Лекция 4

Тема 4. Конструкция и технология изготовления матричных и субматричных фпу.

Криостаты предназначены для установки в них и криостатирования фоточувствительных элементов (ФЧЭ) приёма теплового излучения в определенном спектральном диапазоне и заданной апертуре, обеспечении надёжной электрической связи с внешними источниками питания, устройствами управления и отработки сигнала.

Все криостаты можно разбить на два основных типа – газонаполненные криостаты и вакуумные криостаты (ВКК).

Газонаполненные криостаты до сих пор применяются при разработке современной аппаратуры. Неоспоримым преимуществом газонаполненных криостатов является относительная простота изготовления и эксплуатации и хранения в течение длительного времени (1215 лет) без проведения дополнительных регламентных работ для поддержания работоспособности изделий.

Однако существенным недостатком газонаполненных криостатов является повышенный теплоприток к ФЧЭ (по сравнению с ВКК) и более высокая проведённая охлаждаемая масса, что в свою очередь приводит к более высокой холопроизводительности охлаждающего устройства для обеспечения работоспособности фотоприёмного устройства.

Вакуумные криостаты лишены вышеуказанных недостатков и в настоящее время находят все большее применение при разработке современных специальных изделий.

На сегодня известны значительные количества конструктивных исполнений ВКК, которые предусматривают стыковку с различными системами охлаждения – такими как: ГКМ (интегральная и раздельная стыковка) дроссельная система охлаждения, дроссельная система охлаждения с «брызгающими» МКХ, радиационная система охлаждения, термоохладители.

Остановимся на рассмотрении типовой конструкции ВКК нашедшей наибольшее применение при разработке современной аппаратуры.

Создание надёжного ВКК для аппаратуры ВВТ требует решения целого ряда серьёзных технологических и конструктивных задач и, в ряде случаев, разработки специальных материалов (клеёв, сплавов, покрытий).

Наиболее труднодостижимым параметром вакуумного криостатируемого корпуса является сохраняемость в нем вакуума (а значит и величины теплопритоков) в течение всего гарантируемого срока работоспособности прибора – не менее 12,5 лет. Остальные составляющие величины теплопритока закладываются при проектировании криостата и не изменяются с течением времени.

Минимальным давлением, исключающим теплоперенос от стенок криостата к охлаждаемому ФЧЭ за счет теплопроводности, вызванной броуновским движением молекул остаточных газов, является давление 10^-4 мм. рт. ст. Следовательно, для сохранения теплопритока ВКК в течение 12,5 лет эксплуатации ФПУ, давление в вакуумной полости не должно превышать указанную величину.

Для решения этой сложной технической задачи при разработке конструкции и технологии изготовления ВКК необходимо соблюдать определенные требования при выборе конструкционных материалов и способов их обработки.

Например, металлические материалы, применяемые при изготовлении ВКК, должны быть получены методом вакуумного переплава. Этот метод изготовления сплавов различного состава исключает, во-первых, повышенное газовыделение из приповерхностного слоя металла вследствие диффузии и, во-вторых, позволяет получать материал с меньшим количеством газовых пор, свилей, волосовин, которые могут быть вскрыты механической обработкой при изготовлении деталей ВКК.

Изготовление деталей ВКК из стандартных прутков методом токарной или фрезерной обработки в большинстве случаев приводит к появлению в стенках обрабатываемых деталей микротрещин, связанных с пересечением резцом границ, присутствующих в заготовке слоев металла. Поэтому для изготовления деталей этим методом должны применяться заготовки, прошедшие операции горячей ковки, в результате чего исключается слоистая структура металла. Однако и ковка не всегда гарантирует требуемую вакуумную плотность деталей.

