РЬО-ВгСЬ-гпО, гозволившие выбрать стекла базового состава, а также результаты более подробного изучения свойств стекол и ситаллоцемента, влияния на них добавок оксидов вводимых в состав «сходного стекла.

Проведены исследования области стеклообразования в системе ВаО-ВзОз-АДОз-ЗЮ! . На основании анализа особенностей диаграмм "состав-свойства" высказано предположение, что в стеклах изученной системы в зависимости от концентрации БЮг и М(£) наблюдается переход ионов магния из модификаторов стеклообразного каркаса стекла в стеклообразователь, что приводит к резкому изменению свойств стекла. .

Проведены систематические исследования изменения структуры стекол в процессе их кристаллизации. Использование современных методов анализа в том числе высокотемпературного ренттенофазового, элехтронномихроскопичесхого и других позволило изучить кинетику кристаллизации стекол в системе ВаО-ВЮз-АЬОз-БЮг, определить температурные интервалы выделения и устойчивости кристаллических фаз, а также температуры фазовых превращений - в зависимости от концентрации основных компонентов и добавок, а также режимов кристаллизации. Выявлены условия выделения кристаллических фаз для получения ситаллонементов с заданными свойствами.

Показано, что введение отдельных и комбинированных добавок, изменяя структуру'исходных стекол, интенсифицирует выделение различных кристаллических фаз. изменяет скорость и температуру кристаллизации материалов, величину

интервала растекания и позволяет получить ситаллоцементы с заданными термическими и электрическими свойствами.

Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что структура ситалло-цемеита на основе стекла ТС-1 двухфазна и состоит из Р-цельзиана и бората магния. Данные злектронномикроскопического анализа образцов ситаялоцементо» показали, что при температ/рах экзопиков на кривых ДТА при кристаллизации исходного стекла происходит объемная кристаллизация, количество кристаллической фазы составляет 40-о0 %, размеры кристаллов 1-2 мкм.

Показана возможность н эффективность определения по термограммам' массивных кристаллизующихся стекол технологических параметров (интервала растекания, температуры оплавления), определяющих режимы получения стекловидных покрытий и формирования многослойных структур. На основании сопоставления растекаемости ситаллоцемеито» и соответствующих кривых ДТА установлена связь между характером кривых ДТА и растекаемостыо.

Полученные результаты позволили разработать и синтезировать для создания многослойных структур пластинчатых магиитопроводов ситаллоцемент марки ТС-1, обладающий следующими свойствами:

- ТКЛР исходного стекла, 1/ град - 92 х 10-'

■ ТКЛР ситаллодамента, 1/град - 103 х 10-'

• Температура начала деформации, °С - «10

- Температура оплячления, "С . 800

- Диэлектрическая проницаемость • 8-10

- Тангенс угла диэлектрических потерь • 60х 10-«

Провекеи синтез и исследование свойств легкоплавких стекол в системе РЬО-ВгОз-'ьЮг для получения многослойных структур на основе алюминия. Проведено систематическое исследования вличния добавок оксидов 1-& групп периодической системы элементов на физические и химические свойства стекол. Установлено, что путем введения в исходные стекла комбинированных добавок (АЬОз, ШгОз.СиО.вЬгО)) в количестве от 001 до 10 мол.% можно в широких пределах варьировать смачивание стеклами металлических поверхностей, термическое расширение, кристаллизационную способность, устойчивость к кристаллизации и другие свойства стекол.

Показано, что только совместное введение в состав стекла добавок СиО, МлО, Са^О^, УгО; дает максимальный эффект повышения растекаемости и адгезии стекла к алюминию и его сплавам.

В результате проведенных систематических исследований кристаллизационной способности, термического расширения, растекаемости, адгезии, диэлектрических свойств легкоплавких стекол системы РЬО-ВгОэ-ЗЮг синтезирован состав стекла марки А1-6, обладающий высокими термостойхостью, кристаллизационной устойчивостью, адгезией к алюминиевому сплаву АД I. Указанное стекло обладает следующими свойствами:

- ТКЛР, (/град .120x10-'

- Температура начала деформации, °С • 430

- Температура оплавления , °С • 500-520

• Растекаемость , мм - 5 - 8

- Адгезия к алюминию, МПа - 15-18

- Термостойкость, °С -85-100

На состав стекла получен патент России № 2081069 от 10.06.97 г.

Проведен синтез и исследование свойств стекол в ситемч РЬО-ВгОз-2пО для получения многослойных структур на основе меди. Систематическое исследование свойств стекол указанной системы от введения различных добавок позволило синтезировать стекло марки ПЧ-6, отвечающее комплексу требований для покрытий на меди.

