КОНСТРУКЦИЯ УЗЛА ДЛЯ ВАКУУМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Полезная модель относится к устройствам крепления полупроводниковых структур к металлическим пластинам, которые применяются в электронике для создания прочных соединений, например, при креплении тонких матриц к металлическому основанию.
Известны узлы крепления полупроводниковых структур к металлическим основаниям на базе органических клеевых композиций на основе модифицированных эпоксидных и фенольных смол (см., например, патент № CN 102627928 от 08.08.2012 «Низкотемпературный отверждающий клей и способ его изготовления, применяемый для модулей камеры», патентообладатель LIANYUNGANG HUAHAICHENGKE ELECTRONIC MATERIALS СО LTD, Кл. МПК C09J 11/06; C09J 163/00). Данные конструкции обладают механической прочностью в различных условиях эксплуатации. Недостаток данных конструкций заключается в том, что клеи на базе органических соединений обеспечивают значительное газоотделение, поэтому их применение для соединения деталей и узлов в вакуумных приборах исключено. Кроме того, продукты газоотделения отравляют фотокатоды.
Известны узлы вакуумных приборов, состоящие из полупроводниковой структуры и металлического основания, соединенные механическим креплением (см, например, патент US №4044374, от 23.08.1977 «Основание полупроводникового прибора, пригодное для применений в вакуумных приборах», патентообл. TEXAS INSTRUMENTS INC, Кл. МПК H01J 29/02; H01J 29/92; H01J 31/26; H01J 9/24; H01L 23/498). Узел представляет собой полупроводниковую структуру, соединенную с металлическим основанием прижимными элементами, специальными скобами или пружинными элементами, которые, как правило, являются металлическими. Недостаток данной конструкции заключается в следующем: в ряде применений требуется подавать на полупроводниковую структуру некоторое напряжение (2-6 Вольт) относительно металлического основания для настройки прибора, например фоточувствительной матрицы. При креплении металлическим прижимным элементом это невозможно сделать, так как при подаче напряжения на матрицу, металлическое основание тоже окажется под напряжением.
3
4
2
2
Известны конструкции узлов, в которых соединения полупроводниковых структур с металлическими основаниями выполнено с применением неорганических клеевых композиций на основе алюмофосфатной связки (АФС). (см. «Неорганические клеи», автор - М. М. Сычев, Ленинград, Химия, 1986 г., стр. 72). Алюмофосфатная связка представляет собой раствор кислых фосфатов, содержащих кристаллическую алюмофосфорную кислоту (AlHPO)×3HO и частично аморфную фазу. Данная конструкция соединения выбрана в качестве прототипа, поскольку обеспечивает механическую прочность, низкое газоотделение и электроизоляцию. Такие соединения пригодны к использованию в вакуумных приборах. Недостатком данных креплений является отсутствие необходимой механической прочности, так как после полимеризации связка АФС становится хрупкой. При механических нагрузках, таких как одиночные и неоднократные удары, синусоидальная вибрация, данные соединения разрушаются.
Задача настоящей полезной модели заключается в создании конструкции узла для вакуумного фотоэлектронного прибора, обеспечивающей прочность к воздействию механических ударов и синусоидальной вибрации, низкое газоотделение, а также изоляцию полупроводниковой структуры от металлической подложки. Технический результат так же заключается в упрощении конструкции узла для вакуумного фотоэлектронного прибора, а именно в снижении трудоемкости изготовления металлического основания за счет отсутствия необходимости в дополнительных прижимных элементах.
3
4
2
2
3
Конструкция узла для вакуумного фотоэлектронного прибора представляет собой металлокерамический узел, к металлическому основанию которого крепится полупроводниковая пластина при помощи неорганической клеевой композиции на основе алюмофосфатной связки (AlHPO)2×3HO, в которой в качестве наполнителя используется алунд AlO в пропорции от 1:1 до 1:2 относительно АФС.
