CC BY
447
УДК: 621.384.3:53.083.94
ИСАЕВ С.С., ЮРКОВ Н.К.
Россия, Пенза, Пензенский государственный университет
ВЫБОР МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ОТВЕРДЕВШЕГО ЭПОКСИДНОГО КЛЕЯ
Аннотация:
В статье рассматривается проблема безкорпусной герметизации квантового электронного модуля. Проведен анализ методов определения температурного коэффициента линейного расширения твердых материалов. По выбранному методу определен параметр, необходимый для последующего компьютерного моделирования.
Abstract:
In article problem the unpackaged encapsulation of quantum electronic modulus is considered. The analysis of the methods of the identification of the temperature coefficient of the linear extending of solid materials is carried out. As to method chosen parameter necessary for the subsequent computer simulation is determined.
Ключевые слова: квантовый электронный модуль, оптический эпоксидный клей, безкорпусная герметизация, дилатометр.
Keywords: the quantum electronic modulus, the optical epoxy glue, the unpackaged encapsulation, the dilatometer.
Существует тип оптических полупроводниковых приборов - квантовые электронные модули (КЭМ), применяемые в различных оптических системах. Ввиду дороговизны КЭМ и сложной технологии изготовления корпуса, было принято решение о применении безкорпусной герметизации прибора. Таким образом, был разработан и изготовлен полупроводниковый лазер (рис.1), представляющий из себя микроплату с радиоэлементами и проводниками, залитую оптическим эпоксидным клеем (ОЭК), выполняющим роль корпуса и функцию безкорпусной герметизации прибора [1].
Рис.1. Конструкция КЭМ
Физические свойства отвердевшего ОЭК не известны, т. к. предприятие, разработавшее и изготавливающее его, сделало акцент на оптические свойства. Чтобы поставить на производство изделие, в состав которого входит КЭМ, необходимо доказать, что он соответствует требованиям надежности, предъявляемым к изделию. Использование материала с неизвестными температурно-физическими характеристиками влечет за собой сложности, связанные с непредсказуемостью поведения материала при различных воздействиях и невозможностью проведения компьютерного моделирования. Ускоренные лабораторные испытания занимают большое количество времени. В нашем же случае для постановки КЭМ на производство определен достаточно сжатый срок.
Существующие методики по определению срока сохраняемости изделий [2, 3] основаны на принципе теплового старения. Поскольку главный воздействующий фактор - температура, то наиболее видимое решение в такой ситуации - это определить основные характеристики отвердевшего ОЭК: температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) или
температурный коэффициент давления, зная которые, можно впоследствии провести компьютерное моделирование и внести коррективы в конструкцию КЭМ.
Возник вопрос: каким способом можно оценить вышеуказанные
параметры?
Из существующих методов определения ТКЛР твердых материалов можно выделить следующие [4]:
Первый способ определения ТКЛР материала заключается в том, что наклеивают клеем холодного отверждения термостойкие тензорезисторы на поверхностях образца из исследуемого материала и образца с известным коэффициентом a , например, кварца, равномерно нагревают (охлаждают) без механического стеснения образцы, измеряют температуру и разность приращения электрического сопротивления тензорезисторов, рассчитывают
коэффициента композиционного анизотропии по формуле:
материала в заданном направлении
a ki =
DR
(ti - to )R • Si
+ a„
(1)
где R и DRi - номинальное сопротивление тензорезисторов и разность их приращений при нагревании (охлаждении); Si - тензочувствительность тензорезисторов; t0 и ti - начальная и конечная температуры; аэ - известный
коэффициент линейного расширения материала эталонного образца.