В четвертой главе проведены исследования закономерностей формирования многослойных структур "сталь-диэлектрик" методом диффузионной сварки.

Изучено влияние различных видов обработки исходного металла на микрогеометрию поверхности стали. Установлено, что для улучшения микрогеометрии поверхности стали целесообразно проводить ее оксидирование. Прочностными испытаниями на "сдвиг" оптимизирована толщина оксидной пленки, которая составляет 3-5 мкм.

Термодинамический анализ возможност и взаимодействия железа с оксидами, входящими в сос ч ситаллоцементов, показал, что прямое взаимодействие невозможно. Термодинамически разрешимо взаимодействие гематита, созданного на поверхности железа, с оксидами бария и магния с образованием в переходных слоях химических соединений МяРегО«, ВаРеиОн . Присутствие этих фаз подтверди-

ли данные микрорентгеноспектрального исследования границы раздела стали марки 1521 и стекла ТС-1. Установлено, что гранииа раздела сформирована за счет взаимодействия гематита с окс-здом магния с образованием новой фазы - железо-магниевой шпинели MgFejO« . Проведенные исследования подтвердили правильность выбора стекла марки ТС-1 для получения многослойных структур пластинчатых магнитопроаодов.

Металлографические исследования многослойных структур показали, что новое химическое соединение на границе раздела образуется при температуре 800° С н времени выдержки 60 минут. Толщина переходного слоя при указанных режимах составляет 4-5 м*м при обшей толщине диэлектрика 40 мкм. Наличие в переходной зоне нового химического соединения подтверждается исследованием микротвердости структур, сформированных при различных температурах. Установлено, что сгруктуры, сформированные при температуре 800° С, имеют поверхность раздела, отличающуюся по микротвердости от микротвердости стали и сн-галлоцемента.

Исследовано влияние технологических параметров диффузионной сварки н толщины диэлектрического покрытия на механические и магнитные свойства многослойных структур "металл-диэлектрик". Установлены оптимальные параметры шффузионной сварки, обеспечивающие высокое качество соединения с оптималь-юй прочностью и минимальным уровнем остаточных напряжений. Максимальная фочносгь соединения (40-50 Мпа) может быть получена при следующих режимах: = 800» С; х-- 60 мин.; Р - 5-6 Мпа при толщине слоя диэлектрика 15-20 мкм.

Установлено, что разработанные режимы соединения пластин с использова-1иемситаллоцементаТС-1 совместимы с технологией изготовления пластинчатых агнитопроводов и позволяют эксплуатнрсвать полученные изделия в экстре-|альных уровнях: повышенные температуры, ударные нагрузки и т.д. Примене-ие разработанной технологии позволяет;

- совместить восстановительный отжиг стали е формированием пакета маг-нтопровода и, тем самым, сократить технологический процесс в 2-2,5 раза;

- повысить магнитные характерисгики магнитопроводов', аншы, удельные агнитные потери на 26 %,

что обеспечивает возможность создания более мощных машин при сохране-ти веса и габаритных размеров магнитопровода.

Пятш глхв» посвящена исследованию закономерностей формирования многослойных структур "алюминий-стекло" методом диффузионной сварки.

Изучение влияния различных видов обработки алюминия на состояние его поверхности перед процессом нанесения стеклопорошка проводили методами рентгеновской фотоэлектронной микроскопии и рентгеиоструктурного анализа. Установлено, что химическая обработка алюминиевого сплава АД1 приводит к уменьшению толщины оксидного слоя на его поверхности, что является весьма существенным для получения качественного соединения алюминиевых пластин через слой стекловидного диэлектрика. При этом прочность соединения тем выше, чем тоньше оксидная пленка на алюминии.

В результате металлографических исследований установлено, что в зоне соединения "алюминий-стекло" наблюдаются участки с различной микроструктурой и толщиной зоны соединения. Постоянно присутствующая на поверхности алюминия оксидная пленка является основным препятствием для диффузионного взаимодействия алюминия и стекла. Однако в процессе нагрева оксидная пленка может разрушаться из-за разницы в коэффициентах термического расширения алюминия и оксида. Толщина оксидной пленки составляет 50 А.

Предложены модели физико-химического взаимодействия алюминия со стеклом, объясняющие механизм структурообразования в контактной зоне. Установлена значительная неоднородность переходных слоев. В зоне соединения образуются продукты реакций присоединения, например, химические соединения типа: РЬгТпВгОб. РЬ5В*Ог,', РЬРе»Оу, РЬ,В»0, что является барьером для дальнейшей вЗаимной диффузии компонентов стекла и алюминия и обеспечивает прочность соединения.