В результате получается конструкция узла для вакуумного фотоэлектронного прибора на основе клеевой композиции, которая обеспечивает адгезионно и механически прочное соединение полупроводниковой пластины с металлическим основанием. Адгезионная прочность соединения полупроводниковой пластины и металлического основания обуславливается тем, что связка АФС является хорошо смачивающей жидкостью, обеспечивающей образование контактов с поверхностями и возникновение молекулярных связей. Полярные адгезионно активные функциональные группы (-ОН) улучшают совместимость склеиваемых поверхностей с клеем, а концентрация функциональных групп, главным образом гидроксильных, способна образовывать водородную связь, энергия которой близка к химической. Водородные связи - причина большой силы сцепления воды (растворитель клеевой композиции). Они определяют способность воды прилипать к различным материалам (т.е. смачивать). Начальная адгезия (смачивание - прилипание) происходит на воздухе. Затем, по мере прогревания, происходит отверждение с образованием химических и молекулярных связей, формирующих прочные адгезионные контакты. Введение наполнителя повышает механическую прочность соединения и изменяет КТР.
3
4
2
2
3
На рис. 1 приведено схематичное изображение конструкции узла для вакуумного фотоэлектронного прибора. Конструкция узла для вакуумного фотоэлектронного прибора представляет собой металлокерамический узел, к металлическому основанию 1 которого по периметру крепится тонкая полупроводниковая пластина 2, в нашем случае фоточувствительный элемент 2, при помощи неорганической клеевой композиции на основе алюмофосфатной связки (AlHPO)2×3HO, в которой в качестве наполнителя используется алунд AlO в пропорции от 1:1 до 1:2 относительно АФС. Фоточувствительный элемент 2 представляет собой тонкую полупроводниковую мембрану толщиной 15-20 микрон. Металлическое основание 1 представляет собой металлический диск с окном под фоточувствительный элемент 2 - прямоугольным отверстием посередине. Металлическое основание 1 припаивается на держатель 3, представляющий собой керамическую плату с металлизацией 4 для последующей разварки выводов фоточувствительного элемента 2. Металлическое основание 1 имеет ограничители 5, представляющие собой прямоугольные выступы, выступающие по периметру окна в плоскости металлического основания, служащие для позиционирования фоточувствительного элемента 2. Сверху, на керамический держатель 3 припаивается металлическое соединительное кольцо 6, служащее для последующей индиевой запрессовки. С противоположной стороны от плоскости чертежа (на рис. не показано), устанавливается разгрузочное кольцо для лазерной сварки. Так же по периметру окна металлического основания делают перпендикулярную (по отношению к плоскости чертежа) отбортовку для крепления гетера-ленты, служащей для поддержания уровня вакуума за счет абсорбции молекул газа из объема вакуумного прибора.
2
3
Клеевую композицию изготавливают следующим образом. Предварительно изготавливают клеевую композицию, добавляя в алюмфосфатную связку АФС в соотношении 1:1 до 1:2 наполнитель алунд, представляющий собой мелкодисперсный порошок окиси алюминия (ALO). Количество наполнителя сказывается на вязкости смеси, благодаря чему она приобретает необходимую прочность после полимеризации. Алунд предварительно следует прокалить при температуре 800-1000°C в течение 2-х часов для удаления летучих примесей и обезвоживания. Смесь тщательно растирается до получения густой сметанообразной массы. Таким образом, получается клеевая композиция.
Затем изготавливают узел для вакуумного фотоэлектронного прибора. На чистые обезжиренные поверхности металлического основания 1 и фоточувствительного элемента 2 по периметру тонким ровным слоем наносят полученную клеевую композицию. Для позиционирования фоточувствительного элемента 2 используют специальную оправку. Поверхности соединяют и фиксируют внешним прижатием и подвергают термообработке до 300°C с последующей выдержкой при этой температуре в течение 3-х часов. Время прогрева зависит от толщины клеевого слоя и выбирается индивидуально.
В результате получается конструкция узла для вакуумного фотоэлектронного прибора на основе клеевой композиции, которая обеспечивает адгезионно и механически прочное соединение полупроводниковой пластины с металлическим основанием. За счет этого достигается прочность к воздействию механических ударов и синусоидальной вибрации. Так же состав клеевой композиции на основе АФС обеспечивает низкое газоотделение, что необходимо для поддержания уровня вакуума в полупроводниковых фоточувствительных приборах. Кроме того, благодаря тому, что данная клеевая композиция является изолятором, обеспечивается изоляция полупроводниковой пластины от металлического основания. При этом процесс изготовления конструкции узла для вакуумного фотоэлектронного прибора упрощается: т.к. отсутствует необходимость в дополнительных прижимных элементах.