一种高导热材料复合传导结构的制作方法

专利名称：一种高导热材料复合传导结构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电子元器件领域，具体涉及到适用于微波真空电子器件中的一种高导热材料复合传导结构。
背景技术：
在各种大功率微波器件的高技术领域中，为了防止器件过热，需要使器件内部工作时产生的大量热能即时传导到器件外部(冷端)，再通过外部的各种途径进行散热。在许多情况下，由于各种电性能要求的限制，内部发热源与外部散热部位(一般为金属)不能直接电连接，因此在内部发热源与外部散热部位之间必需增加一层或多层绝缘层，这些层面会对热能的传导产生阻尼，因而要求绝缘层材料不仅满足所需的绝缘强度的要求，同时要具有高导热率的特性。通常使用各种高导热陶瓷件作为热源与冷端的绝缘、导热介质。目前国内器件使·用的绝缘散热材料主要是以陶瓷为主，如氧化铝、氧化铍、氮化铝、氮化硼等。氧化铝陶瓷工艺成熟，是目前应用最广泛的陶瓷绝缘材料，但其热导率相对较低，不能满足大功率器件的散热要求。氧化铍陶瓷导热性能最好，在电真空器件中大量使用，但其热导率随温度升高急剧下降，热导率由室温下的250W/m-K降低到在高温250° C温度下的120W/m ·Κ和更高温度400° C下的60W/m*K。并且因氧化铍有毒，在大规模集成电路等民用领域已基本不被采用。氮化铝陶瓷具有较好的导热性能，同时还具有很好的机械强度，但其介质损耗较高，也不被用户青睐。导热率最好的介质材料为金刚石，其导热率可达到1500W/m · K，但在真空电子器件领域要求的高品质、大尺寸金刚石造价昂贵，难以普及使用。同时由于高导热冷端金属，例如导热率最高的常用金属铜(其导热率370W/m · K)，导热率远低于金刚石，但其膨胀系数为金刚石的4倍，如此大的差异难以将二者直接结合，以获得高导热的性能。于是寻找到一种中间过渡的金刚石铜的复合材料，可与金刚石结合形成导热性能优良的复合传导结构。金刚石铜是金刚石铜颗粒分散在金属铜中的复合材料，其特点是高导热率，室温下大于650ff/m · K,低膨胀系数,可与金刚石匹配。
发明内容本实用新型需要解决的技术问题是，针对已有的陶瓷导热材料存在的问题，即导热性能和温度稳定性较差，在大功率微波器件使用中，时有出现烧毁和性能恶化现象，为了克服这一缺陷，就需要开发出一种新的传导结构，既使其绝缘性能优良、介质损耗低，同时又具有高热导率的复合传导结构。本实用新型拟采用金刚石作为导热、绝缘介质，再与高导热、并具有金属特性的复合材料一金刚石铜相结合的高导热复合传导结构。本实用新型的目的在于提供一种高导热材料复合传导结构。本实用新型是依靠以下技术方案来实现的，一种高导热材料复合传导结构，包括用于微波真空电子器件慢波系统中三根或多根夹持杆及固态器件基片，其特征在于，所述夹持杆及基片，其结构是将位于上层的金刚石绝缘材料和位于下层的高导热复合金属一金刚石铜经钎焊结合，固定为一复合体结构。该复合体再经激光切割成所需外形尺寸。这种结构具有以下优点I)以金刚石和金刚石铜这种复合材料分别作为绝缘介质和导热金属的复合体结构，可以获得极高的导热率。2)两种材料膨胀系数接近，可放心地在高温环境下使用3)所用金刚石厚度可以大幅度降低，利于降低制造成本。金刚石部分介电常数和介质损耗低、绝缘性能可靠，无毒、耐高温，可满足慢波系统夹持杆或固态器件基片的使用要求。同时其金属部分力学性能优良、耐化学腐蚀，导热率高，陶瓷部分的热量可通过金属快速导出，是理想的绝缘散热基板和介质夹持杆散热结构。·

图I为微波器件导热原理图图2为传统使用的陶瓷散热材料示意图图3为高导热材料复合结构示意图图4几种导热材料性能对比示意图
具体实施方式
参照图1，表不传统情况下，在微波真空电子器件中热能传导的一般规律不意图。图中热源是指位于器件中心的电子束，热能传向外围的慢波结构陶瓷介质组件，以及相应器件外部的管壳、磁钢。参照图2，表示传统使用的绝缘介质夹持杆与慢波系统示意图，这种结构存在着一些功能的缺陷，但目前仍在广泛地使用着。参照图3，表示本实用新型所述的高导热材料复合结构示意图。该复合结构的室温导热率> 500ff/m ·Κ，250 导热率> 350W/m · K，400C导热率彡300ff/m · K，介质层厚度范围为O. Imm O. 3mm ;复合结构的尺寸范围为 O. 3mm (宽)X0. 7mm (厚)X 50mm (长)；对于这种复合结构的工艺实现，采用钎焊连接方式将两种材料结合为一体，采用现有成熟的钎焊工艺方式进行焊接，工艺过程相对简单，但复合层的界面热阻会影响复合结构整体的热导率。复合后的整体材料可通过激光加工成所需形状。图中I为高导热金属金刚石铜，通过钎焊的方式连接着金刚石介质4，二者的结合界面为5，该复合结构的夹持杆夹着慢波螺旋线2，将慢波线整体装配在管壳3中。参考图4，表示几种导热材料性能对比示意图，A代表本专利所述导热材料复合结构的夹持杆，B为氧化铍瓷杆，C与D分别代表氮化铝和氮化硼瓷杆,可以看出，本复合材料的导热率很高。
权利要求1. 一种高导热材料复合传导结构，包括用于微波真空电子器件慢波系统中三根或多根夹持杆，还包括用于微波固态器件中高导热绝缘基片，其特征在于，所述慢波系统中夹持杆以及固态器件中高导热绝缘基片均为复合结构，该结构是将位于上层的金刚石绝缘材料与位于下层的高导热复合金属一金刚石铜用钎焊连结，固定为一复合体。
专利摘要一种高导热材料复合传导结构，属于电子元器件领域，包括用于微波真空电子器件慢波系统中三根或多根夹持杆及用于微波固态器件中高导热绝缘基片，二者均为复合结构，该结构是将位于上层的金刚石绝缘材料和位于下层的高导热复合金属—金刚石铜用钎焊连结固定为一复合体。该复合传导结构的温度热导率≥500W/m·K；介电常数和介质损耗低、绝缘性能可靠，无毒、耐高温，可满足慢波系统夹持杆或固态器件基片的使用要求。
文档编号H01J23/00GK202695372SQ20122035876
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月23日 优先权日2012年7月23日
发明者杨明华, 杨小萌, 黄拓扑, 周明干, 李瑶 申请人:中国电子科技集团公司第十二研究所