一種高導熱材料複合傳導結構的製作方法
2023-08-22 17:59:06
專利名稱：一種高導熱材料複合傳導結構的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電子元器件領域，具體涉及到適用於微波真空電子器件中的一種高導熱材料複合傳導結構。
背景技術：
在各種大功率微波器件的高技術領域中，為了防止器件過熱，需要使器件內部工作時產生的大量熱能即時傳導到器件外部(冷端)，再通過外部的各種途徑進行散熱。在許多情況下，由於各種電性能要求的限制，內部發熱源與外部散熱部位(一般為金屬)不能直接電連接，因此在內部發熱源與外部散熱部位之間必需增加一層或多層絕緣層，這些層面會對熱能的傳導產生阻尼，因而要求絕緣層材料不僅滿足所需的絕緣強度的要求，同時要具有高導熱率的特性。通常使用各種高導熱陶瓷件作為熱源與冷端的絕緣、導熱介質。目前國內器件使·用的絕緣散熱材料主要是以陶瓷為主，如氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁、氮化硼等。氧化鋁陶瓷工藝成熟，是目前應用最廣泛的陶瓷絕緣材料，但其熱導率相對較低，不能滿足大功率器件的散熱要求。氧化鈹陶瓷導熱性能最好，在電真空器件中大量使用，但其熱導率隨溫度升高急劇下降，熱導率由室溫下的250W/m-K降低到在高溫250° C溫度下的120W/m ·Κ和更高溫度400° C下的60W/m*K。並且因氧化鈹有毒，在大規模集成電路等民用領域已基本不被採用。氮化鋁陶瓷具有較好的導熱性能，同時還具有很好的機械強度，但其介質損耗較高，也不被用戶青睞。導熱率最好的介質材料為金剛石，其導熱率可達到1500W/m · K，但在真空電子器件領域要求的高品質、大尺寸金剛石造價昂貴，難以普及使用。同時由於高導熱冷端金屬，例如導熱率最高的常用金屬銅(其導熱率370W/m · K)，導熱率遠低於金剛石，但其膨脹係數為金剛石的4倍，如此大的差異難以將二者直接結合，以獲得高導熱的性能。於是尋找到一種中間過渡的金剛石銅的複合材料，可與金剛石結合形成導熱性能優良的複合傳導結構。金剛石銅是金剛石銅顆粒分散在金屬銅中的複合材料，其特點是高導熱率，室溫下大於650ff/m · K,低膨脹係數,可與金剛石匹配。
發明內容本實用新型需要解決的技術問題是，針對已有的陶瓷導熱材料存在的問題，即導熱性能和溫度穩定性較差，在大功率微波器件使用中，時有出現燒毀和性能惡化現象，為了克服這一缺陷，就需要開發出一種新的傳導結構，既使其絕緣性能優良、介質損耗低，同時又具有高熱導率的複合傳導結構。本實用新型擬採用金剛石作為導熱、絕緣介質，再與高導熱、並具有金屬特性的複合材料一金剛石銅相結合的高導熱複合傳導結構。本實用新型的目的在於提供一種高導熱材料複合傳導結構。本實用新型是依靠以下技術方案來實現的，一種高導熱材料複合傳導結構，包括用於微波真空電子器件慢波系統中三根或多根夾持杆及固態器件基片，其特徵在於，所述夾持杆及基片，其結構是將位於上層的金剛石絕緣材料和位於下層的高導熱複合金屬一金剛石銅經釺焊結合，固定為一複合體結構。該複合體再經雷射切割成所需外形尺寸。這種結構具有以下優點I)以金剛石和金剛石銅這種複合材料分別作為絕緣介質和導熱金屬的複合體結構，可以獲得極高的導熱率。2)兩種材料膨脹係數接近，可放心地在高溫環境下使用3)所用金剛石厚度可以大幅度降低，利於降低製造成本。金剛石部分介電常數和介質損耗低、絕緣性能可靠，無毒、耐高溫，可滿足慢波系統夾持杆或固態器件基片的使用要求。同時其金屬部分力學性能優良、耐化學腐蝕，導熱率高，陶瓷部分的熱量可通過金屬快速導出，是理想的絕緣散熱基板和介質夾持杆散熱結構。·
圖I為微波器件導熱原理圖圖2為傳統使用的陶瓷散熱材料示意圖圖3為高導熱材料複合結構示意圖圖4幾種導熱材料性能對比示意圖
具體實施方式
參照圖1，表不傳統情況下，在微波真空電子器件中熱能傳導的一般規律不意圖。圖中熱源是指位於器件中心的電子束，熱能傳向外圍的慢波結構陶瓷介質組件，以及相應器件外部的管殼、磁鋼。參照圖2，表示傳統使用的絕緣介質夾持杆與慢波系統示意圖，這種結構存在著一些功能的缺陷，但目前仍在廣泛地使用著。參照圖3，表示本實用新型所述的高導熱材料複合結構示意圖。該複合結構的室溫導熱率> 500ff/m ·Κ，250 導熱率> 350W/m · K，400C導熱率彡300ff/m · K，介質層厚度範圍為O. Imm O. 3mm ;複合結構的尺寸範圍為 O. 3mm (寬)X0. 7mm (厚)X 50mm (長)；對於這種複合結構的工藝實現，採用釺焊連接方式將兩種材料結合為一體，採用現有成熟的釺焊工藝方式進行焊接，工藝過程相對簡單，但複合層的界面熱阻會影響複合結構整體的熱導率。複合後的整體材料可通過雷射加工成所需形狀。圖中I為高導熱金屬金剛石銅，通過釺焊的方式連接著金剛石介質4，二者的結合界面為5，該複合結構的夾持杆夾著慢波螺旋線2，將慢波線整體裝配在管殼3中。參考圖4，表示幾種導熱材料性能對比示意圖，A代表本專利所述導熱材料複合結構的夾持杆，B為氧化鈹瓷杆，C與D分別代表氮化鋁和氮化硼瓷杆,可以看出，本複合材料的導熱率很高。
權利要求1. 一種高導熱材料複合傳導結構，包括用於微波真空電子器件慢波系統中三根或多根夾持杆，還包括用於微波固態器件中高導熱絕緣基片，其特徵在於，所述慢波系統中夾持杆以及固態器件中高導熱絕緣基片均為複合結構，該結構是將位於上層的金剛石絕緣材料與位於下層的高導熱複合金屬一金剛石銅用釺焊連結，固定為一複合體。
專利摘要一種高導熱材料複合傳導結構，屬於電子元器件領域，包括用於微波真空電子器件慢波系統中三根或多根夾持杆及用於微波固態器件中高導熱絕緣基片，二者均為複合結構，該結構是將位於上層的金剛石絕緣材料和位於下層的高導熱複合金屬—金剛石銅用釺焊連結固定為一複合體。該複合傳導結構的溫度熱導率≥500W/m·K；介電常數和介質損耗低、絕緣性能可靠，無毒、耐高溫，可滿足慢波系統夾持杆或固態器件基片的使用要求。
文檔編號H01J23/00GK202695372SQ20122035876
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月23日 優先權日2012年7月23日
發明者楊明華, 楊小萌, 黃拓撲, 周明幹, 李瑤 申請人:中國電子科技集團公司第十二研究所