一种用于行波管的金刚石-电镀铜复合式夹持杆及其制造方法与流程

本发明属于真空电子器件领域，具体涉及一种用于行波管的金刚石-电镀铜复合式夹持杆及其制造方法。

背景技术：
行波管在卫星通信等领域具有广泛的应用。而夹持杆是螺旋线行波管不可缺少的部件，并一直是影响器件性能指标的关键部件。对于许多行波管来说，特别是宽带行波管，限制其功率输出能力的最主要因素是高频慢波系统的散热能力，即螺旋线夹持杆的散热能力。输出段螺旋线的工作温度，影响管子的工作性能，寿命和可靠性。随着频率的提高，特别是进入毫米波段，连续波行波管的功率容量急剧下降。这是因为频率越高，行波管的电子注通道和高频结构的尺寸越小，而高频损耗随频率呈指数式的增加。一般来说，连续波行波管的功率容量以频率增长平方的比例下降。所以螺旋线支撑结构散热能力的研究，一直是提高行波管输出功率容量的主要方向。而起支撑和绝缘作用的介质夹持杆的性能是一个关键因素。目前微波真空电子器件可用的介质材料主要有熔融石英、氧化铝、氮化硼，氮化铝和氧化铍等。但上述材料都存在不同的缺点。目前，螺旋线夹持杆最常用的材料为氧化铍，它具有相对较高的热导率和较低的介电常数。但是，氧化铍已难于满足毫米波行波管的要求，更不用说短毫米波行波管。此外，氧化铍在粉末状态下有剧毒，其使 用正逐渐被淘汰。可以看出，到目前为止还没有一种材料能完全满足毫米波行波管用夹持杆的要求。人工合成金刚石在已知的材料中不仅具有最高的热导率和最低的微波介质损耗，而且相对介电常数只有5.5。据报道，如采用金刚石夹持杆，预计的毫米波螺旋线结构的最大功率比采用氧化铍夹持杆的螺旋线的最大功率容量高两倍多。所以，金刚石作为介质材料将具有多方面的优势，是理想的行波管夹持杆材料。然而，使用人工合成金刚石制作夹持杆存在以下问题。首先，用作夹持杆的金刚石的成本仍然较高。其次，纤细的金刚石夹持杆的强度相对较差，装配难度较大，对于短毫米波更是如此。另外，金刚石和螺旋线以及管壳之间的接触热阻偏大。对以上这些问题，申请中的专利（201210332591.3）设计了一种用于行波管的金刚石-金属复合式夹持杆，将金刚石膜生长在一定厚度的金属基片上，缩短了金刚石的生长时间，并增强了夹持杆的强度。本发明延续了该申请中专利的理念，即缩短金刚石的生长时间，增加夹持杆的强度，同时又对该申请中的专利加以完善和改进。上述申请中专利有以下不足，首先，金属上生长的金刚石膜应力较大，需要做过渡层。其次，直接生长不能去除质量相对较差的形核面薄层。另外，导热率高的铜上不可能直接生长金刚石。本发明在已有基础上作出了有效改进，重新设计了一种金刚石-电镀铜的复合式夹持杆，旨在克服以上不足，通过电镀工艺将导热率高的铜用作基底，进一步提高复合夹持杆的散热效率。