Необходимость использования дорогостоящих термостойких тензорезисторов, наклеиваемых на поверхности образцов из исследуемого и эталонного материалов, является главным недостатком этого способа
Второй способ определения ТКЛР материала состоит в том, что ступенями или непрерывно нагревают образец из исследуемого материала, затем измеряют удлинение образца и его температуру, а коэффициент «рассчитывают по формуле:
1 L L
a =
ti - to
(2)
где L0 - Li - длина образца, соответственно, при начальной и заданной ti температурах. Недостатком этого способа является достаточно большая погрешность дилатометрических измерений.
Третий способ определения температурного коэффициента линейного расширения заключается в том, что эталонный и исследуемый листовые образцы, симметричные и сбалансированные, скрепляют между собой без возможности смещения образцов относительно друг друга. Таким образом, получают составной образец, который нагревают или охлаждают до заданной температуры, производят выдержку до установления равномерного температурного поля по всему объему материалов образца, измеряют перемещения заданных точек продольной оси составного образца по нормали к плоскости контакта образцов, вычисляют изменение кривизны продольной оси составного образца и определяют ТКЛР листового, симметричного материала aK решением уравнения:
j^m
m •(t - t0 )
Ей
4
5
V 5m J
1 + Ek
\V
Efr Sfr ai
1 j k • ''к
E
V
5
5„
E„ a
r
m J
1 + 5k
a^ 5
\
\V
m V m J
E 5
\
1 j цк • ''к
E„ 5
V
mJ
V
- 3
mJ
Ea
Ea
ґ £ Л V dm J
Ek
E„
f \
dk
V dm J
i2
> = o
(3)
2
1
1
2
1
где aK - определяемый температурный коэффициент линейного расширения листового симметричного сбалансированного композиционного материала; am - температурный коэффициент линейного расширения металлического эталонного материала; j - коэффициент изменения кривизны
продольной оси составного образца; t0 и t - начальная и конечная температуры; dk и dm - толщины образцов из композиционного и металлического материалов; Ek и Em - модули упругости композиционного и металлического материалов.
Главный недостаток этого метода заключается в том, что он разработан исключительно для металлических и композиционных листовых материалов. Проведение необходимых измерений требует изготовления сложной оснастки и дорогостоящего оборудования. Кроме того, решение уравнения предлагается методом подбора или графическим методом, что вносит дополнительные трудности.
Наиболее подходящим из представленных методов является второй, поскольку он требует наличия штатного кварцевого дилатометра и нескольких образцов исследуемого материала цилиндрической формы. Подобную форму имеет и исследуемая конструкция КЭМ.
Относительная погрешность измерения имеющегося на предприятии штатного дилатометра ДКВ-4 в диапазоне температур (20^100) 0С составляет
5 • 10-7 град-1. Принимая во внимание, что табличное значение ТКЛР для
эпоксидов составляет примерно 300 10-6 градпогрешность измерения не существенна.
Проведя измерение ТКЛР твердых образцов ОЭК в заданном диапазоне температур, мы получили значение, которое теперь можно применить для предварительного анализа внутренних напряжений конструкции, возникающих под влиянием различных внешних факторов (повышенной температуры, вибрации, давления). Такой расчет можно провести в любой из известных программ моделирования: ANSYS, SolidWorks и т.п.
Благодаря проделанной работе появилась возможность проведения предварительного исследования влияния ОЭК на внутренние элементы КЭМ под действием повышенных температур, не прибегая к проведению длительных лабораторных испытаний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бескорпусная герметизация полупроводниковых приборов // Адрес в Интерет: www.telogik.ru/study-27-1.html.
2. ГОСТ РВ 15.702-94 СР.ПП.ВТ. Порядок установления и продления назначенных ресурса, срока службы, срока хранения.
3. РД В 319.01.15-98 КСКК. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Типовые методики ускоренных испытаний на сохраняемость при хранении и испытаний на сохраняемость при транспортировании.
4. Патент РФ № 97111652/25, 07.07.1997. Кутьинов В.Ф.; Ильин Ю.С. Способ определения температурного коэффициента линейного расширения композиционного материала// Патент России № 2111480.1998.
