Порошковые композиционные материалы для изделий электронной техники

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
Калужский филиал 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. А. Пономарёв, Н. В. Яранцев 
 
 
ПОРОШКОВЫЕ 
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ 
ТЕХНИКИ 
 
Научное издание 
 
Под редакцией проф. А. П. Коржавого 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

УДК 669.1 
ББК 30.3 
 
П56 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук  В. К. Шаталов 
д-р физ.-мат. наук  К. Г. Никифоров 
д-р техн. наук  Л. В. Лысенко 
 
 
 
Пономарёв В. А. 
П56 
 
Порошковые композиционные материалы для изделий электронной техники : научное издание / В. А. Пономарёв, Н. В. Яранцев. 
Под ред. А. П. Коржавого. — М. : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 304 с. 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3854-9 
 
 
 
В книге изложены результаты исследований и разработок технологий 
производства порошковых композиционных материалов на основе молибдена, вольфрама и железа с медью, а также припойных материалов на основе меди и олова, используемых в изделиях электронной техники 
 
 
Даны рекомендации по применению композиционных материалов  
в корпусах мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторов и генераторных лампах  
и рассмотрено влияние напряжений в спаях с керамиками на мощность таких приборов. 
 
 
Изложены рекомендации по технике безопасности при работе с порошковыми материалами и по переработке отходов. 
 
 
Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников отраслей, связанных с производством и применением композиционных материалов, а также может быть полезна студентам, обучающимся по 
направлениям «Физико-технические науки и технологии», «Техносферная 
безопасность и природообустройство». 
 
УДК 669.1 
ББК 30.3 
 
 
 
© Коржавый А. П. (предисловие, 
 
 
заключение), 2014 
 
© Пономарёв В. А., 
 
 
Яранцев Н. В., 2014 
 
© Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3854-9 
им. Н. Э. Баумана, 2014 

Так же как поглощение пищи без 
удовольствия превращается в скучное 
питание, так занятие наукой без 
страсти засоряет память, которая 
становится неспособной усваивать 
то, что она поглощает. 
/ Леонардо да Винчи. Избранное / 

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА 

Относительно небольшой по площади участок Центральной 
России с протяженностью с севера на юг и с запада на восток всего 
по 220 км — Калужская область. Сегодня это самый инвестиционно привлекательный и промышленно развитый регион России. Это 
связано с его умелым и грамотным управлением, а также с тем, что 
в его научно-образовательной сфере трудятся около 350 только 
докторов наук [1], сосредоточенных в основном в городах Калуге  
и Обнинске. Эта сфера была заложена в 60-е годы XX века усилиями выдающихся ученых, и основывалась она на базе молодых 
специалистов — выпускников вузов. Поэтому так весом вклад 
ученых Калужской области в отечественную космическую, авиационную и радиоэлектронную технику, в том числе и в разработку 
и производство композиционных материалов. 
Композиционные материалы и в XXI веке не потеряли своей актуальности, хотя качественные изменения в них стали принципиально новыми: в многослойных металлических рабочими поверхностями стали нанослои, а в порошковых многокомпонентных — 
наночастицы. По-прежнему эти материалы являются основными 
и в электронной технике. К сожалению, в настоящее время новых 
отечественных материалов в серийном производстве совершенно 
недостаточно для удовлетворения всё возрастающих потребностей 
различных отраслей промышленности. Модернизация российской 
экономики невозможна без развития материаловедческой базы 
электронной техники, и такой опыт уже имеется. 