Значительно лучшие результаты достигаются при изготовлении деталей криостатов различными методами холодной штамповки. При изготовлении деталей этим методом не происходит подрезание слоистой структуры металлов, более того, за счет формирования на поверхности штампуемого материала упроченного слоя (поверхностный наклеп), вакуумная проницаемость тонкостенного металла заметно уменьшается. Этот метод формообразования хорош во всех отношениях. Однако, необходимость разработки и изготовления сложных и точных штампов (часто для изготовления одной детали требуется до 5 технологических переходов, а значит и отдельных штампов) делает разработку и изготовление металлических деталей ВКК этим методом весьма дорогостоящей. Этот способ следует рекомендовать для изготовления ВКК при серийном производстве. Кроме того, при серийном производстве ВКК целесообразно применять такие прогрессивные способы формообразования, как штамповка взрывом, экструзия, давильная технология, которые также весьма дороги в реализации.

Остановимся на свойствах поверхности металлов, находящихся в вакуумной полости ВКК. Чем более шероховата поверхность металлов (чем более развита поверхность), тем больше на ней адсорбируется молекул газов, воды и иных загрязнений. Удалить полностью адсорбированные газы затруднительно, так как окончательная откачка полости ВКК проводится обычно при температуре не более 90 ⁰С, а полная десорбция требует 450 ⁰С. Поэтому необходимо стремиться к снижению шероховатости поверхности металлических деталей путем их полировки.

Технология электрополировки некоторых металлов хорошо освоена, однако и эти достаточно традиционные операции применительно к ВКК нежелательны, так как при их проведении поверхность металла насыщается водородом, легко диффундирующим затем в вакуумную полость.

Оптимальным способом снижения шероховатости поверхности внутренней полости стенок ВКК является вакуумное напыление металлов (например, алюминия), что резко снижает, во-первых, адгезию газов на поверхности металлов и, во-вторых, на порядок уменьшает коэффициент серости материала, дающий значительный вклад в составляющие величины теплопритока вакуумного криостата.

Для получения приемлемых величин теплопритока обеспечивается высокий класс обработки внутренних поверхностей ВКК – держателя, диафрагмы, корпуса (шероховатость – 0,16¸0,08 мкм), а также наносятся на эти поверхности отражающие покрытия со степенью черноты Е_п £ 0,03.

Конструкция типового вакуумного криостатируемого корпуса МФПУ.

Рисунок 1 ‑ Конструкция вакуумного криостатируемого корпуса

Вакуумный криостатируемый корпус представляет собой конструкцию, состоящую из держателя, с закрепленным на нем термодатчиком, корпуса с газопоглотителями и крышки с входным окном.

Держатель ВКК одновременно является гильзой вытеснителя газовой криогенной машины (ГКМ). На торце гильзы-держателя закреплен керамический наконечник, который является посадочным местом для блоков фоточувствительных элементов и других охлаждаемых элементов конструкции.

Для управления работой ГКМ на керамическом наконечнике установлен диодный датчик температуры.

Контактные площадки наконечника соединены с контактными площадками цоколя проводниками (диаметром 0,03 мм) из сплава платина (80 %) – иридий (20 %), обеспечивающим оптимальное соотношение теплопроводности и электрического сопротивления.

Крышка ВКК предназначена для его герметизации и представляет собой конструкцию, в состав которой входят:

- собственно крышка (корпус крышки), изготовленная из прецизионного сплава 29 НК ВИ с защитным покрытием (Ni);

- медный штенгель, предназначенный для откачки криостата;

- входное окно из германия, просветленное на заданный спектральный диапазон.

Входное окно герметично установлено в крышке на вакуумноплотное клеевое соединение и дополнительно загерметизировано индием.

Корпус ВКК изготовлен из прецизионного сплава 29 НК ВИ.

В верхней части корпуса ВКК расположен металлокерамический цоколь (вакуумноплотно соединенный с основной конструкцией), предназначенный для коммутации электрических сигналов из внутреннего вакуумированного объема ВКК к внешним электронным блокам.

Для повышения виброустойчивости и ударопрочности между трубкой держателя и корпусом ВКК установлена четырех лепестковая распорка, изготовленная из материала с низкой тепловодностью (ВТ6).

Конструкция распорки обеспечивает точечный контакт на «холодном» конце держателя, обеспечивая минимальный теплоприток от конструкции к охлаждаемому наконечнику.

