專利名稱：一種大功率盒形窗口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波電子器件制造領(lǐng)域，特別是一種大功率盒形輸能窗口。
背景技術(shù)：
大功率真空微波器件是利用電子注與微波電磁場互相作用而進(jìn)行微波放大的電 真空器件，它具有高峰值功率，高平均功率以及較低成本等特點(diǎn)，是各種微波電子系統(tǒng)的心 臟，在進(jìn)入21世紀(jì)的今天，仍然是一種不可替代的微波功率源。微波電真空器件能夠可靠 運(yùn)行，就需要高真空的內(nèi)部環(huán)境，輸能窗就是解決高頻能量輸出和維持器件本身高真空性 能之間的矛盾而出現(xiàn)的，它對(duì)器件和系統(tǒng)的功率容量、高頻特性、可靠性和壽命具有重要的 影響。 —直以來，大功率真空器件都是利用一種盒形窗，即將一個(gè)圓盤介質(zhì)片密封在截 面相同的圓波導(dǎo)中，兩端通過轉(zhuǎn)換和矩形波導(dǎo)相連而成，這種窗的優(yōu)點(diǎn)是承受的功率大，頻 帶寬，結(jié)構(gòu)簡單，常用的介質(zhì)片一般為A1203陶瓷和玻璃，但都具有一些不可避免的缺點(diǎn)。 首先介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)比較小，為了得到高可靠的封接結(jié)構(gòu)，金屬一般選用熱膨脹系數(shù)與 介質(zhì)相近的可伐或鉬銅鎳金屬，由于此兩種金屬的表面電阻都比較大，增大了功率的損耗， 在長時(shí)間的工作狀態(tài)下，輸能窗的溫度就會(huì)持續(xù)升高，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來很大的危害其 次，介質(zhì)的導(dǎo)熱能力一般，不能將產(chǎn)生的熱量很快的傳導(dǎo)出去，從而加劇了窗口溫度的升 高；最后，八1203陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)比較大，增加了等效加載電容，使得頻帶變窄，雖然玻 璃具有較低的相對(duì)介電常數(shù)，頻帶可以較寬，但其功率和熱承受能力很低，很容易擊穿或釬 焊時(shí)炸裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種新型的大功率盒形輸能窗口 ，功率容量大，高頻特性好，可靠性 和壽命都有大幅度提高。所述技術(shù)方案如下 —種大功率盒形輸能窗口，在圓波導(dǎo)中設(shè)置一個(gè)圓盤陶瓷介質(zhì)片，其特征在于，所 述輸能窗門的窗瓷為各向異性的氮化硼陶瓷，封接采用垂直于氮化硼沉積方向的套封結(jié) 構(gòu)，無氧銅外圍陶瓷封裝的位置緊套一個(gè)金屬鉬環(huán)。 優(yōu)選的，所述輸能窗口的封接圓波導(dǎo)采用高導(dǎo)電率，高導(dǎo)熱率的無氧銅材料。
優(yōu)選的，所述氮化硼陶瓷采用AgCuTi焊料在真空爐中釬焊的方式進(jìn)行封接。
優(yōu)選的，所述輸能窗口的無氧銅波導(dǎo)的壁厚為0. 5mm。
優(yōu)選的，無氧銅封接波導(dǎo)的外圍套用一鉬金屬環(huán)作為保護(hù)。 優(yōu)選的，所述輸能窗口在工作時(shí)采用風(fēng)冷或水冷此兩種冷卻方式中的一種進(jìn)行冷 卻。 優(yōu)選的，所述氮化硼陶瓷和封接圓波導(dǎo)之間的應(yīng)有0. lmm-0. 15mm的間隙用來涂 Ti粉不超過0. 02mm。 優(yōu)選的，所述介質(zhì)陶瓷采用氣息沉降形成的各向異性的氮化硼陶瓷。
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本發(fā)明的有益效果是，與常用的盒形輸能窗口相比，由于采用了氮化硼作為介質(zhì)， 其介電損耗小，高溫導(dǎo)熱好，且采用無氧銅密封介質(zhì)片，其又具有導(dǎo)電率高、導(dǎo)熱能力好的 特性，因此本發(fā)明所述的大功率盒形窗口功率損耗小，加之采用冷卻技術(shù)，長期工作仍能保 持低溫狀態(tài)，可靠性大大提高。