Около 50 лет назад в нашей стране было принято решение о создании в Калуге Всесоюзного научно-исследовательского института 
материалов электронной техники (ВНИИМЭТ), основной целью которого было создание, разработка и исследование физико-химиче 
ских и эксплуатационных свойств многокомпонентных композиций. 
Вплоть до середины 90-х годов прошлого столетия в части разработки и производства композиционных материалов для электронной 
техники это был самый успешный и непревзойденный по их качеству и номенклатуре научно-производственный комплекс на территории Восточной Европы и нынешнего СНГ. Эти достижения в значительной степени обеспечены талантливым учеными организатором 
— директором института, кандидатом физико-математических наук, 
лауреатом Государственной премии СССР в области науки и техники Ф. И. Бусолом. Ему удалось привлечь на направление «Композиционные материалы» молодых физиков и инженеров из различных 
научных школ Киева, Харькова, Ленинграда, Москвы, Новосибирска и других городов, причем весьма энергичных, амбициозных и в 
подавляющем большинстве — талантливых и любознательных. 
Восторженность и соревновательность — девиз специалистов того 
поколения. Это действительно были квалифицированные специалисты, вынесшие из своих школ технические изюминки: харьковчане 
— вакуумную металлургию, киевляне — тонкости холодного прессования, москвичи и ленинградцы — особенности прецизионных 
прокатки и волочения, что позволило строящемуся институту уже 
через пару лет параллельно осуществлять выпуск опытных и серийных партий многослойных металлических и многокомпонентных 
порошковых изделий для самых различных приборов электронной 
техники: вакуумных сверхчастотных и газоразрядных ламп высокоинтенсивного света и лазеров. 
В новом институте ученики научной школы академика К. Д. Синельникова [2]: канд. физ.-мат. наук Ф. И. Бусол, канд. техн. наук 
И. С. Болгов, канд. техн. наук С. И. Файфер — создали свои научнопроизводственные школы из молодых физиков и инженеров, типичными представителями которых являются С. М. Жданов, В. И. Звонецкий, В. В. Инкин, Л. Н. Меерович, В. И. Мороков, В. В. Прасицкий, В. А. Пономарёв, К. П. Редёга, И. А. Тищенко, А. Н. Туманов, 
Н. К. Чернов, В. Д. Чигринец, В. С. Хозиков, О. В. Шустов, Н. В. Яран

цев и др. Профессионально владея приемами вакуумной техники  
и технологиями порошковой металлургии, особенностями обработки материалов давлением и различными видами сварки в приложении к требованиям того времени к изделиям для электронной 
техники [3–7], они в короткие сроки смогли поставить и реализовать большое количество научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, что позволило создать научную и производственную базу по разработке и производству новых отечественных 
многокомпонентных материалов [8]. 
Результаты исследований и производства отечественных многослойных композиционных металлических материалов для электронной техники, выполненных школой И. С. Болгова, недавно были 
обобщены и изложены в монографии Н. К. Чернова [9]. Созданные 
школой С. И. Файфера порошковые композиционные материалы 
были представлены в более широкой номенклатуре, начиная от 
тех, где основой изделия являлись оксиды, а добавками (наполнителями) — металлы [10], до таких, где основой были металлы, 
а меньшими долями в них были оксиды, нитриды и др., а также 
сложные соединения различных элементов [11]. Обобщающей монографии, кроме небольших резюме [12, 13], до настоящего времени по этой проблеме нет, как и не обобщены работы, выполненные 
по этому направлению с применением наноматериалов [14, 15]. 
Первые публикации по новым композиционным порошковым изделиям, эмиттирующим электроны для долговечных вакуумных 
приборов, были опубликованы в 1973 г. [16] и с этого времени стали относительно регулярными. Технологические тонкости при разработке композиций либо оформлялись в авторских свидетельствах 
на изобретения, либо вообще не публиковались в открытой печати. 
Уникальная технология получения катодов из порошков дистиллированного бериллия, поверхность которых окислялась в среде кислорода при наложении электромагнитного поля, обладающих 
долговечностью 5–50 тыс. ч при мощной ионно-электронной бомбардировке, описана в [17]. Необходимо отметить, что уже в 1980-е 
годы появилась возможность широко публиковать результаты исследований и разработок по порошковым композиционным источникам электронов (катоды и электроды) для изделий электронной 
техники [18–21]. Уникальные изделия на основе спеченных вольфрамовых пористых матриц из тонкодисперсных порошков вольф

рама, пропитанных высокоэффективным эмиссионным веществом, 
обладали не только высокой плотностью эмиссионного тока в вакууме, в среде аргона и криптона [18, 21], но и не изменяли своих 
параметров при воздействии целого ряда внешних дестабилизирующих факторов [17]: циклических изменений температуры, вибрационных, линейных и ударных нагрузок при различных ускорениях и частотах, гамма-излучения, облучения нейтронами с различной интегральной дозой, а также акустических шумов разной 
интенсивности. В среде водорода, в условиях, имитирующих работу лазерных пушек, композиционные термокатоды на основе пропитанных матриц, сформированных из вольфрамовых нитей при 
их общей длине до 150 см, имели относительно однородную эмиссионную способность [20]. Технологические процессы изготовления композиционных изделий для электронной техники включали 
горячую и холодную обработку (прессование в стальных и графитовых прессформах, прокатку, плазменное и вакуумное напыление 
и др.), поэтому и был введен общий термин — плакирование [22]. 
В настоящей книге, подготовленной кандидатом технических наук В. А. Пономарёвым и кандидатом технических наук, лауреатом 
Государственной премии Российской Федерации в области науки и 
техники Н. В. Яранцевым, описаны пути становления, развития исследований и разработки технологий получения композиционных 
материалов для электронной техники по уникальному способу, который включает в себя выбор и получение смеси необходимых порошков, прокатку этой смеси в полосу, спекание и последующую её 
раскатку до заданных размеров, на примере композиций, выполненных на основе молибдена, вольфрама и железа с медью. Приведены 
также особенности их серийного производства и применения в различных приборах и изделиях радиоэлектроники. Появление этой 
книги очень важно не только для специалистов, ищущих пути модернизации отечественной промышленности, но и для преподавателей, занимающихся подготовкой высококвалифицированных кадров 
для осуществления инновационной модернизации. 
 
