Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір
Досліджено вплив алмазного наповнювача на температуропровідність та адгезійні властивості кремній-органічного епоксидного клею К-300 (К-400). Доведено, що алмазно-клейова композиція прискорює охолодження напівпровідникового сенсора до кріогенних температур у два рази і в шість разів збільшує довгов...
Saved in:
| Published in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126057 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір / В.П. Маслов // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 4. — С. 81-84. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-126057 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Маслов, В.П. 2017-11-12T15:26:21Z 2017-11-12T15:26:21Z 2013 Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір / В.П. Маслов // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 4. — С. 81-84. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126057 621.792 Досліджено вплив алмазного наповнювача на температуропровідність та адгезійні властивості кремній-органічного епоксидного клею К-300 (К-400). Доведено, що алмазно-клейова композиція прискорює охолодження напівпровідникового сенсора до кріогенних температур у два рази і в шість разів збільшує довговічність клейового з’єднання при тепловому ударі. Исследовано влияние алмазного наполнителя на температуропроводность и адгезионные свойства кремний-органического эпоксидного клея К-300 (К-400). Доказано, что алмазно-клеевая композиция ускоряет охлаждение полупроводникового сенсора до криогенных температур в два раза и в шесть раз увеличивает долговечность клеевого соединения при тепловом ударе. The goal of report is investigation of diamond’s filler influence on thermal diffuseness and adhesion properties silicon-organic epoxy glue К-300 (К-400). Proved that the diamond-adhesive composition accelerates the cooling of semiconductor’s sensor to cryogenic temperatures by 1.5 times and 6 times increase durability of the adhesive bond under thermal shock. uk Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Инструмент, порошки, пасты Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір The effect of diamond powder as filler on properties of copper–sapphire adhesive joint Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір |
| spellingShingle |
Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір Маслов, В.П. Инструмент, порошки, пасты |
| title_short |
Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір |
| title_full |
Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір |
| title_fullStr |
Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір |
| title_full_unstemmed |
Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір |
| title_sort |
вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір |
| author |
Маслов, В.П. |
| author_facet |
Маслов, В.П. |
| topic |
Инструмент, порошки, пасты |
| topic_facet |
Инструмент, порошки, пасты |
| publishDate |
2013 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Сверхтвердые материалы |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
The effect of diamond powder as filler on properties of copper–sapphire adhesive joint |
| description |
Досліджено вплив алмазного наповнювача на температуропровідність та адгезійні властивості кремній-органічного епоксидного клею К-300 (К-400). Доведено, що алмазно-клейова композиція прискорює охолодження напівпровідникового сенсора до кріогенних температур у два рази і в шість разів збільшує довговічність клейового з’єднання при тепловому ударі.
Исследовано влияние алмазного наполнителя на температуропроводность и адгезионные свойства кремний-органического эпоксидного клея К-300 (К-400). Доказано, что алмазно-клеевая композиция ускоряет охлаждение полупроводникового сенсора до криогенных температур в два раза и в шесть раз увеличивает долговечность клеевого соединения при тепловом ударе.
The goal of report is investigation of diamond’s filler influence on thermal diffuseness and adhesion properties silicon-organic epoxy glue К-300 (К-400). Proved that the diamond-adhesive composition accelerates the cooling of semiconductor’s sensor to cryogenic temperatures by 1.5 times and 6 times increase durability of the adhesive bond under thermal shock.
|
| issn |
0203-3119 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126057 |
| citation_txt |
Вплив алмазного порошку як наповнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір / В.П. Маслов // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 4. — С. 81-84. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT maslovvp vplivalmaznogoporoškuâknapovnûvačanavlastivostíkleiovogozêdnannâmídʹsapfír AT maslovvp theeffectofdiamondpowderasfilleronpropertiesofcoppersapphireadhesivejoint |
| first_indexed |
2025-11-27T01:30:40Z |
| last_indexed |
2025-11-27T01:30:40Z |
| _version_ |
1850791059724959744 |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 4 81
УДК 621.792
В. П. Маслов (м. Київ)
Вплив алмазного порошку як наповнювача
на властивості клейового з’єднання мідь–
сапфір
Досліджено вплив алмазного наповнювача на температуро-
провідність та адгезійні властивості кремній-органічного епоксидного клею
К-300 (К-400). Доведено, що алмазно-клейова композиція прискорює охолоджен-
ня напівпровідникового сенсора до кріогенних температур у два рази і в шість
разів збільшує довговічність клейового з’єднання при тепловому ударі.