Проведено исследование влияния режимов диффузионной сварки на физико-химические свойства структур "алюминий-стекло". На основании проведенных исследований установлено, что температура и режим оплавления диктуются рядом факторов: степенью дисперсности стеклопорошка и его склонности к кристаллизации, материалом подложки, толщиной пленки, временем выдержки при оптимальной температуре и скоростью подъема и снижения температуры.

С целью вы >ра оптимальных режимов формирования оптимальных структур проведены исследования зависимости прочности соединения пластин от параметров диффузионной сварки: температуры, давления и времени выдержки, а также от толщины стекловидного покрытия. В результате проведенных исследований

установлено, что для достижения требуемой совокупности тепловых и механических свойств многослойных структур на основе алюминиевого сплава АД 1 и стекла AL-6 оптимальными режимами диффузионной сварки являются:

Температура формирования, »С 520-540;

Давление сжатия, М Па 1,0-1,5 ;

Время изотермической выдержки, мин. 20 - 30 ;

Толщина слоя диэлектрика, мкм 8-10 .

Многослойные структуры матричного теплообменника, сформированные по оптимальным режимам, подвергали испытаниям на термсщиклирование. Результаты испытаний показали, что герметичность каналов матричных теплообменников сохраняется при 14атм. «осле 40 термоциклов (от-170°С до + !00°С).

Модули теплообменников, изготовленные по разработанному технологическому процессу, легкие, прочные и компактные, обеспечивают эффективный теплообмен двух и более потоков в установках холодильной, криогенной техники, а также при термостатировании в химическом производстве.

Таким образом, разработанные материалы и технологические режимы формирования многослойных структур "алюминий-стекло" обладают функциональной совместимостью с режимами формирования и эксплуатации матричных теплообменников.

Основные результаты работы и выводы.

1. Критический анализ научно-технической 'и патентной литературы позволил установить, что существующие в настоящее время проблемы создания многослойных структур пластинчатых магнитопрсаодов и матричных теплообменников с улучшенными показателями эксплуатационных.характеристик могут быть решены путем применения многокомпоиентныч стекловидных неорганических диэлектриков за счет высокой прочности соединения пластин и большой величины сопротивления изоляции. Показано, что известные в настоящее время стекла и си-таллы не отвечают специальным требованиям, предъявляемым к нес, .аническим диэлектрикам для создания таких многослойных структур.

2. Впервые разработаны основы получения многослойных (количество слоев более 200) металло-диэлектрических структур с применением многокомпонентных стекловидных диэлектриков. Научно обоснована замша-оргмтчесхих материалов

на неорганические стекловидные диэлектрики при создании многослойных структур пластичных магнитопроводов и матричных теплообменников.

3. Установлено, что проблема получеши многослойных металлодиэлектриче-ских структур матричных теплообменников и пластинчатых магнитопроводов с заданными свойствами может быть решена при использовании метода диффузионной сварки, который позволяет производить соединение металлов через диэлектрические слои при невысоких температурах и давлениях.

4. Проведены систематические исследования области стеклообразованад и физико-химических свойств стекловидных материалов в выбранной части системы BaO-AlzOj -BjOj-SÍOj . Установлена область составов исходных стекол для ситал-лоцементов. Теоретически и экспериментально обоснован базовый состав исходного стекла для ситаллоцемента. Экспериментально установлено значительное влияние на кинетику кристаллизации стекол и порядок выделения фаз малых доба-"<Ч оксидов, режимов кристаллизации и выявлены условия выделения кристаллических фаз для получения ситаллоцементов с заданными свойствами. Показано,

го введение отдельных и комбинированных добавок, изменяя структуру исходных стекол, интенсифицирует выделение различных кристаллических фаз, изменяет скорость и температуру кристаллизации материалов, величину интервала растекания и позволяет получать ситаллоцементы с заданными термическими и электрическими свойствами.

Оптимизация введения легирующих добавок позволила синтезировать ситал-доцемент марки ТС-1, отвечающий требованиям к диэлектрикам для создания многослойных структур пластинчатых магнитопроводов,

5. Проведены систематические исследования влияния добавок оксидов металла физические и химические свойства стекол систем PbO-Bj Oj -SiCh и

РЬО -fhOj-ZnO. Показано, что только совместное введение в состав стекла доба-рок CuO, MnO, Gaj Oj VjOs дает максимальный эффект повышения растекаемос-' щ и адгезии стекла к алюминию и меди. В результате проведенных систематических исследований кристаллизационной способности, термического расширения, растекаемости, адгезии, диэлектрических свойств легкоплавких стекол синтезированы составы стек i марок AL-6 и ПЧ-б, отвечающих комплексу требований для создания многослойных структур на алюминиевом сплаве АД! и меди при производстве матричных теплообменников. На состав стекла марки ПЧ-6 получен патент России.