圖1為本發(fā)明所述的采用風(fēng)冷的大功率窗的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，a為b的剖視圖， c為a的局部放大視圖；1-1為氮化硼陶瓷、l-2為可伐金屬支撐環(huán)、l-3為封接圓波導(dǎo)、l-4 為金屬鉬保護(hù)環(huán)； 圖2為是本發(fā)明所述的采用水冷的大功率窗的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，2-l為氮化硼陶 瓷、2-2為可伐金屬支撐環(huán)、2-3為封接圓波導(dǎo)、24為金屬鉬保護(hù)環(huán)、2-5為水管接頭；
圖3為本發(fā)明所述熱沖擊試驗(yàn)曲線示意圖；其中，3-l和3-1為放進(jìn)窗口，3-2和 3-4為取出窗口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上作了改進(jìn)創(chuàng)新，采用高導(dǎo)熱系數(shù)的氮化硼陶瓷，提供了一種結(jié)構(gòu) 合理，既能解決陶瓷開裂，又能解決窗口溫度持續(xù)增高問題的新型大功率窗口 。首先，氮化 硼陶瓷是采用氣息沉降形成的各向異性材料，尤其具有介電常數(shù)低，介電損耗小，高溫導(dǎo)熱 好，介電強(qiáng)度高等令其他陶器無法比擬的優(yōu)良電氣性能。自身結(jié)構(gòu)上的各向異性，使得氮 化硼陶瓷在不同的方向上的物理機(jī)械性能均有較大差異，由于平行于沉積面方向的強(qiáng)度較 高，故封接時(shí)采用垂直于沉積方向的套封結(jié)構(gòu)?？紤]到所用金屬對(duì)功率有較低損耗和具有 良好的導(dǎo)熱性能，密封介質(zhì)片的圓波導(dǎo)采用高電導(dǎo)率、高導(dǎo)熱的無氧銅材料，同時(shí)為避免金 屬和陶瓷熱膨脹系數(shù)上的巨大差異而造成的陶瓷高溫拉裂的問題，通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，特別 將無氧銅圓波導(dǎo)的壁厚設(shè)計(jì)為0. 5mm，并在無氧銅外圍陶瓷封接的位置緊套一個(gè)熱膨脹系 數(shù)低的金屬鉬環(huán)，這樣最終形成了一種對(duì)氮化硼陶瓷產(chǎn)生以徑向壓應(yīng)力為主的牢靠結(jié)構(gòu)。 此外為了保證整個(gè)窗口的機(jī)械強(qiáng)度，在整個(gè)窗口的外圍套用一個(gè)壁厚1. 0mm的無氧銅環(huán)作 為支撐，同時(shí)，此環(huán)的邊緣又是應(yīng)用輸能窗時(shí)氬弧焊所用。根據(jù)此窗口的應(yīng)用環(huán)境，上述方 法所形成的結(jié)構(gòu)可以選擇采用兩種方便而又有效的冷卻方式，其一，風(fēng)冷結(jié)構(gòu)。金屬鉬環(huán)與 支撐環(huán)緊密貼合，內(nèi)部熱量傳導(dǎo)到外圍的表面被風(fēng)帶走；其二，水冷結(jié)構(gòu)。無氧銅環(huán)和支撐 環(huán)之間留有足夠的空間，并沖滿流動(dòng)的水以進(jìn)行冷卻。其次，氮化硼的介電損耗小，高溫導(dǎo) 熱好，無氧銅的導(dǎo)電率高，導(dǎo)熱能力好，故此設(shè)計(jì)一方面對(duì)功率的損耗小，另一方面由于采 用的材料導(dǎo)熱性好，加之采用風(fēng)冷或水冷，保證了窗口在長期工作中仍處于一個(gè)低溫的狀 態(tài)，從而就保證了窗口的穩(wěn)定可靠性。最后，采用AgCuTi真空釬焊，從而解決的氮化硼封接 難的問題。 下面結(jié)合附圖，對(duì)本新型結(jié)構(gòu)的制作工藝作進(jìn)一步的描述 1.將研磨好的鈦粉(顆粒度< 0.02mm)經(jīng)消棉調(diào)和成膏狀，均勻涂抹于氮化硼 陶瓷(1-1)的焊接面上，其余部分不能沾有Ti粉，烘干后，稱量，直到涂抹到與小0.5的 AgCu28焊料絲相對(duì)應(yīng)的重量(重量根據(jù)焊接面積計(jì)算)；
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2.將涂鍍好的氮化硼陶瓷裝配到封接圓波導(dǎo)l-3上，注意間隙不能超過 0. 02mm(涂鈹前的間隙在0. 1_0. 15mm)，且裝配到緊貼封接圓波導(dǎo)的臺(tái)階為準(zhǔn)，在顯微鏡下 檢查除焊接面外不能沾有Ti粉顆粒。并將金屬鉬環(huán)套在封接圓波導(dǎo)外側(cè)。
