CN102570094A

CN102570094A - 一种超高真空装置用高压引线组件及制造方法

Info

Publication number: CN102570094A
Application number: CN2010106120901A
Authority: CN
Inventors: 赵世柯; 樊会明; 苏小保; 肖东梅
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种超高真空装置用高压引线组件及制造方法，涉及真空电子技术，包括金属引线、绝缘瓷件、瓷封合金件、引线法兰；本发明的高压引线组件具有结构强度高、体积紧凑、耐压效果好等特点，有利于提高超高真空装置的可靠性和高压适用范围。本发明的内容包括高压引线组件的结构设计、所用材料及制造工艺等。

Description

一种超高真空装置用高压引线组件及制造方法

技术领域

本发明涉及真空及真空电子技术领域，具体地说，涉及的是一种超高真空装置用高压引线组件及制造方法。

背景技术

真空装置和技术在许多领域都有应用，并因此得到广泛而深入的研究[参考文献：W.Umrath，Fundamentals of Vacuum Technology，Cologne(Germany)，1998]。在这些装置中经常要用到电极引线，其一端连接真空中的电极，另一端引出至大气中连接在高压电源上。电极引线组件由绝缘陶瓷、瓷封合金及金属引线封接而成，除了要满足真空气密性的要求外，最重要的是要能够耐受几千到几万伏不等的高压而不损坏。

在实际中，有时因结构设计或工艺不当导致电极引线组件耐压能力不够、可靠性不高(如漏电、打火)，需要经常更换引线法兰。而真空电子器件(速调管、行波管等)从本质上说也是一类(超高)真空装置，同样需要通过高压引线组件对器件内部的电极加电。真空电子器件上的高压引线组件一般与器件主体是一体的，一旦高压引线组件失效(如漏气、高压击穿等)将导致器件的整体失效，因此对高压引线组件的可靠性要求更高。如在行波管所有的故障模式中，高压击穿占的比例达30％以上[参考文献：A.S.Gilmour，Principles of Traveling Wave tubes，1994ARTECHHOUSE，INC.，685Canton Street，Norwood，MA 01062]，其中一部分故障就与高压引线组件的击穿有关。

影响高压引线组件质量的因素包括：结构设计、材料选择及处理、制造及净化工艺等，其中结构设计是最关键因素，不仅要考虑真空外部的耐压，更重要的是要考虑真空内部的耐压(这一点以前没有得到应有的重视)，同时还要兼顾绝缘瓷件、封接结构的强度及工艺实施特性。在选用的材料中目前使用最多的是A-95(95％Al₂O₃陶瓷)和瓷封可伐合金，只是在结构设计及具体制造工艺上不同真空设备制造厂家还存在一些差异。

发明内容

本发明的目的是公开一种超高真空装置用高压引线组件及制造方法，通过结构优化设计、制造出一种结构强度高、体积紧凑、耐压性能好的适合于超高真空装置及真空电子器件用高压引线组件。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种超高真空装置用高压引线组件，其包括金属引线、绝缘瓷件、瓷封合金件、引线法兰；其中，圆管状绝缘瓷件上部外圆为波纹结构，下部为棒状，金属引线位于中心通孔内，两端伸出；

瓷封合金件为二件：一件是片状环，片状环中心孔直径与金属引线外径相适配，金属引线从中心孔穿过，片状环封接于绝缘瓷件上端面，另一件为筒状，上端是片状环，片状环周圆成直角向下延伸成筒状，筒状上端片状环中心孔直径与绝缘瓷件下部棒状外径相适配，套置于下部棒状外，且筒状上端片状环封接于绝缘瓷件下端波纹的下端面；

引线法兰内径与筒状瓷封合金件外径相适配，以垂直于筒状瓷封合金件外圆的方式封接于筒状瓷封合金件外圆上；

绝缘瓷件的波纹结构位于真空之外，绝缘瓷件的下部筒状瓷封合金件位于真空之内，为保证真空内部绝缘，绝缘瓷件位于真空内部的部分在金属引线与引线法兰及各极之间留有足够的爬电距离和真空间隙。

所述的高压引线组件，其所述绝缘瓷件，其外径(φ1)为4-15mm之间，中心通孔直径(φ_孔)为0.5～1.6mm；

其波纹结构中，波谷直径(φ3)大于2mm，波齿间距(h1)大于0.5mm，多个波齿宽(h2)为1～4mm，最下端的波齿宽(h3)大于(h2)，且不小于2mm；波齿与波谷直径之差φ1-φ3＝2d小于波齿直径φ1的1/3，但d不小于0.5mm；波纹段长度(H1)与波齿直径(φ1)之比在1～5之间；

