Физико-технические и экономические аспекты обеспечения качества изделий радиоэлектроники

Введение
 
Качество изделий радиоэлектроники всегда являлось приоритетом при разработке особо надежных специальных систем [1]. Теоретические и методологические вопросы обеспечения надежности работы изделий и систем на их основе достаточно хорошо апробированы, в том числе и для объектов, разработанных в СССР [1, 2]. Это касается не только научно-технических аспектов проблемы надежности и качества изделий и систем,
но также и экономических [3]. Несмотря на несомненные достижения в области полупроводниковой техники, в подавляющем числе специальных систем по-прежнему используются вакуумные и газоразрядные приборы [4]. Наглядным подтверждением этого является, например, то, что вакуумные электронные элементы – источники электронной эмиссии – имеют существенные преимущества перед полупроводниковыми: устойчивость ко всем видам излучений, вплоть до полного разрушения эмиттирующей структуры, стабильность свойств в диапазоне температур от –130 °С до +300 °С, безынерционность, низкое энергопотребление, высокая вибро-, ударостойкость и устойчивость к акустическим воздействиям. Их конструкции разрабатываются ныне на основе нанотехнологий, в частности, на процессах самоорганизации наночастиц. К сожалению, до последнего времени в России около 90% электронной компонентной базы (ЭКБ) импортировалось от зарубежных изготовителей, в результате чего теперь разработчики и производители изделий радиоэлектроники оказались перед непреодолимыми затруднениями. Поведение партнеров по бизнесу оказалось, мягко говоря, неожиданным, потому что отечественная ЭКБ в последние 23…25 лет была практически утеряна в виду целого ряда политических и экономических причин.
 
Надо заметить, что в начале 2000-х годов [5] всетаки обратили внимание на сохранение технологий ЭКБ применительно к разработке и производству источников электронов (катодов и электродов) на основе многослойных и многокомпонентных материалов. Параметры источников электронов на основе таких композиционных материалов и в настоящее время удовлетворяют всем требованиям разрабатываемых и выпускаемых отечественных сверхвысокочастотных (СВЧ) вакуумных и газоразрядных приборов (магнетроны, клистроны, разрядники и лампы высокоинтенсивного света, газовые отпаянные лазеры и др.).
 
Технологии изготовления композиционных катодов и электродов на основе порошков тугоплавких металлов (W, Re, Pt и др.) и порошкообразных оксидов, боридов (оксиды ЩМ и ЩЗМ, оксиды иттриясамария, диспрозия, тантала, YLa, LaB6 и др.) отечественного производства типов ВБКА, ТЭК9, ТЭК13, ВоИ-3, ВоД-3, ВоС-5Н не могут быть ныне реализованы, а термо-вторично-эмиссионные и вторичноэмиссионные катоды (ТВЭК, ВТЭК, ВЭК) на основе порошков благородных металлов с добавлением различных оксидов и их сложных соединений (типо в ВТЭК6, ВЭКО, ВЭКЗП и т.п.) невозможно теперь выпускать, поскольку оборудования для их производства уже не существует. Частично технологии прецизионной вакуумной порошковой металлургии для изготовления электродов и композиционных изделий ЭКБ используются лишь на нескольких отечественных предприятиях, а технология инфильтрации (пропитки) металлических матриц реализована в ОАО «Биметалл» и ООО «Синтел» [6, 7].
 
Технологии получения источников холодной эмиссии на основе планарных многослойных структур сохранились и разрабатываются в ОАО «НИИ „Полюс” им. М.Ф. Стельмаха» и в МГТУ им. Н.Э. Баумана [8]. Есть и другие примеры создания точек роста обеспечения качества отечественной ЭКБ в государственных учреждениях или акционерных  обществах, где реализована особая структура управления наукой (национальный исследовательский университет) или производством (ОАО «Восход» – КРЛЗ, ОАО «Плутон», ЗАО «НПО „НИИТАЛ”») [9-11]. Разработку, исследование свойств и производство высококачественной ЭКБ здесь ведут в специализированных подразделениях коллективы студентов, аспирантов, молодых специалистов, возглавляемых профессионалами. Руководителями коллективов установлены тесные творческие связи с центрами коллективного пользования и учреждениями, обладающими уникальными технологиями и аналитическим оборудованием.
 
Цель данной работы – изложить и проанализировать основные физико-технические и экономические результаты исследований, выполненных авторами в различные годы в составе таких творческих коллективов для того, чтобы полученные результаты по обеспечению качества и надежности ЭКБ были использованы отечественными специалистами в современных изделиях радиоэлектроники.
 