Заслуженный деятель науки Российской Федерации, 
доктор технических наук, профессор 
А. П. Коржавый 

ЛИТЕРАТУРА К ПРЕДИСЛОВИЮ 

 1. Научная элита Калужской области / Сост. А. В. Дерягин. — Калуга : НИИ 
«Ресурс», 2008. — 432 с. 

 2. Коган В. С. Кирилл Дмитриевич Синельников. — Киев : Наукова думка, 
1979. — 68 с. 

 3. Королёв В. И. Основы вакуумной техники. — М.–Л. : Госэнергоиздат, 1958. 
— 408 с. 

 4. Джонс В. Д. Основы порошковой металлургии: свойства и применение порошковых материалов. — М. : Мир, 1965. — 390 с. 

 5. Гельман А. С. Основы сварки давлением. — М. : Машиностроение, 1970. — 
312 с. 

 6. Волкова Э. П., Хотин В. М. Технология электровакуумных материалов. — 
Л. : Энергия, 1972. — 216 с. 

 7. Черепнин Н. В. Вакуумные свойства материалов для электронных приборов. 
— М. : Советское радио, 1966. — 350 с. 

 8. Металлы и сплавы для электровакуумных приборов / А. С. Гладков [и др.]. 
— М. : Энергия, 1969. — 599 с. 

 9. Чернов Н. К. Основы технологии полосчатого плакирования металлов. — 
Калуга : Изд-во научной литературы Н. Ф. Бочкаревой, 2010. — 224 с. 

 10. Файфер С. И., Кофтеев В. Т., Коржавый А. П. Высокотемпературное диффузионное соединение молибдена и тантала с электропроводящими керметами на основе окиси алюминия / В кн. : Диффузионное соединение в вакууме металлов, сплавов и неметаллических материалов. — М. : Изд-во 
ПНИЛДСВ, 1970. — С. 111–119. 

 11. Коржавый А. П. Порошковая металлургия в материалосберегающих технологиях изготовления катодных узлов ИЭТ // Электронная промышленность. 
— 1986. — Вып. 3 (151). — С. 48–49. 

 12. Коржавый А. П., Пролейко И. П., Жданов С. М. Влияние ионноэлектронной бомбардировки на дефектообразование в композиционных 
материалах / В кн. : Дефекты и физические свойства многокомпонентных 
электронных материалов. Под ред. К. Г. Никифорова. — Калуга : Изд-во 
КГПУ им. К. Э. Циолковского, 1999. — С. 49–91. 

 13. Коржавый А. П., Капустин В. И., Козьмин Г. В. Методы экспериментальной 
физики в избранных технологиях защиты природы и человека. — М. : Издво МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. — 352 с. 

 14. Марин В. П., Яранцев Н. В. Техника получения наноматериалов для радиоэлектроники // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборо

строения : материалы VI Международной научно-практической конференции. — М., 2008. — С. 181–188. 

 15. Коржавый А. П., Яранцев Н. В. Технологические аспекты получения сандвич-материалов для электронной техники // Прогрессивные технологии, 
конструкции и системы в приборо- и машиностроении : Труды Всероссийской научно-технической конференции. — М., 2000. — С. 111–112. 

 16. Металлокерамические катодные материалы для электровакуумных приборов / С. И. Файфер [и др.] // Порошковая металлургия. — 1973. — № 2. —  
С. 101–107. 

 17. Коржавый А. П. Малогабаритные холодные катоды. — Калуга : МТНТИП, 
1976. — Информ. лист № 144-77. 

 18. Эффективные катодные материалы / В. Ф. Арцыхович [и др.] // Электронная 
промышленность. — 1984. — Вып. 5. — С. 50–52. 

 19. А. с. 1119102 СССР. Материал для электродов импульсных источников света / В. И. Мороков [и др.]. — 1984. — Б. И. — № 38. 