其棒状长度(H2)为5-20mm之间，外径(φ2)为2-15mm之间。

所述的高压引线组件，其所述绝缘瓷件，为95％、99％氧化铝或氧化铍陶瓷材料制作；绝缘瓷件上下端的焊接面，采用常规的高温Mo-Mn法进行金属化工艺处理后，再经过电镀镍(Ni)、烧氢。

所述的高压引线组件，其所述金属引线为镍丝，规格为φ0.4～1.5mm。

所述的高压引线组件，其为减小陶瓷-金属封接处的应力，封接区域经由过渡金属件至引线法兰的距离(H3)应大于1mm。

所述的高压引线组件，其所述固接，为密封焊接，在绝缘瓷件上端面为平封，封接面积满足(φ3-φ_孔)/2＞0.8mm；下端面固接部，平封时，封接面积满足(φ1-φ2)/2＞0.8mm，套封时，封接面积＞1mm×πφ2；陶瓷封接部分的厚度为0.2～0.6mm。

一种所述的高压引线组件制造方法，其包括步骤：

A)准备金属引线、引线法兰，制备绝缘瓷件，冲制或车制两瓷封合金件；

B)采用Mo-Mn法对绝缘瓷件上下端的待封接区域进行金属化处理；

C)对金属化合格的绝缘瓷件进行电镀镍和烧氢处理；

D)使用前，对金属引线清洗、并烧氢处理；对两瓷封合金件进行清洗、电镀镍、烧氢处理；

E)钎焊：

(1)钎焊焊料选择纯Ag或Ag-Cu共晶焊料；

(2)将共晶焊料制成厚度为0.1mm焊料片及直径为0.4mm的焊料丝，预先将焊料片冲制或线切割成与封接面同样的形状和尺寸；

(3)将金属引线、绝缘瓷件、瓷封合金件、引线法兰、焊料片、焊料丝进行组装，成半成品；

(4)将(3)步的半成品装配在封接模具上，在真空或氢气保护气氛中焊接，升、降温速率10～30℃/分钟，焊接温度高于指示焊料熔化温度30～50℃，保温时间1～5分钟。

所述的高压引线组件制造方法，其所述E)钎焊的(3)步，是将第二瓷封合金件、焊料片、瓷件、焊料片、第一瓷封合金件、镍丝、焊料丝按顺序组装成半成品。

所述的高压引线组件制造方法，其所述焊料丝，是将焊料丝在镍丝上缠绕至少三圈。

本发明的一种超高真空装置用高压引线组件及其制造方法，为先进真空装置的研制提供了新的选择，也为高可靠真空电子器件的研制提供了有益的技术支持。

附图说明

图1为本发明的一种超高真空装置用高压引线组件结构示意图；其中：

1.瓷封合金件1(可伐片)；2.封接区域1；3.封接区域2；4.绝缘瓷件；5.瓷封合金件2；6.引线法兰；7.金属引线(镍丝)

具体实施方式

本发明的一种超高真空装置用高压引线组件及制造方法，以结构优化设计为核心，针对原来一些高压引线结构存在的问题，综合考虑高压引线组件的结构可靠性、真空气密性和耐压性能，其结构强度高、体积紧凑、耐压性能好，适合超高真空装置及真空电子器件使用。

本发明的一种超高真空装置用高压引线组件，其结构如图1所示：

(1)绝缘瓷件4的结构处于真空之外的部分为波纹结构，引线孔φ0.5～1.6mm；

(2)波谷与波齿处直径之差小于波峰处直径的1/3(即2d/φ1小于1/3)，但d不小于0.5mm；

(3)波纹段总体长度(H)与波齿处直径(φ1)之比在1～5之间；

(4)靠近封接端h1大于0.5mm，h2处于1～4mm的范围内，并保证上端封接面积：(φ3-φ_孔)/2＞0.8mm(平封)；下端封接面积：(φ1-φ2)/2＞0.8mm(平封)或＞1mm×πφ2(套封)；

(5)绝缘瓷件4位于真空内部的部分在金属引线1与引线法兰6及各极之间留有足够的爬电距离和真空间隙。

本发明的一种超高真空装置用高压引线组件的制造方法：

(1)绝缘瓷件4金属化；

a)采用高温Mo-Mn法对绝缘瓷件4待焊接区域进行金属化处理；

b)对金属化合格的绝缘瓷件4进行电镀镍和烧氢处理。

(2)瓷封合金件1、5清洗、电镀镍、烧氢处理

(3)选用合适规格的金属引线7镍丝，清洗、烧氢后备用；

(4)组装、钎焊：

a)钎焊焊料选择纯Ag或Ag-Cu共晶焊料；

b)在真空或氢气保护气氛中焊接，升、降温速率10～30℃/分钟，焊接温度高于指示焊料熔化温度30～50℃，保温时间1～5分钟。

实施例：

1.按图1所示结构加工或采购95％氧化铝绝缘瓷件4。具体结构尺寸如下：φ1＝6.5mmm，φ2＝4mm，φ3＝4.5mm，φ_孔＝0.8mm，h1＝h2＝1.2mm，h3＝2.5mm，H1＝10.9mm，H2＝10mm，d＝1mm。