6. Предложен и научно обоснован механизм взаимодействия ситаплоцемента ТС-1 и стали марки 1521 при создании многослойных структур "металл-диэлектрик", Методом микрорентгеноспектрального анализа установлено, что граница раздела сформировала за счет образования новой фазы - железо-магниевой шпинели которая обеспечивает прочное соединение разнородных материалов. Исследование влияния технологических параметров диффузионной сварки на механические и магнитные характеристики многослойных структур "металл-диэлектрик" позволили определить оптимальные режимы формирования пакетов магните проводов, обеспечивающие высокое качество соединения с оптимальной прочностью и минимальным уровнем остаточных напряжений. Зпервые проведены исследования совместимости разработанных материалов и технологических режимов с технологией изготовления пластинчатых магнитопро-юдов. Установлено, что разработанные материалы и технологические режимы юзволяют повысить магнитные характеристики магнитопроводов, снизить удель-|ые магнитные потери и , тем самым, создают условия для эксплуатации изделий в кстремальных условиях.

7. Предложены модели физико-химического взаимодействия алюминия со техлом АЬ-6, объясняющие механизм структурообразовьния в переходной зоне. 1сследовано влияние технологических параметров диффузионной сварки на теп-овые и механические свойства многослойных структур "алюминий-стекло". Определены оптимальные режимы диффузионной сварки. Впервые проведено ис-тедованне функционал! той совместимости материалов и технологииеских режи-ов формирования многослойных структур "алюминий-стекло" с режимами фор-ирования и эксплуатации матричных теплообменников.

8. Освоено опытное производство стекол марки ТС-1, АЬ-6, ПЧ-6. Стекло Ь-б внедрено на муниципальном предприятии "СИЕТ-М" в производстве много-юйных структур на основе алюминия для использования в фумигаторах.

9. Стекло марки ПЧ-б прошло апробацию для использования в составе днэ-ктрических защитных паст в толстопленочных микросхемах с рутениевыми ре-сторами. Установлено, что уход номинала резисторов при вжигании защитного оя составляет 1-2 %, дрейф номинала резистора после подгонки не превышает I %, что обеспечивает повышение качества гибридных микросхем. Стекло реко-ндовано к внедрению в технологии изготовления толстопленочных микросхем зличного назначения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. НТО "Цикада", - Исследование возможности создания стекловидных диэлектриков для получения слоистых композиций методом диффузионной сварки. М.: МИЭТ, 1988 - 91 с.

2. НТО "Хижина" - Разработка новых конструкционных материалов и технологических процессов для изготовления многослойных структур пластинчатых магнитопроаодов. М.: МИЭТ, 1992.

3. Петрова В.З., Чиликина М.В., Тихонова И.Е. Оптимизация технологического процесса получения многослойных структур "металл-диэлектрик" методом диффузионной сварки. - в сб. научных трудов "Активируемые процессы технологии микроэлектроники". М.: МИЭТ, 1994, с.39-45.

4. Петрова В.З., Чиликина М.В., Чиликина Т.Д. Стекловидные диэлектрики для получения многослойных структур на основе алюминиевого сплава АД1. - в сб. научных трудов "Активируемые процессы технологии микроэлектроники". М.: МИЭТ, 1994,с.33-38.

5. НТО "Хвощ", Физико-химические основы создания легкоплавких стекловидных диэлектриков для защиты толстопленочных ГИС. М.: МИЭТ 1995.

6. Чиликина Т.Д., Воробьев В.А., Чиликина М.В. Проблема изменения номинала резисторов при вжигании защитных слоев. - в сб. научных трудов "Тугоплавкие соединения в микроэлектронике". Киев, АН Украины: 1996, с.78-83.

7. Петрова В.З., Чиликина Т.Д., Воробьев В.А., Чиликина М.В. Защита рутениевых резисторов стекловидными материалами при лазерной подгонке. Киев, АН Украины: 199й,с.83-86.

8. Петрова 0.3 , Чиликина Т.Д., Воробьев В.А., Чиликина М.В. Патент РФ N> 2081069, приоритет от 02.02.95, опубликовано 10.06.97.

9. Петрова В.З., Чиликина М.В., Чиликина Т.Д. Исследование закономерностей формирования многослойных структур "атомнний-стекло" методом диффузионной сварки. - в сб. трудов научно-технической конференции "Электроника и информатика-97".М.: 1997. (в печати).

10. Тихоном И.Е., Чиликина М.В. Исследование процессов физико-химического взаимодействия на границе раздела многослойных структур "металл-днэлектрик" - в сб. трудов научно-технической конференции "Электроника и ин-фсрматака-97".М.: 1997. (в печати).