Физико-технические процессы, происходящие в многокомпонентных системах объемного и планарного типов
 
Композиционные источники электронов на основе порошков металлов и оксидов
 
а) Композиции из порошков в технике получения термокатодов, электродов и вторичных
эмиттеров.
 
Не вдаваясь в подробное описание механизма эмиссии электронов и среды, в которой находится источник электронов в отпаянном приборе, а также в представление способов достижения в нем требуемой температуры (косвенный накал, нагрев пропусканием тока через тело источника электронов или разрядом и т.п.), обратим внимание на то, что между металлическими (Ме) и оксидными (RO) частицами при получении и эксплуатации термокатода или электрода протекают процессы твердофазного взаимодействия. Конечными продуктами такого взаимодействия являются сложные оксиды состава
(RO)m·(MeO)n, которые не могут не влиять на эмиссионные свойства и долговечность термокатода.
 
Твердофазное взаимодействие представляется в виде суммарных реакций:
Термодинамика процессов типа (2) в настоящее время хорошо изучена. В то же время процессы типа (1), где R – это элементы IIa…IIIa подгрупп периодической системы химических элементов, а Ме – тугоплавкие металлы, термодинамически запрещены. Существуют разные подходы к изучению таких процессов. Так, кинетику твердофазного взаимодействия в катодных материалах рассматривают с использованием методов теории
фазовых превращений или теории абсолютных скоростей реакций, учитывая неравновесность системы «композиционный материал – газовая среда» и возрастание энтропии оксида при образовании в нем кислородных вакансий, с привлечением методов теории фазовых превращений.
 
Первую стадию взаимодействия между оксидной и металлической частицами композиционного материала можно представить в виде следующих реакций:
где символами [V ] O RO и (O – Me)* обозначены, соответственно, кислородная вакансия в решетке оксида и активированный комплекс на границе контакта частиц RO и Me.
 
В твердофазных реакциях RO и Me морфология зарождения и роста новых фаз зависит от индивидуальных особенностей частиц и в общем случае (3) хорошо учитывается универсальным уравнением Аврами:
где ξ – относительное количество образовавшейся новой фазы, ΔG и ΔEФ – энергия Гиббса и энергия активации реакции, β – константа, n – параметр, отражающий морфологию роста фаз взаимодействия. Известные [12] модельные расчеты данной
величины позволяют сделать выводы о механизме превращений и особенностях образования новых фаз при взаимодействии RO и Ме.
 
Особенности результатов межфазового взаимодействия твердых фаз в порошковых композициях при различных температурах и определяют стабильность их эмиссионных параметров и долговечность в вакуумных и газоразрядных приборах. Характер и результаты твердофазного взаимодействия наблюдаются и отслеживаются с применением методов металлографии, вторично-ионной масс-спектроскопии, рентгеноструктурного и рентгенофазового анализов, атомно-силовой и электронной микроскопии и других методов исследования [9, 12].
 
В процессе эксплуатации композиционных источников электронов со временем происходит отклонение от заданного стехиометрического состава в результате протекания твердофазного взаимодействия в системах «RO – Me», и их эмиссионные свойства снижаются, эксплуатация вакуумного или газоразрядного прибора прекращается. С целью
оптимизации системы «RO – Me» с точки зрения обеспечения необходимой долговечности и исследуются изображения приповерхностных областей композиционных источников электронов после завершения эксплуатации в комплексе с аналогичными, полученными до постановки их в прибор.
 
Для этих целей эффективной оказалась растровая электронная микроскопия с использованием цветной катодолюминесценции (ЦКЛ), примененная Н.А. Томилиным [9]. На рис. 1, по сравнению с рис. 2, можно видеть, особенно на изображениях, полученных с применением ЦКЛ, что оксидная фаза композиционного источника электронов системы «RO – Me» существенно изменилась как при одинаковых ШПИ, так и при различных.
 
Системы, в которых Me – это вольфрам (W), наиболее хорошо изучены и массово применяемы при изготовлении источников термоэмиссии. Несомненно, процессы твердофазного взаимодействия в композиционных материалах, созданных, в том числе, и на основе W, зависят от крупности и гранулометрического состава основы [3, 6,
7, 12]. Полученные В.В. Прасицким с сотрудниками микрофотографии поверхности композиционных электродов для газоразрядных приборов (см. рис. 3) весьма бедительны.
 