2.采用冲压工艺，按图1所示结构加工第一瓷封合金件1和第二瓷封合金件5(均为4J33)，零件厚度(δ)取为0.3mm。其中第一瓷封合金件1中心孔直径为0.65mm，外径与φ3一致。

3.金属引线7采用φ0.6mm的镍丝，并经过清洗、退火处理

4.按平封结构对瓷件封接面2、3进行金属化、镀镍、烧氢处理。

5.对瓷封合金件1、5进行清洗、镀镍和烧氢处理

6.采用厚度为0.1mm的纯Ag焊料片及直径为0.4mm的纯Ag焊料丝进行陶瓷-金属封接。预先将焊料片冲制或线切割成与封接面2、3同样的形状和尺寸。

7.按顺序将第二瓷封合金件5、焊料片、瓷件、焊料片、第一瓷封合金件1、镍丝、焊料丝(在镍丝上缠绕3圈)装配在封接模具上，在氢气气氛中封接。

8.升温速率不大于30℃/分钟，指示焊料熔化后继续升高温度40℃保温2分钟，之后开始降温，降温速率不大于20℃/分钟。

按照上述方法制造的高压引线组件用于某波段空间行波管的电子枪和收集极组件中，可以提供大于10KV的耐压，封接成品率大于95％以上。

Claims

1.一种超高真空装置用高压引线组件，其特征在于，包括金属引线、绝缘瓷件、瓷封合金件、引线法兰；其中，圆管状绝缘瓷件上部外圆为波纹结构，下部为棒状，金属引线位于中心通孔内，两端伸出；

瓷封合金件为二件：一件是片状环，片状环中心孔直径与金属引线外径相适配，金属引线从中心孔穿过，片状环固接于绝缘瓷件上端面，另一件为筒状，上端是片状环，片状环圆周成直角向下延伸成筒状，筒状上端片状环中心孔直径与绝缘瓷件下部棒状外径相适配，套置于下部棒状外，且筒状上端片状环固接于绝缘瓷件下端波纹的下端面；

引线法兰内径与筒状瓷封合金件外径相适配，以垂直于筒状瓷封合金件外圆的方式固接于筒状瓷封合金件外圆上；

2.如权利要求1所述的高压引线组件，其特征在于，所述绝缘瓷件，其外径(φ1)为4-15mm之间，中心通孔直径(φ_孔)为0.5～1.6mm；

其棒状长度(H2)为5-20mm之间，外径(φ2)为2-15mm之间。

3.如权利要求1所述的高压引线组件，其特征在于，所述绝缘瓷件，为95％、99％氧化铝或氧化铍陶瓷材料制作；绝缘瓷件上下端的焊接面，采用常规的高温Mo-Mn法进行金属化工艺处理后，再经过电镀镍、烧氢。

4.如权利要求1所述的高压引线组件，其特征在于，所述金属引线为镍丝，规格为φ0.4～1.5mm。

5.如权利要求1所述的高压引线组件，其特征在于，为减小陶瓷一金属封接处的应力，封接区域经由过渡金属件至引线法兰的距离(H3)应大于1mm。

6.如权利要求1所述的高压引线组件，其特征在于，所述焊接，为密封焊接，在绝缘瓷件上端面为平封，封接面积满足(φ3-φ_孔)/2＞0.8mm；下端面焊接部分，平封时，封接面积满足(φ1-φ2)/2＞0.8mm，套封时，封接面积＞1mm×πφ2；陶瓷封接部分的厚度为0.2～0.6mm。

7.一种如权利要求1所述的高压引线组件制造方法，其特征在于，包括步骤：

C)对金属化合格的绝缘瓷件进行电镀镍和烧氢处理；

E)钎焊：

(1)钎焊焊料选择纯Ag或Ag-Cu共晶焊料；

8.如权利要求7所述的高压引线组件制造方法，其特征在于，所述E)钎焊的(3)步，是将第二瓷封合金件、焊料片、瓷件、焊料片、第一瓷封合金件、镍丝、焊料丝按顺序组装成半成品。

9.如权利要求7或8所述的高压引线组件制造方法，其特征在于，所述焊料丝，是将焊料丝在镍丝上缠绕至少三圈。