Поэтому вопрос о соединении – это вопрос о согласовании расширений, о возникающих в соединении усилиях и о прочности тех соединений, которые возникают в сварной зоне или в зоне диффузии припоя и материала деталей друг в друга. Если говорят, что два металла хорошо соединяются, это означает, что возникающие в зоне их взаимодействия соединения не хрупки и прочны.
А еще в некоторых случаях в зоне соединения образуются легкоплавкие соединения. Автору этой статьи понадобилось как-то распылить в вакууме никель. Он взял титановую фольгу, вырезал ленточку, закрепил ее в вакуумной камере, положил на ленточку квадратик из никелевой фольги и начал греть титан, пропуская по нему ток. И в какой-то момент с ужасом увидел, что никель исчез, а в титановой ленте зияет аккуратное квадратное отверстие. Как квадратное отверстие в облаках у Стругацких, в «Гадких лебедях». При 955 по Цельсию в зоне контакта титан-никель началось плавление интерметаллида и расплавившаяся зона молча капнула вниз.
В отличие от спая металл-стекло, который по существу делается путем оплавления металла стеклом, соединение металла и керамики так получить нельзя – керамика тугоплавка. Поэтому сначала ее металлизируют, нанося на поверхность металлический порошок или соединения и расплавляя их. При этом за счет диффузии и реакций образуется переходная зона. А уже потом паяют керамическую металлизированную деталь и собственно металлическую.
Можно, впрочем, обойтись и без металлизации. При так называемой «активной пайке» между керамической и металлической деталью прокладывают фольгу из титана, затем этот комплект сжимают и нагревают. При взаимодействии образуется переходная зона, и детали соединяются. Заметим, что в электронике – как и вообще в жизни – более простая на вид технология требует более высокой технологической культуры и она более «строга», то есть требует лучшей стабилизации параметров. Поэтому попытки заимствования «простых» технологий не всегда бывают успешны.
Наконец, металл с керамикой (впрочем, и стекло со стеклом), можно соединить с помощью пайки, но не металлическими припоями, а легкоплавкими стеклами, или «глазурями» – фантазия технологов неисчерпаема. Особенно, когда постоянно приходят конструкторы с очередными безумными идеями. Проблема согласования коэффициентов термического расширения особенно важна, если один из соединяемых материалов хрупок: например, при спаивании металла со стеклом. В частности, для согласования с теми или иными сортами и группами сортов стекла разрабатывались специальные сплавы. А иногда разрабатывались стекла, надежно спаивавшиеся с каким-то определенным металлом. А на какие чудовищные ухищрения приходилось идти, чтобы спаять, например, германий со стеклом, сапфир со стеклом или кварц со стеклом. У вас не сжалось сердце? У кварца термическое расширение на порядок меньше, чем у стекол, и технологам пришлось разработать ряд из примерно десяти стекол, которые спаивались так: первое с кварцем, второе с первым и так далее – до последнего, которое спаивалось с обычным электровакуумным стеклом.
А вот еще маленькая одиссея: в древности вводы в стекло делали из платины, подобрали стекла, которые с ней хорошо спаиваются, и привыкли к ним. Но рано или поздно, а от платины пришлось отказываться. И придумали вводы из «платинита» – проволоки из сплава Н42 (42% никеля, остальное – железо), покрытой медью, причем толщина меди подбиралась так, чтобы у этой композитной проволоки расширение было, как у платины.
Итак, лампа собрана и надо начинать ее обработку. Для этого, разумеется, недостаточно выкачать из нее воздух и запаять стеклянную трубку (штенгель), по которой шла откачка (или перекусить, сварив холодной сваркой – металлическую). Даже если лампа собрана из чистых деталей, то они чистые «не в том смысле», в котором должны быть чистыми в лампе. А некоторые – даже очень грязные, и вообще – они еще не детали, а полуфабрикаты. А одной детали в лампе при сборке просто нет. Позже мы узнаем, откуда она возьмется.
Как бы ни была хорошо очищена деталь до сборки, после нее она оказывается грязнее. И хоть собирают лампы в капроновых перчатках, и хоть отбирают девочек-монтажниц по сопротивлению кожи влажных рук (что связано и со степенью влажности и с концентрацией ионов), но все равно – после сборки надо чистить. Вдобавок, в печи деталь нагревается и обезгаживается не так, как в лампе. Во-первых, не при тех температурах – обычно при более высоких, но не всегда. Во-вторых, в лампе нагрев неравномерен. И, наконец, в лампе нагрев производится не только нагревателем и излучением катода, но и электронным потоком, который разлагает оксиды на поверхности деталей. В печи его нет, значит – чистить придется в собранной лампе.