Для обеспечения теплофизических параметров изделия внутренний объем ВКК должен откачиваться до давления остаточных газов не выше 10^-8 Торр. Откачка производится через медный штенгель, впаянный «твердой» высокотемпературной пайкой (припой ПСР-72). После откачки штенгель перекусывается специальными кусачками, обеспечивающими холодную (диффузионную) сварку-пайку стенок штенгеля, в результате которой осуществляется герметизация вакуумного объема ВКК.

Сохранение вакуума в полости ВКК обеспечивается выбором оптимальных конструкционных материалов, входным контролем качества материалов деталей конструкции ВКК, технологией изготовления деталей конструкции, технологией сборки и откачки.

Поддержание и восстановление необходимого вакуума полости ВКК обеспечивается периодической активацией (один раз в год) газопоглотителей (геттеров), расположенных на внутренней стенке ВКК. Электрические гермовыводы геттеров, необходимые для их активации, выведены на наружную поверхность ВКК.

Герметизация ВКК после установки МФЧЭ с БИС считывания осуществляется лазерной сваркой, для реализации которой специально подготовлены кромки крышки и корпуса ВКК.

Конструкция крышки и корпуса предусматривает возможность повторной герметизации.

Охлаждение керамического наконечника, закрепленного на держателе -гильзе, осуществляется газовой криогенной машиной с линейным проводом, работающей циклу Стирлинга, интегрально состыкованной с ВКК. Управление работой ГКМ осуществляется с помощью блока управления по команде датчика температуры, установленного на охлаждаемом наконечнике.

Конструкции ВКК и МКС обеспечивают их взаимозаменяемость при стыковке по присоединительным и посадочным местам без дополнительной юстировки и специальной оснастки, а также обеспечивают невозможность их неправильной установки и включения.

Технология изготовления вакуумных криостатируемых корпусов во многом повторяет технологические приемы изготовления серийных газонаполненных криостатов. Аналогичны технологии лазерной сварки деталей, пайки вакуумноплотных металлокерамических узлов, контактной сварки, разварки выводов.

Ниже остановимся на особенностях технологии изготовления ВКК ‑ на операциях и условиях их проведения, отличающихся от серийных (традиционных).

Изготовление многослойных керамических цоколей

На рисунке 1 приведена конструкция многослойного керамического цоколя.

Рисунок 1  ‑ Конструкция многослойного металлокерамического цоколя

На отливаемую пластичную керамическую пленку толщиной 0,2 мм методом трафаретной печати наносится металлизационная паста с необходимым рисунком.

Пленки сослаиваются в требуемой последовательности при изостатическом давлении и затем подвергаются обжигу при температуре 1580⁰С. После обжига образуется монолитная деталь с токоведущими дорожками в однородном керамическом теле.

Такая технология позволяет получать токовыводную систему, не подверженную (в отличие от металлостеклянной) изменению вакуумной плотности при любых механических воздействиях.

Уплотнение германиевых входных окон индием

Операция выполняется на гидравлическом прессе. Предварительно формируется полоса индия необходимой ширины и толщины, производится её обезжиривание и травление. Подготовленная таким образом полоса заполняет зазор между германиевым входным окном и крышкой ВКК. Заключительной операцией является проверка вакуумной плотности сборки.

Проверка вакуумной плотности

Все вакуумные технологические операции, выполняемые при изготовлении ВКК, должны проводиться на установках с безмасляными средствами откачки. Это же относится и к многочисленным операциям проверки вакуумной плотности, как отдельных узлов ВКК, так и всего изделия в целом.

Во-первых, используемый течеискатель должен иметь безмасляную откачку и, во-вторых, чувствительность течеискателя должна быть не хуже 5×10^-13 Па м³/сек. Только при такой чувствительности можно определить негерметичность многочисленных швов, не приводящую к потере вакуума во внутренней полости ВКК в течение срока хранения. В этом случае снижение вакуума во внутренней полости ВКК будет происходить только вследствие

десорбции различных молекул с поверхности вакуумной полости, с которыми легко может справиться встроенный геттер.

