衰减陶瓷在真空电子器件中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:李秀霞

  衰减瓷是超高频器件中的衰减介质材料,用于吸收部分不需要的微波电磁场能量,要求具有衰减比大,热稳定性好,高温不放气等性能。衰减瓷一般是多孔结构,往往需要用特殊的封接工艺。衰减瓷用于超高频器件的内部,起着体积衰减作用或同轴磁控管中的抑制寄生模式的瓷环等。其中瓷的衰减量与陶瓷的制造工艺有关,但它在整个器件的导热情况却与封接工艺有关。

  一般情况下,我们把衰减瓷环一个挨一个的摆放在腔体内,用无氧铜环压紧并把无氧铜环焊在腔体内,达到固住衰减瓷的目的。简要的结构示意图如图1 所示。这样的结构工艺较简单。但是衰减瓷环与腔体不能有良好的接触,不能与腔体合为一个整体,而且由于衰减瓷环与腔体(一般为无氧铜) 膨胀系数不同,在器件工作时由于温度较高,使得衰减瓷环与腔体脱离,不利于热量及时导出,从而会产生震荡,影响整个管体性能,造成器件不能正常的工作或使用寿命缩短。针对此现象本文通过实验,采取了Ti-Ag-Cu 的活性焊接方法,把衰减瓷与腔体焊接在一起,成为一个整体,并通过改进模夹具,避免了衰减瓷在焊接过程中的炸裂现象, 使衰减瓷与腔体有着良好的接触,热量能够及时散出,延长了使用寿命。

原焊接位置结构示意图

图1  原焊接位置结构示意图

1、实验过程

1.1、使用材料

  无氧铜管、无氧铜环(按规范进行化学清洗);Ti-Ag-Cu 焊料片按规范进行化学清洗并进行真空炉退火;

  BeO瓷环,(BeO:94%,TiO2:6% ) ,按规范进行清洗并进行真空炉烧结。

1.2、模具的选用

  由于石墨材料的膨胀系数较小,选用石墨材作为对中模具,即保证了部件的对中同心精度,又解决了瓷环焊接时由于使用不锈钢模具所引起的陶瓷炸裂现象。另外选用石墨材料装在无氧铜管的外围,也有效地抑制无氧铜高温膨胀。实验中所用的对中模具和抑制膨胀模具分别如图2(a) 和图2(b)所示。

对中模具和抑制膨胀模具

图2  对中模具和抑制膨胀模具

1.3、装架步骤

  将清洗好的无氧铜环和BeO衰减瓷环按装架顺序摆放好,把Ti-Ag-Cu焊料片剪成衰减瓷环外套封的侧面积大小,并卷在已摆放好无氧铜环和衰减瓷环的外表面,一起插入欲焊接的无氧铜管中的焊接的部位(侧封) 。改进后的焊接位置如图3 所示。通过这样的改进,可以使每一个衰减瓷环都能够与无氧铜管有着良好的接触,利于热量的导出。放入对中模具和抑制膨胀的模具中准备焊接。

改进后的焊接位置示意图

图3  改进后的焊接位置示意图

1.4、焊接温度

  将以上装配好的部件放在真空炉中进行焊接,缓慢升降温,保温30~50min ,指示焊料(Ag-Cu28焊料,熔流点780℃) 熔化后提高到40~70℃。

2、分析结论

2.1、将衰减瓷与腔体进行焊接的工艺优于衰减瓷直接码放的工艺

  由于BeO与无氧铜的热膨胀系数相差很大,采取直接码放的工艺不能保证两者的密切接触。几种常见材料的热膨胀系数如图4所示。而用Ti-Ag-Cu焊料对BeO衰减瓷进行外套封的活性焊接,保证了瓷环与外壁良好接触,散热性能较好。

几种常见材料的热膨胀系数

图4  几种常见材料的热膨胀系数

2.2、石墨模具的选取

  通过分析该焊接结构,选取石墨模具作为对中模具。石墨的热膨胀系数较小,与氧化铍的热膨胀系数也比较接近,既能保证部件的同心度。同时,又不会因两者的膨胀系数差异引起陶瓷炸裂问题。

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