 20. Протяженные импрегнированные катоды / Б. А. Адамяк [и др.] // Электронная техника. Электровакуумные и газоразрядные приборы. — 1986. — 
Вып. 3 (114). — С. 33–34. 

 21. А. с. 1101924 СССР. Металлопористый катод прямого накала / В. Д. Чигринец [и др.]. — 1984. — Б. И. — № 25. 

 22. Коржавый А. П., Марин В. П., Яранцев Н. В. Технология горячего и холодного плакирования в приборостроении // Наукоемкие технологии. — 2003. 
— Т. 4, №12. — С. 26–37. 

ВВЕДЕНИЕ 

Многие отрасли современной техники и в частности электронная 
промышленность своими успехами обязаны развитию порошковой 
металлургии. Порошковая металлургия занимает особое место: она 
позволяет получать принципиально новые материалы, которые другими способами создать крайне трудно или вообще невозможно. 
Методами порошковой металлургии получают как готовые изделия, не требующие дальнейшей обработки, так и полуфабрикаты, подвергаемые затем различным видам механической и химикотермической обработки. 
Технологические методы получения порошковых материалов 
включают в себя формование, спекание, обработку давлением, резанием и другими способами, позволяющими получать детали с требуемыми свойствами. 
Значительный объем в производстве порошковых материалов 
занимают композиционные материалы (КМ), основа которых состоит из металлов, не образующих сплавы, не растворяющихся 
один в другом. К таким материалам относятся композиции Mo–Cu, 
W–Cu, Mo–Ag, W–Ag, а также другие системы, имеющие в своем 
составе оксиды, карбиды, бориды, нитриды. 
Этот класс материалов наряду с традиционным использованием 
в электроконтактах нашел применение в различных отраслях промышленности, включая электронную. Совмещая в себе высокую 
теплопроводность и регулируемый коэффициент линейного термического расширения (КЛТР), молибдено-медные и вольфрамомедные КМ нашли применение в спаях с керамиками и ферритами. 
Например, хорошо себя зарекомендовал материал МД50Н2К 
в качестве сеточных воротничков в импульсных генераторных лампах. Материалы МД50, МД40, МД30В нашли применение в мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторах, а также в транзисторных сборках. 
Хорошие результаты получены при использовании КМ в качестве 
волноводных трактов для спая с ферритами [88, 90, 97]. 

КМ на основе молибдена и меди, вольфрама и меди, а также 
вольфрама и молибдена с серебром используют в мировой практике 
с конца 40-х годов прошлого столетия [1]. В нашей стране такие материалы начали производить в конце 50-х – начале 60-х годов прошедшего столетия [117]. Технология получения КМ такого класса 
включает в себя прессование заготовок, спекание и, в зависимости 
от содержания легкоплавкой составляющей, пропитку или прокатку. 
В начале 1970-х годов была разработана технология получения 
молибдено-медных и вольфрамо-медных КМ, которая включала 
в себя прокатку смеси порошков в полосы, спекание и раскатку до 
требуемого размера. 
Работы были начаты во ВНИИМЭТ (г. Калуга), и затем технология внедрена на ВМЗ (г. Выкса Нижегородской области) в цехе 
пористого проката. Первым потребителем разработанного материала был завод при НИИ «Пульсар» (г. Москва). 
Первые КМ, которые начал выпускать цех пористого проката по 
Яе0.021.105 ТУ, были МД (40% объемных меди, остальное до 
100% Мо) и МД50Н2К (в процентах по массе: Мо — 52,5; Cu — 45; 
Ni — 2,0; Со — 0,5). Затем был создан ряд вольфрамо-медных 
и молибдено-медных КМ уже новых составов. 
Методом капиллярной сварки и припекания разработаны технологии получения многослойных молибдено-медных и вольфрамомедных КМ и нанесения на них металлических покрытий из меди, 
никеля, ковара. 
Заметим, что к КМ наряду с порошковыми относятся и многослойные материалы, получаемые различными методами, включая 
холодное и горячее плакирование. 
Например, для создания волноводных систем повышенной мощности ужесточаются требования к волноводным трактам и, как 
следствие, к материалам для волноводов. Допустимый уровень мощности устройства определяется в конечном счете степенью нагрева 
ферритовых пластин. Для уменьшения нагрева ферритовых пластин подложка, к которой они припаиваются, должна иметь высокую теплопроводность. Одновременно к материалу подложки предъявляются требования по КЛТР. КЛТР материала подложки должен 
быть близким к значениям КЛТР феррита в интервале температур 
20–300°С, а в некоторых случаях — 20–600°С.