Спосіб теплопровідного склеювання матеріалів з різними коефіцієнтами температурного розширення

Винахід відноситься до технології приладобудування і може бути використаний на підприємствах оптикоелектронного приладобудування при виготовленні високоточних приладів, що містять чутливі елементи та датчики з оптичних та напівпровідникових матеріалів, наприклад, при складанні фотоприймальних пристроїв тепловізору. Відомо, що при складанні датчиків та чутли вих елементів необхідно з'єднувати деталі з різнорідних матеріалів, що відрізняються між собою фізико-хімічними властивостями. Одною з найбільш широко розповсюджених те хнологій є склеювання. Для якісного склеювання [1] поверхні склеюваних деталей механічно обробляють для забезпечення їх прилягання одне до одної з мінімальним зазором, обезжирюють, наносять клей, притискають деталі одну до одної для видалення залишків клею та полімеризують клей по визначеному режиму (час, температура). Однак, при склеюванні різнорідних матеріалів з різними коефіцієнтами температурного розширення, теплоємністю та теплопровідністю виникають проблеми забезпечення міцності та надійності клеєних з'єднань. Наприклад, при складанні фотоприймальних пристроїв тепловізору виникають проблеми працездатності чутливи х елементів при температурних впливах. Сучасні тепловізори структурно складаються з оптичної системи (ОС), вузла оптико-механічного сканування (ВОМС), фотоприймального пристрою (ФПП) з мікрокриогенної системи охолодження фоточутливи х елементів, електронних блоків керування і формування телевізійного зображення та дисплея. Конструктивно елементи тепловізора ОС, УОМС і ФПП розташовуються в єдиному корпусі для забезпечення і збереження юстування. У ФПП крім фоточутливих елементів у вигляді лінійки або матриці входять оптичний кріостат та система охолодження і кріостатування. ФПП механічно з'єднується з корпусом тепловізора через фланець. Для первинної обробки оптичного сигналу, що полягає в почерговому опитуванні елементів фоточутливої лінійки або матриці, мультиплексуванні каналів зчитування інформації та посиленні сигналу використовують спеціальний сигнальний процесор на основі кремнієвої мікросхеми. Для забезпечення електричного контакту фоточутли вих елементів із кремнієвою мікросхемою (гібридної збірки), застосовують спосіб «переверненого монтажу» (flip-chip метод) за допомогою контактних стовпчиків з індію [2]. Для забезпечення механічного з'єднання гібридної збірки з зоною кріостатування та електричного з'єднання з електронними блоками тепловізора застосовують сапфірову підкладку (як матеріал з високими показниками теплопровідності, механічною міцністю та високими діелектричними властивостями). Гібридна збірка та сапфірова підкладка з'єднуються між собою за допомогою клею. Для забезпечення електричного з'єднання виводів кремнієвої мікросхеми та електронних блоків тепловізору на сапфіровій підкладці за допомогою напилення та фотолітографії формують золоті стр умопровідні доріжки [3]. В якості матеріалу деталі зони кріостатування (торець "холодного пальцю" оптичного кріостату) використовується мідь (теж як матеріал з високою теплопровідністю). При подальшому клеєвому з'єднанні сапфірової підкладки з мідним торцем холодного пальцю внаслідок значної різниці КТР з'єднувальних деталей виникають механічні напруги, що можуть призвести до руйнування цього вузла. Насамкінець це може призвести до відмови функціонування тепловізора. В деяких ФПП для забезпечення гарантованої якості механічного з'єднання та стійкості до термоциклювання від кімнатної (Т=300К) до азотної (Т=77К) температури при експлуатації тепловізора використовують проміжну деталь (пристрій демпфуючий теплопровідний - ПДТ) між сапфіровою підкладкою та мідним торцем. Ця деталь має на торці тонкий шар теплопровідної мастики, а спеціальний утримувач механічно притискає сапфірову підкладку до ПДТ [4 ]. Недоліком цього рішення є підвищення еквівалентної охолоджуваної маси (за рахунок додаткових деталей ПДТ та механічного утримувача) та збільшення кількості з'єднань, що зменшує теплопередачу до лінійки фоточутли вих елементів. Це призводить до збільшення часу виходу на тепловий режим та підвищує вимоги до потужності холодильної машини, а також негативно впливає на надійність і збільшує вірогідність відмов приладу в цілому. В деяких випадках для збереження цілісності та забезпечення морозостійкості датчиків використовують сполуки клеїв з різною еластичністю [5]. Однак, при роботі в умовах глибокого охолодження до кріогенних температур (наприклад, при температурі кипіння рідкого азоту 77К) надійність клеєних з'єднань деталей з різнорідних матеріалів є недостатньою. Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, та прийнятому за прототип, є спосіб підвищення термостійкості за допомогою введення в клей мілкодисперсних наповнювачів - порошків окислів, нітридів, металів. Найбільш термостійкими клеями в умовах кріогенних температур є композиції на основі епоксиднокремнієвої смоли Т-111 та поліаміду Л-20 (клей К-300, К-400), в які за допомогою змішування введені порошки нітриду бору, оксиду титану [6, 7]. Недоліком прототипу є недостатньо висока надійність клеєного з'єднання при термоциклюванні до кріогенних температур і порівняно низька теплопровідність клеєвого з'єднання. Задачею винаходу є підвищення надійності клеєвого з'єднання матеріалів з різними КТР при термоциклюванні до кріогенних температур і одночасно досягнення високих показників теплопередачі між склеюваними об'єктами. Поставлена задача досягається тим, що після попередньої механічної обробки склеюваних поверхонь, їх обезжирювання, проводиться нанесення на поверхні з'єднуваних деталей композиції з клею на основі органічних сполук та алмазного мікропорошку наповнювача в кількості 10-15 об'ємних відсотків, поверхні притискають одне до одної, а після притискання склеюваних (з'єднуваних) поверхонь їх додатково механічно притирають одне до одної та полімеризують клеєву композицію. Позитивний ефект від реалізації запропонованого способу пояснюється декількома факторами, що комплексно доповнюють друг друга. По-перше, при механічному впливі алмазних зерен відбувається механічне видалення поверхневих плівок і клей безпосередньо взаємодіє зі свіжеутвореними ювенальними поверхнями з'єднуваних матеріалів, що забезпечує високу міцність адгезіонного зв'язку. По-друге, безпосередня взаємна притирка забезпечує максимальне прилягання і мінімальний та однорідний з'єднувальний шар. По-третє, після полімеризації алмазний порошок, являючись надтвердою складовою композиції, підвищує її міцність. Почетверте, алмаз має високу теплопровідність, що забезпечує високу теплопровідність клеєвої композиції, швидке вирівняння температурного поля та зменшує термічні напруги при термоциклюванні. При кімнатній температурі теплопровідність алмазу в чотири рази перевищує теплопровідність міді і сапфіру, а при температурі кипіння рідкого азоту теплопровідність алмазу вища більш, ніж на порядок [8]. Для перевірки ефективності запропонованого технічного рішення були виготовлені зразки 10х12 мм з лейкосапфіру товщиною 0,2 мм з полірованими поверхнями пластин. Зразки приклеювали до мідного торцю оптичного кріостату, що є складовою частиною ФПП. (Див. фіг.1, на якій зображено ФПП, що складається з оптичного кріостата (1), гібридизованої фоточутливої лінійки або матриці (2), розташованої на сапфіровій підкладці (3), з'єднання сапфірової підкладки з «холодною» частиною гільзи (5) охолоджувача ГКМ (6) виконується за допомогою алмазно-полімерного клеєвого композиційного шару (4).) Для порівняння частину зразків клеїли відомим способом, використовуючи клей К-300 з наповнювачем - 10-20 об. відс. нітриду бору, а на частину зразків наносили композицію клей К-300 з введеним алмазним мікропорошком зернистістю 10/7¸1/0 в кількості 10-20 об'ємних відсотків. Кількість наповнювача вибиралась з наступних міркувань: з одного боку маленька кількість не дасть змоги досягти відчутного позитивного ефекту, а з іншого - при великій кількості наповнювача клеєва композиція стає занадто густою та втрачає свої технологічні якості. Потім пластини з шаром алмазно-клеєвої композиції притирали до мідної поверхні торцю кріостату. Було помічено, що якщо на цій стадії відмити ацетоном поверхні мідної та сапфірової деталей, то можна легко побачити сліди механічної обробки по свіжеутвореній шорсткості поверхонь, а на міді, крім того, по кольору, за рахунок видалення оксидної плівки. Після полімеризації алмазно-клеєвої композиції (згідно рекомендаціям [6], [7]) проводилась багатократна заливка кріостата рідким азотом з контролем температури на сапфіровій пластині. Результати випробувань (фіг.2) показали, що в запропонованому способі теплопровідність збільшилась на 25% порівняно з відомим способом. Крім того збільшилась надійність - при багатократному (10 раз) термоциклюванні щонайменше 10 зразків не зафіксовано випадків відклеювання сапфіру, в той час коли для клею К-300, К-400 такі випадки були. Література: 1. Справочник технолога оптика. Под редакцией С.М. Кузнецова, М.А. Окатова, Ленинград, «Машиностроение», 1983 г., С.351-362. 2. Патент Ru №2131632 с, МПК HО1L 31/18, опубл. 10.06.99 Способ сборки фотоприемных устройств. 3. П.А. Богомолов, В.И. Сидоров, И.Ф. Усольцев. Приемные устройства ИК-систем, М, Радио и связь, 1987, C.65-66. 4. Ю.С. Трошкин и др. Микрокриогенные системы с газовой криогенной машиной по конструктивной схеме Сплит-Стирлинга для охлаждения фотоприемных устройств. Прикладная физика №4, 1999 г., C.79-83. 5. В.П. Маслов и др. Способ соединения оптических деталей, А.с. 1325029, опубл. 23.07.87 г., бюл. №27. 6. А.П. Петров, Термостойкие клеи, М, Изд. "Химия", 1977, С.191-192. 7. И.Д. Калинина, Т.А. Мельникова, И.А. Земскова. Клеевые композиции, их свойства и применение. Обзоры по электронной технике, серия 6, Материалы, вып. 10, 1985, М, ЦНИИ "Электроника", с.54. 8. Алмаз, справочник, Киев, «Наукова думка», 1981, С.36-43.