Для создания электронного потока катод должен эмиттировать, а для этого лампа не должна быть уж очень грязной. Поэтому процесс очистки лампы электронной бомбардировкой – отчасти саморегулирующийся. Если грязи летит слишком много, эмиссия катода уменьшается. Из этого сразу следует, что существует оптимальный режим, но его построение – немалое искусство, вопрос чутья технолога. Одна из главных идей очистки лампы – грязь не надо гонять с электрода на электрод. Очистка всех частей должна вестись одновременно. В технике электронных ламп стараются чистить все электроды лампы одновременно, причем по возможности по всей площади.
Поскольку очистка всех деталей и чистая сборка – большие проблемы, то в технике электронных ламп известны по крайней мере два приема, позволяющих сделать более чистой лампу, собранную из грязных деталей. Во-первых, это прогрев лампы при прокачке через нее водорода, имитация отжига в среде водорода. Во-вторых, это зажигание в лампе газового разряда, очистка электродов бомбардирующими их ионами, аналогично очистке в газовом разряде, применяющейся в полупроводниковой технике для обработки подложек перед напылением. Разумеется, откачка ламп при их прогреве – это также и очистка деталей в уже собранной лампе, но, поскольку прогрев стеклянной лампы обычно производится при температуре около 400 по Цельсию, реально обезгаживается только стекло.
Деталь, которая поступает на сборку и помещается в лампу в виде полуфабриката – это катод, а также все покрытия, нанесенные, как указано выше, с применением связок (клеев). При нагреве клей должен испариться или разложиться, при этом выделяется значительное количество газа и возможно загрязнение других деталей. Для оксидного катода эта ситуация усугубляется тем, что он наносится в виде кристаллов карбоната щелочноземельных металлов, а для перевода в оксиды их надо нагреть, разложить, откачать выделяющуюся смесь оксидов углерода, которая опять же, может окислить детали лампы. Построение такого режима нагрева катода, то есть зависимости температуры от времени, чтобы клей не разлагался, а испарялся, а карбонаты разлагались, но не окисляли – предмет многих научных работ, объект стараний поколений технологов и их головная боль.
После того, как лампа в основном обезгажена и даже катод превращен в оксиды, наступает этап активирования катода и обработки геттера. Активирование катода – это загадочный процесс, при котором в результате нагрева, отбора с него тока и химического взаимодействия оксида с активными присадками к материалу керна (основы, на которую нанесен тройной оксид бария-стронция-кальция) в покрытии возникает некоторый дефицит кислорода (отклонение от стехиометрии). В результате катод становится катодом – у него увеличивается эмиссия и проводимость.
Процесс обработки геттера выглядит по-разному, в зависимости от того, распыляемый или нераспыляемый геттер применен в лампе. Нераспыляемый – это кусочек пористого титана или какого-либо сплава, хорошо поглощающего остаточные газы и поддерживающего вакуум в лампе (как бы мы хорошо ни обезгаживали, при работе лампы вакуум в ней может и ухудшаться). Такой геттер начинает работать после кратковременного нагрева, при котором имеющийся на его поверхности кислород продиффундирует вглубь, очистив место для новых атомов, прилетающих из объема прибора. Если же геттер распыляемый, то его тоже надо нагреть, но с другой целью. При нагреве в геттерной смеси из нее выделяется барий, который напыляется на стекло. Вот эта пленка бария – «геттерное зеркало» и есть та деталь, которой не было при сборке лампы.
Наличие специального геттера, вообще говоря, не обязательно. Если лампа очень хорошо обезгажена и если, вдобавок, она содержит детали из титана (которые сами работают как геттер), то можно обойтись. И обходятся – в лампах типа «нувистор» геттера как отдельной детали нет.
Но нам еще осталась морока с высоким напряжением... Когда на лампу начнут подавать все более и более высокое напряжение, то будут происходить пробои – броски тока с последующим (если цепь не отключить) расплавлением электродов лампы. Посмотрим, почему и как это происходит.
Если на поверхности электрода есть пылинка или слабо держащийся кусочек материала, он отрывается, летит к противоположному электроду (кусочек заряжен, и поле его ускоряет), врезается в электрод, как метеор, испаряется и заполняет объем прибора паром. Если на электроде есть острие, на нем напряженность поля оказывается очень велика, начинается автоэлектронная (полевая) эмиссия – вырывание электронов из металла электрическим полем, пучок электронов разогревает электрод, а ток, протекающий по острию, разогревает острие; где нагрев – там испарение, объем прибора заполняется паром. Что так, что этак, но в парах материала электрода и происходит обычный пробой в газе. Собственно, высуньте голову в окно в подходящий момент – это она и сверкнула. Только в приборе маленькая, а между тучами – большая.