В [12, глава I] подробно описаны особенности обеспечения термодинамической стабильности при протекании твердофазного взаимодействия в двойных и тройных системах «RO – Me». Как правило, результатами твердофазного взаимодействия являются сложные оксиды. Они и оказывают основное влияние на диффузионные процессы в порошковых композиционных источниках электронов. Отслеживая эти процессы с помощью современных аналитических методов и аппаратуры, контролируя
технологические режимы получения порошковых композиций, с большой вероятностью можно гарантировать высокое качество порошковых композиционных источников электронов.
 
Четко отработанная технология получения порошковых эмиттирующих композиций, например W–Y2O3, включает операции: взвешивание компонентов, смешивание их, изготовление шихты с ограниченной связкой, прессование заготовок, предварительное спекание заготовок при температуре 1000 ºC для удаления органических связок,
окончательное спекание заготовок при температуре 1800 ºC в сухом водороде, шлифовка поверхности композиционного источника электронов. Они обладают высоким уровнем термоэмиссии при рабочих температурах (до 1600 ºC), высоким токоотбором (до 15 А/см2), устойчивостью к мощной электронной бомбардировке (до 100 Вт/см2) и имеют долговечность до 10000 часов.
 
Такая же технологическая схема применяется при разработке и производстве спеченных
электродов для газоразрядных приборов и композиционных термо-вторично-эмиссионных и вторично-эмиссионных источников электронов для вакуумных СВЧ-приборов [5]. Среди последних особо востребованными являются приборы с безмодуляторным питанием. Композиционные вторично-эмиссионные источники электронов для них
должны иметь высокий коэффициент вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ), низкий критический первый потенциал (когда КВЭЭ=1), высокую устойчивость к обратной электронной бомбардировке. Порошковые композиции созданы на основе платины и палладия, меди, никеля, серебра, а также на основе вольфрама с добавками рения и никеля
(табл.). По сравнению с порошковыми композиционными термокатодами, композиционные эмиттеры вторичных электронов имеют относительно низкие рабочие температуры. В композиционных системах «RO – Me» уже RO – это смеси оксидов,
в т.ч. BeO, BaO, Li2O и др. С учетом того, что твердофазное взаимодействие со временем влияет на эмиссионные свойства, их стабильность и долговечность, многокомпонентную оксидную фазу получают отдельно, например, Ba2Be3O5.
 
При разработке композиционных источников эмиссии и других изделий ЭКБ, например теплоотводящих элементов, предпочитают тонкодисперсные порошки и наночастицы [7] с применением метода инфильтрации (пропитки) металлической матрицы смесью оксидов или их химических соединений. Композиционные источники термоэмиссии, полученные таким способом, относят к металлопористым или распределительным катодам [12]. Металлопористые композиции с алюминатом бария-кальция при рабочей температуре порядка 1100 ºC обеспечивают величину токоотбора до 10 А/см2.
 
б) Прокатка и плакирование в технике получения объемных и планарных эмиттирующих композиций. Порошковые композиции системы «RO – Me» получают способом холодной деформации исходных порошков на прокатных станах [13] с последующим спеканием. Если под плакированием понимать не только получение многослойной планарной композиции из нескольких металлов путем их совместной прокатки, но и нанесение металлического слоя (с одной или двух сторон) на порошковую композицию системы «RO – Me» иным способом, например осаждением (напылением или распылением) металла, то это – аналогичный процесс, т.е. плакирование. Эти способы широко используются при получении порошковых эмиттирующих композиций со слоями (пленками) на внешней поверхности для вакуумных приборов: (Cu–BaO–Li2O) – покрытие из Pt, покрытие из Мо, покрытие из Сu. Эти покрытия на порошковых вторично-эмиссионных композициях стабилизируют их свойства в условиях мощной обратной электронной бомбардировки.
Не менее интересны планарные биметаллические ленты, полученные путем совместной прокатки никеля и алюминия, меди и серебра. Из таких лент методом глубокой вытяжки или штамповки формируют цилиндрические заготовки для холодных источников электронов гелий-неоновых (если внутренний слой алюминий) или СО2-лазеров (когда внутренний слой – серебро) [8, 3]. Поскольку сформированные источники электронов эксплуатируются в таких газоразрядных лазерах в условиях ионно-электронной бомбардировки, то твердофазное взаимодействие не является определяющим в стабильности их свойств и, тем не менее, в условиях аномального тлеющего разряда (особенно в газовой смеси CO2-лазера) им пренебречь нельзя. Тем более что перед
постановкой в гелий-неоновый лазер внутренняя поверхность эмиттирующей структуры, выполненная из алюминия, плакируется нанослоем из Al2O3 толщиной 5…30 нм. И в этом случае для обеспечения высокого качества источников холодной эмиссии при их разработке и производстве использование вышеописанных методов диагностики и аппаратуры является необходимым.
 