技术实现要素：
本发明的目的是通过设计和制造一种用于行波管的金刚石-电镀铜复合式夹持杆，有效提高行波管，特别是毫米波和短毫米波行波管的螺旋线的散热效率，从而提高行波管的输出功率和总效率。为了实现本发明的目的，所采用的技术方案如下，一种用于行波管的金刚石-电镀铜复合式夹持杆，置于高频慢波线与行波管管壳之间，其特征在于，该复合式夹持杆由表面抛光的金刚石矩形截面柱体与同等尺寸电镀铜基底矩形截面柱体平行连接为一体，所述两个矩形截面柱体之间含有金属化层和银铜焊料层；一种按上面描述的金刚石-电镀铜复合式夹持杆的制造方法，其特征在于，按以下流程步骤进行操作：a.在直径60mm的硅基片上进行机械抛光形核，密度为1x108～1x109cm-2;b.置入微波等离子体化学气相设备，进行金刚石生长，生长工艺参数为：微波功率2.6KW，CH4/H2质量流量比1/300sccm,气压110托，基片温度900°C；c.去硅后金刚石的双面进行研磨和抛光，表面粗糙度≤20nm；d.溅射金属化层：30nmTi，100nmMo和1umNi;e.在金属化层上放置银铜焊料，放入真空炉中进行钎焊操作：加热到830°C，保温10秒钟；f.在银铜焊料上电镀铜,厚度为0.3mm；g.利用激光切割设备，将电镀铜的金刚石按设计要求加工成复合式夹持杆。夹持杆是行波管管壳和螺旋线之间的一个重要部件，通常是由导热率高、微波损耗小的介质材料加工制成。高频损耗在螺旋线中产生的热量，主要通过夹持杆传导到管壳上而散发出去，以降低螺旋线的工作温度。如上所述，金刚石是一种理想的夹持杆材料，但制造成本高，加工后的纤细金刚石夹持杆易折损，强度不够高。本发明旨在针对以上问题，重新设计了一种用于行波管的金刚石-电镀铜复合的夹持杆。与在先申请中的专利（201210332591.3）不同，本发明中的金刚石是首先采用微波等离子体化学气相沉积法在硅基底上生长的。然后，腐蚀去除基片硅。接着对金刚石进行双面抛光，这样可去掉质量相对较差的形核面薄层。再在金刚石的一个面上溅射金属层，放置银铜焊料并在真空炉中进行钎焊操作。下一步是在其表面电镀基底铜，并达到所要求的总厚度。最后用激光切割加工成金刚石-电镀铜复合式夹持杆。图1示出金刚石-电镀铜复合式夹持杆的结构示意图。1表面抛光的金刚石，2金属化层，3.银铜焊料，4.电镀铜基底。本发明的有益效果是，生长金刚石的时间大为缩短，降低了成本，夹持杆的强度增加，铜基底热导率高于任何金属材料和氧化铍，行波管的输出功率和效率比使用氧化铍夹持杆得到提高。附图说明图1为一个金刚石-电镀铜的复合式夹持杆示意图；图2为金刚石-电镀铜复合式夹持杆装入行波管后的断面示意图；图3为金刚石-电镀铜的复合式夹持杆的制造流程图具体实施方式参照图1，表示一个最简单的矩形断面金刚石-电镀铜复合式夹持杆的示意图。图中，1为表面抛光的金刚石，2为金属化层3为银铜焊料，4为电镀铜基底。作为用于一种行波管的实际应用例子，金刚石-电镀铜的复合式夹持杆的长是47mm,高0.5mm,宽0.2mm,金刚石的厚度为0.2mm;铜基底厚度为0.3mm。参照图2，表示金刚石-电镀铜复合式夹持杆装入行波管后的断面示意图。图中，2-1为行波管螺旋线，2-2为复合式夹持杆，金刚石一端与螺旋线相接触，2-3为行波管管壳。参照图3，表示金刚石-电镀铜的复合式夹持杆的制造流程图，图中表示按照以下步骤进行操作：a.在直径60mm的硅基片上进行机械抛光形核，密度为1x108～1x109cm-2;b.置入微波等离子体化学气相设备，进行金刚石生长，生长工艺参数为：微波功率2.6KW，CH4/H2质量流量比1/300sccm,气压110托，基片温度900°C；c.去硅后金刚石的双面进行研磨和抛光，表面粗糙度≤20nm；d.溅射金属化层：30nmTi，100nmMo和1umNi;e.在金属化层上放置银铜焊料，放入真空炉中进行钎焊操作：加热到830°C，保温10秒钟；f.在银铜焊料上电镀铜,厚度为0.3mm；g.利用激光切割设备，将电镀铜的金刚石按设计要求加工成复合式夹持杆。