Ключові слова: клейове з’єднання, алмазний наповнювач, мідь,
сапфір.
Аналіз причин відмов оптико-електронних приладів (ОЕП)
при експлуатації їх у космічних або інших екстремальних умовах показав, що
руйнування деталей із крихких матеріалів відбувається в місцях їх з’єднання.
Використання деталей із різних за властивостями функціональних матері-
алів приводить до необхідності розроблення нових методів з’єднання таких
деталей в прецизійних і стабільних вузлах приладів, що працюють в екстре-
мальних умовах. Наприклад, високочутливі фотоприймачі охолоджують до
кріогенних температур [1]. Для їх охолодження і збільшення чутливості ви-
користовують оптичні вакуумні кріостати, де фотоприймач (напівпровідни-
ковий діод на сапфіровій підкладці) приклеюють до зовнішньої поверхні
мідного полого циліндру, в який заливають рідкий азот, при цьому фото-
приймач та клейовий шов отримують термічний удар від кімнатної темпера-
тури до –196 °С. Треба враховувати, що фотоприймачі при експлуатації або в
процесі дослідження отримують багаторазові термічні удари. Таким чином,
на довговічність клейового з’єднання впливає його адгезійна міцність, тому
вирішення проблеми підвищення теплопровідності та адгезійної міцності
клейових з’єднань, що працюють при кріогенних температурах, є актуаль-
ним.
Відомо, що найбільшу міцність мають епоксидні термостійкі клеї з напов-
нювачами [2]. Наповнювачами, як правило, були порошки міцних матеріалів
(оксидів, нітридів, карбідів тощо). Позитивний вплив наповнювача
пов’язаний зі зменшенням усадки клею при полімеризації, а також з адитив-
ним ефектом підвищення механічної міцності всієї композиції. Для поліп-
шення теплопровідності клейового з’єднання потрібно обирати наповнювачі
з матеріалів, які мають високі значення цієї характеристики. Як правило,
такими наповнювачами є порошки металів.
Для клейових з’єднань відсутні дослідження з впливу алмазних наповню-
вачів на властивості з’єднувального клейового шару, а також впливу механі-
чної обробки поверхонь, що з’єднуються, в середовищі одного з компонентів
клею.
Теплопровідність алмазу, що є фононною за своєю природою, складає
приблизно 2100 Вт·м–1·К–1 при кімнатній температурі, це більше ніж у п’ять
© В. П. МАСЛОВ, 2013
www.ism.kiev.ua/stm 82
разів вище теплопровідності міді, що є практично електронною. При охоло-
дженні до температури рідкого азоту теплопровідність алмазу додатково
збільшується майже в два рази [3]. Висока теплопровідність робить алмаз
дуже привабливим матеріалом для застосування в різноманітних пристроях,
таких як тепловідводи в мікро- та оптоелектроніці, оптичні елементи в лазер-
них та НВЧ-приладах великих потужностей, а також у клейових з’єднаннях із
високою теплопровідністю для деталей цих приладів.
Метою даної роботи було дослідження впливу алмазного порошку як на-
повнювача на властивості клейового з’єднання мідь–сапфір.
Для проведення експериментів було обрано клей К-300 (ОСТ В 6-06-
5100–96), що є епоксидно-кремнійорганічною композицію, до якої входить
кремнійорганічна смола – 100 % (за об’ємом), низькомолекулярний поліамід
Л-20 – 40 % (за об’ємом) та наповнювач (оксид титану) – 30 % (за об’ємом).