3.用0 0. 5的AgCu28焊料絲繞制與封接圓波導(dǎo)內(nèi)徑相同的焊料環(huán)1圈，然后將焊 料環(huán)放進(jìn)封接圓波導(dǎo)內(nèi)，緊貼氮化硼陶瓷。 4.將支撐無氧銅環(huán)1-5裝配到封接圓波導(dǎo)的外側(cè)，最后將轉(zhuǎn)接方波導(dǎo)分別裝配到 封接圓波導(dǎo)的兩側(cè)，帶有螺絲孔的轉(zhuǎn)接方波導(dǎo)1-6為白銅材料，具有很高的強(qiáng)度，另一側(cè)的 轉(zhuǎn)接方波導(dǎo)1-7為無氧銅材料，具有很低的損耗。 5.在裝配過程中，在圖1中1-8處用0 0. 5的PdAgCulO焊料絲繞制相同直徑的焊 料絲環(huán)，并將焊料裝配好。 6.在真空爐釬焊過程中，按照PdAgCulO的釬焊程序進(jìn)行。 7.采用水冷的結(jié)構(gòu)需先將進(jìn)出水口與支撐環(huán)釬焊在一起，且還得注意進(jìn)出水口的 方向與窗口法蘭的相對(duì)位置； 8.用釬焊所用的工裝將裝配好的窗口固定好，進(jìn)入真空釬焊爐釬焊；
9.釬焊完畢，取下工裝檢驗(yàn)氣密性。 10.在可控馬弗爐中做熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如圖四所示，在馬弗爐溫度升到 500°C時(shí)，打開爐門放進(jìn)窗口 ，保溫15min，打開爐門取出窗口 ，大氣中冷卻至室溫，此過程重 復(fù)五次，最終仍能保證良好的氣密性。 上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式 的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)直接應(yīng)用 于其它場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種大功率盒形輸能窗口，在圓波導(dǎo)中設(shè)置一個(gè)圓盤陶瓷介質(zhì)片，其特征在于，所述輸能窗口的窗瓷為各向異性的氮化硼陶瓷，封接采用垂直于氮化硼沉積方向的套封結(jié)構(gòu)，無氧銅外圍陶瓷封裝的位置緊套一個(gè)金屬鉬環(huán)。
2. 如權(quán)利要求1所述的大功率盒形輸能窗口，其特征在于，所述輸能窗口的封接圓波 導(dǎo)采用高導(dǎo)電率，高導(dǎo)熱率的無氧銅材料。
3. 如權(quán)利要求1、2所述的大功率盒形輸能窗口，其特征在于，所述氮化硼陶瓷采用 AgCuTi焊料在真空爐中釬焊的方式進(jìn)行封接。
4. 如權(quán)利要求2所述的大功率盒形輸能窗口 ，其特征在于，所述輸能窗口的無氧銅波 導(dǎo)的壁厚為0. 5mm。
5. 如權(quán)利要求1、2所述的大功率盒形輸能窗口，其特征在于，整個(gè)窗口的外圍套用一 個(gè)可伐金屬環(huán)作為支撐。
6. 如權(quán)利要求1所述的大功率盒形輸能窗口 ，其特征在于，所述輸能窗口在工作時(shí)采 用風(fēng)冷或水冷此兩種冷卻方式中的一種進(jìn)行冷卻。
7. 如權(quán)利要求1所述的大功率盒形輸能窗口，其特征在于，所述氮化硼陶瓷和封接圓 波導(dǎo)之間的間隙不超過0. 02mm。
8. 如權(quán)利要求1-7所述的大功率盒形輸能窗口 ，具特征在于，所述介質(zhì)陶瓷采用氣息 沉降形成的各向異性的氮化硼陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大功率盒形窗口，其特征在于本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)創(chuàng)新，采用AgCuTi真空釬焊介電常數(shù)低，介電損耗小，高溫導(dǎo)熱好的氮化硼陶瓷，封接圓波導(dǎo)采用外套保護(hù)金屬鉬環(huán)的薄壁無氧銅材料，在冷卻上采用風(fēng)冷或水冷兩種可供選擇的有效方式，從而解決了傳統(tǒng)大功率窗口封接難、功率損耗大，長時(shí)間工作溫度高，且散熱難的問題。
文檔編號(hào)H01P1/08GK101789534SQ20091025148
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者吳華夏, 孫德軍, 張麗 申請(qǐng)人:安徽華東光電技術(shù)研究所