Экономические аспекты обеспечения высокого качества изделий радиоэлектроники
 
Выше, в описании разработки и производства композиционных источников эмиссии современной ЭКБ, подробно изложена и обсуждена информация о физико-химических процессах, необходимая для обеспечения их качества и надежности. Однако, как показывает практика, на широко апробированных эмиттирующих композициях при
их производстве и контроле параметров не всегда учитываются особенности твердофазного взаимодействия и т.п. [9], что приводит к выходу из строя приборов, в т.ч. и вакуумных. Имеются и другие примеры выхода из строя важных изделий радиоэлектроники. Поэтому следует рассматривать не только необходимые, но и достаточные гарантии обеспечения качества изделий ЭКБ. И это в значительной степени экономическая составляющая их разработки и производства.
 
Экономическая составляющая включает в себя новую структуру построения и управления предприятием радиоэлектронного профиля, базирующуюся как на материальных, так и нематериальных его активах [10, 11]. Описанные в этих работах процессы модернизации и использования материальных активов на примере ОАО «Восход» –КРЛЗ (производственные здания, оборудование основных цехов, промплощадка в черте города Калуги со вспомогательными производствами) продолжались в течение нескольких лет. В результате на промплощадке базового предприятия сосредоточилась сеть независимых акционерных обществ по разработке и производству изделий ЭКБ с единым энергообеспечением, снабжением, службами контроля качества и продаж. Наличие филиалов кафедр КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана на базовом предприятии и позволило решить сложные проблемы обеспечения качества изделий ЭКБ физико-технологическими способами, которые  описаны в предыдущем разделе.
 
Особенности экономической составляющей в обеспечении достаточности качества состояли в том, что в полной мере были раскрыты возможности нематериальных активов модернизированного предприятия ОАО «Восход» –КРЛЗ [10]. Они включали в себя: уникальные технологии производства, авторские свидетельства на изобретения и патенты, ноу-хау, персонал (руководители базового предприятия и независимых акционерных
обществ, цехов и подразделений, конструкторских подразделений и отделов, исследовательских и аналитических лабораторий, ученые, инженернотехнические работники, мастера, техники, рабочие, практиканты, студенты старших курсов, аспиранты, работающие штатными сотрудниками и совместителями на основном и на вспомогательном производстве) и, наконец, многолетние производственные и творческие связи с потребителями продукции. Направленность нематериальных активов, ориентировочная стоимость которых около 1 млрд рублей (что в несколько раз превышает
стоимость материальных активов предприятия), на единую цель по обеспечению и разработке высококачественных изделий ЭКБ стала основной экономической составляющей предприятия в получении прибыли. Это привело к резкому увеличению зарплаты всего персонала, независимо от того, где трудятся работники: в основном или
вспомогательном производстве. Жесткие требования к качеству работы позволили избежать уравниловки и привели к снижению влияния человеческого фактора на продукцию, отклонений от заданных параметров.
 
Описанная здесь экономическая составляющая достаточности в обеспечении качества изделий ЭКБ может быть использована и в других производствах.
 
В заключение отметим, что центры диагностики качества или создаваемые в настоящее время центры коллективного пользования уникальным аналитическим и исследовательским оборудованием должны быть независимыми экспертными учреждениями.
 
Выводы
 
На примере эмиттирующих изделий ЭКБ, полученных из объемных композиционных и планарных многослойных материалов, показано, что высокая надежность вакуумных и газоразрядных приборов и радиоэлектронных систем, разработанных на их основе, в значительной степени зависит от качества источников электронов, которое обеспечивается физико-техническими и экономическими факторами, заложенными в их разработку и производство. Физико-технологические параметры композиционных и многослойных источников электронов рационализируются в процессе исследований и разработки для обеспечения необходимых свойств и долговечности с использованием апробированных прецизионного оборудования и средств диагностики. Параметры и режимы изготовления и эксплуатации изделий заносятся в техдокументацию (технологические, маршрутные и контрольные карты, технические условия и т.д.) и являются для изготовителя и потребителя незыблемыми.
 
Экономические факторы, включающие в себя особую структуру построения предприятия-изготовителя, материальные и нематериальные активы, характеризующие уровень производства и качество персонала, обеспечивают достаточно высокое качества изделий.