Соединение узлов и деталей ВКК

Отдельные детали вакуумного криостатируемого корпуса собираются в единую конструкцию методами сварки и пайки высокотемпературными припоями.

Из сварочных технологий предпочтение отдано сварке лазерной, а из высокотемпературных припоев ‑ серебру и ПСР-72В.

Лазерные методы сварки хороши для вакуумных технологий тем, что сварной шов (ванна металла) формируется в защитной среде – аргоне. Это позволяет получить сварной шов с высокой однородностью, отсутствием газовых включений и пористых окисных пленок на поверхности расплава.

Серебро и эвтектический припой ПСР-72В (Ag – 72 %, Cu – 28 %) обладают высокой пластичностью и термоустойчивостью, хорошо смачивают паяемые разнородные материалы и не содержат элементов с высоким давлением пара. Кроме того, марка припоя с индексом «В» изготавливается методом вакуумного переплава.

При монтаже фоточувствительного элемента на охлаждаемую поверхность держателя или гильзы ГКМ не удаётся избежать применения клеевого соединения. Требования к клеям, работающим в вакууме, следующие:

- отсутствие разложения при длительном пребывании в вакууме;

- отсутствие газовыделения за счёт непрореагировавших компонентов клея и загрязняющих продуктов примесей;

- выдерживание многочисленных термоударов до криогенных температур без потери прочности.

Этим требованиям удовлетворяет анаэробный герметик марки «Анатерм 117ВМ», который серийно выпускается по ТУ 6-02-238-94 (НИИ Полимеров им. В.А. Каргина, г. Дзержинск, Нижегородская область). Это однокомпонентный клей, полимеризующийся в отсутствии кислорода при комнатной температуре в течение 3-4 часов. Клей выдерживает прогрев до температуры 300 ⁰С и сохраняет прочностные свойства (18-20 МПа) до температуры 80 К. Единственным недостатком данного клея, вытекающим из его достоинств, является абсолютная устойчивость к действию всевозможных растворителей. Разрушить клеевое соединение можно только механически, приложив усилие, превышающее величину адгезионной прочности. Это свойство клея налагает повышенные требования к точности совмещения деталей при склеивании и делает невозможным регенерацию.

Операция финишной откачки изделия

Данная операция является наиболее длительной, сложной и противоречивой во всей технологической цепочке изготовления изделия.

Откачка проводится при помощи безмасляной вакуумной системы с предельным вакуумом не хуже 10^-8Торр.

Сложность операции заключается в том, что нельзя проводить прогрев откачиваемой конструкции до температуры, превышающей 60⁰С.

Прогрев корпуса ВКК до более высокой температуры (140⁰С – определяется индиевым уплотнением) с одновременным охлаждением ФЧЭ, практически приводит к переносу десорбированных с поверхности корпуса молекул на более холодную область. Из-за этого эффективность такого прогрева крайне низка.

Для сокращения времени и повышения качества откачки перед сборкой ВКК необходимо проводить предварительное обезгаживание отдельных узлов криостата при высоких температурах и осуществлять хранение узлов в вакууме, или в осушенной атмосфере, а также сократить время проведения монтажных операций.

В настоящее время единственным способом получения требуемого вакуума во внутренней полости ВКК является длительная глубокая откачка (2-3 недели) с минимальным допустимым прогревом и повышенной скоростью откачки через штенгель.

Особое внимание при откачке ВКК следует уделять режимам активации нераспыляемого геттерного узла. Первичную и последующее активации осуществляют пропусканием по нагревателю геттера электрического тока, одновременно вспомогательным насосом откачивают выделяющиеся газы.

В термодесорбционном спектре геттера к примеру присутствуют размытые пики соответствующие выделению водяных паров (320500К), оксида углерода (360…1050К) десорбция водорода происходит в интервале 400-1050К. Тяжелые активные газы – водяные пары, азот, оксид углерода, кислород поглощаются практически необратимо, образуя устойчивые химические соединения. Инертные газы геттером не сорбируются. Углеводороды поглощаются лишь при высоких температурах и очень малой скоростью она составляет 1% скорости сорбции оксида углерода (при 1000К).