Для покращення термічної міцності як наповнювач використовують оксид
хрому або нітрид бору. Клей такого складу має марку К-400. Ці клеї можна
використовувати для склеювання деталей із матеріалів з різними фізичними
властивостями (метали, кераміка, скло), які працюють при температурах
(–60)–(+250) °С тривалий час. До того ж з’єднання з використанням цих клеїв
дозволяє отримати високу герметичність шва і міцність (20–22 МПа при кім-
натній температурі). Нами як наповнювач до клею К-300 додатково до стан-
дартного складу було використано мікропорошок синтетичного алмазу марки
АСМ зернистістю 10/7 у кількості 10–40 % (за об’ємом). Зернистість алмазів
була обрана з урахуванням необхідності отримання клейового шва товщиною
приблизно в 10 мкм.
До торця мідного полого циліндру вакуумного кріостату приклеювали
клеєм К 300 стандартного складу та з алмазним наповнювачем дві сапфірові
підкладки з напівпровідниковими сенсорами температури на основі герма-
нію, які мали практично лінійну температурну залежність електричного опо-
ру від кімнатної до кріогенної температури [4]. Сенсори закріпляли на сапфі-
ровій підкладці за допомогою клею К-300 традиційного складу. Полімериза-
цію клею проводили при кімнатній температурі протягом 48 год. Товщина
шва в клейових з’єднаннях дорівнювала 10±2 мкм. Після вакуумування кріо-
стату в мідний циліндр заливали рідкий азот і за допомогою термопар фіксу-
вали зміни температури для цих двох зразків. В експериментах змінювали
об’ємну частку алмазного наповнювача і, крім того, для забезпечення мініма-
льного клейового шва після нанесення клею сапфірову підкладку притискали
та притирали до мідного торця. При великому вмісті алмазного наповнювача
(від 20 до 40 % (за об’ємом)) композиція була надто густа і притирання про-
ходило важко, що заважало утворенню мінімального шва. При вмісті напов-
нювача менше ніж 20 % (за об’ємом) введення алмазу не давало суттєвих
ефектів. Експерименти показали (рисунок), що алмазний мікропорошок як
наповнювач у кількості 20 % (за об’ємом) (оптимальна кількість) збільшує
температуропровідність у два рази. Дійсно, з експериментальних даних мож-
на визначити, що, наприклад, за 100 с алмазна клейова композиція забезпечу-
вала охолодження сапфірової підкладки з напівпровідниковим сенсором до
температури 90 К, а традиційне клейове з’єднання – до 180 К.
За результатами [5] можна оцінити теплопровідність λ алмазно-клейової
композиції оптимального складу (20 % (за об’ємом)):
fm
m
f λλ
υ
υ
=λ , (1)
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 4 83
де λm – теплопровідність матриці; λf – теплопровідність наповнювача; υm і υf –
відповідно частини складових композиції. Теплопровідність епоксидного
клею з наповнювачем дорівнює 0,60 Вт⋅м–1⋅К–1; теплопровідність алмазу –
2100 Вт·м–1·К–1; складові υm і υf – 0,8 та 0,2 відповідно, тому за формулою (1)
теплопровідність алмазно-клейової композиції складає 17,7 Вт⋅м–1⋅К–1. Ці
оціночні розрахунки дають завищені значення, що, можливо, пов’язано з
похибкою застосованої моделі, але, загалом, експерименти та розрахунки
дозволяють зробити висновок, що алмазний мікропорошок як наповнювач
ефективно підвищує теплопровідність клейових композицій.
1
60
2
25 100 200 300 τ, c
120
180
240
Т
ем
п
ер
ат
ур
а,
К
Кінетика охолодження з’єднання лейкосапфір–мідь: 1 – алмазно-полімерна композиція
(20 % (за об’ємом) алмазів АСМ 10/7) на основі К-300; 2 – стандартний клей К-300 [2].
Крім того, коли деталі з шаром алмазно-клейової композиції притискали і
притирали одну до одної, алмазний порошок діяв на поверхню деталей як
абразив, видаляючи поверхневі забруднення та оксидовані шари на поверхні
мідної деталі. Це було підтверджено наступним чином. Після притискання і
притирання мідну деталь очищували ацетоном та спиртом від залишків клею.
Поверхня мідної деталі після обробки алмазно-клейової композиції мала ви-
гляд свіжо обробленої блискучої поверхні, що не спостерігалось при аналогі-
чній обробці з використанням клею К-300 традиційного складу. Експеримен-
ти показали також, що алмазне клейове з’єднання мідь–сапфір витримувало
багаторазове охолодження (термічний удар від кімнатної температури до
температури рідкого азоту), що перевищувало аналогічний показник для ста-
ндартного клейового з’єднання в шість разів. Можна припустити, що при
притисканні та притиранні алмазної клейової композиції на поверхні мідної
деталі утворювались активні центри взаємодії з клеєм, які забезпечили під-
вищення адгезійної міцності з’єднання.
ВИСНОВКИ
Алмазний мікропорошок як наповнювач ефективно підвищує тепло-
провідність клейових композицій, прискорює у два рази охолодження напів-
www.ism.kiev.ua/stm 84
провідникового сенсора до кріогенних температур і в шість разів збільшує
довговічність клейового з’єднання при теплових ударах від кімнатної темпе-
ратури до –196 °С.
Алмазна клейова композиція при притиранні деталей, що з’єднуються, до-
зволяє видалити поверхневі забруднення та оксидовані шари. Можна припус-
тити, що при такій своєрідній абразивній обробці на поверхні деталі утворю-
ються активні центри, які обумовлюють взаємодію з клеєм і забезпечують
підвищення адгезійної міцності з’єднання.
Исследовано влияние алмазного наполнителя на температуропровод-
ность и адгезионные свойства кремний-органического эпоксидного клея К-300 (К-400).
Доказано, что алмазно-клеевая композиция ускоряет охлаждение полупроводникового
сенсора до криогенных температур в два раза и в шесть раз увеличивает долговечность
клеевого соединения при тепловом ударе.
Ключевые слова: клеевое соединение, алмазный наполнитель, медь,
сапфир.
The goal of report is investigation of diamond’s filler influence on thermal
diffuseness and adhesion properties silicon-organic epoxy glue К-300 (К-400). Proved that the
diamond-adhesive composition accelerates the cooling of semiconductor’s sensor to cryogenic
temperatures by 1.5 times and 6 times increase durability of the adhesive bond under thermal
shock.
Keywords: glue bounding, diamond’s filler, copper, sapphire.
1. Филачев А. М., Таубкин И. И., Тришенков М. А. Твердотельная фотоэлектроника. Фото-
диоды. – М.: Физматкнига, 2011. – 448 с.
2. Петрова А. П. Термостойкие клеи. – М.: Химия, 1977. – 200 с.
3. Инюшкин А. В., Толденков А. Н., Ральченко В. Г. и др. Температуропроводность поли-
кристаллического CVD-алмаза: эксперимент и теория // ЖЭТФ. – 2008. – 134, № 3(9). –
С. 544–556.
4. Венгер Є. Ф., Зенкін А. С., Козелло Н. Л., Колодич Б. П. и др. Мініатюрні кремнієві
діодні та германієві резистивні термометри для вимірювання низьких температур //
Фізика і хімія твердого тіла. – 2010. – 11, № 2. – С. 499–505.
5. Абызов А. М., Кидалов С. В., Шахов Ф. М. Теплопроводность композита алмаз–парафин
// Физика твердого тела. – 2011. – 53, № 1. – С. 48–51.
Інститут фізики напівпровідників Надійшла 09.02.12
ім. В. Є. Лашкарьова НАН України
|