一种大尺寸陶瓷封装界面结构的制作方法

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于高压同轴传输的大尺寸陶瓷封装界面结构。

背景技术：

在脉冲功率源的输出端与高功率微波电真空器件之间往往需要一个可实现同轴传输的绝缘界面来隔离脉冲传输线与电真空器件，此界面既要承受脉冲功率源中工作介质所产生的大于0.5mpa的静压压力，又要作为微波电真空器件的真空界面。采用陶瓷金属封接结构的方式是保证绝缘界面的结构强度和提高微波真空器件的保真空性能较理想的办法。

随着真空绝缘界面的耐脉冲电压设计指标的提高，绝缘界面中的陶瓷外直径增大到φ250mm以上，壁厚相应地增大到15mm以上；为了提高微波真空器件的保真空性能，真空绝缘界面的真空漏率要求小于5×10^-10pa·m³/s，且能经受住24小时不间断烘烤，最大温度200℃保温5小时的烘烤使用工况。由于陶瓷的直径和壁厚尺寸的增大，大大增加了陶瓷金属封装难度和封装界面在使用过程中漏气的风险，即现有技术已不能满足以上设计需求，具体表现在：

1、由于陶瓷直径太大，不合理的陶瓷与金属封接结构将直接导致陶瓷在封接工艺实施过程中炸裂；

2、现有技术不能有效保证大尺寸真空绝缘界面在最大温度200℃保温5小时的烘烤工况下不漏气；

3、陶瓷封接过程中，钎料用量太大，定位困难；

4、在钎焊封接时，金属与陶瓷的热膨胀差较大，钎料熔化后容易流失，导致局部区域填料不充分，最终导致封接区域漏率超标；

5、在现有的大尺寸陶瓷封装结构中，钎焊封接面和熔焊接头一般会同时出现，如果熔接接头设计不合理将造成钎焊面产生新的漏孔，降低真空绝缘界面的真空性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种大尺寸陶瓷封装界面结构。

本发明解决技术问题所采用的解决方案是：

一种大尺寸陶瓷封装界面结构，包括设置有圆孔的绝缘体、套装在圆孔内的内可伐环、消应力瓷环、套装在内可伐环内且相互连接的内导体支撑座、套装在绝缘体外侧且相互连接的外可伐环、套装在外可伐环外侧且相互连接的法兰外筒；

所述内可伐环与内导体支撑座之间形成一个环状安装腔，所述消应力瓷环安装在环状安装腔内。

内可伐环套装在绝缘体的圆孔内，消应力瓷环安装在内可伐环与内导体支撑座的环状安装腔内，绝缘体的外侧与外可伐环的内侧面连接，外可伐环的外侧面与法兰外筒连接，内导体支撑座与内可伐环连接从而使得形成以绝缘体为分界面的真空界面封接结构。在绝缘体的上侧为高压侧，充有高压电气绝缘介质；绝缘体的下侧为真空环境。

在一些可能的实施方式中，所述内导体支撑座包括安装在绝缘体上方的圆柱一、套装在内可伐环内的支撑圆环；所述圆柱一靠近绝缘体的一侧设置有环状凹槽，环状凹槽与绝缘体的端面形成环状安装腔，所述内可伐环靠近圆柱一的一端伸入环状安装腔内。

在一些可能的实施方式中，所述圆柱一远离支撑圆环的一侧设置有环状凸起，所述支撑圆环包括设置在圆柱体远离环状凸起一侧的圆环五、与圆环五远离环状凸起一端连接且外半径相等的圆环六，所述圆环六的内半径大于圆环五的内半径；所述圆环六与内可伐环连接。

在一些可能的实施方式中，所述内可伐环包括伸入环状安装腔内的圆环四、安装在绝缘体靠近圆柱一一侧的圆环三、与圆环三远离圆环四一端连接的圆环二、以及与圆环二远离圆环三一端连接的圆环一；所述圆环一远离圆环的一端与圆环六远离环状凸起的一端在同一平面上且相互连接。

在一些可能的实施方式中，所述圆环一、圆环二、圆环三、圆环三、圆环四的内半径相同，其中圆环四的外半径与圆环二的外半径相同，圆环一的外半径小于圆环四的外半径，圆环三的外半径大于圆环四的外半径，所述圆环三的外半径与等于环形安装腔的外半径。

在一些可能的实施方式中，为了利于钎焊时钎料的装配定位，并可减少陶瓷的封接宽度，使焊缝填料均匀且焊后成型良好；所述绝缘体呈中空圆板结构，其外圆周面呈阶梯状；其中阶梯状的小端设置在靠近圆柱一的一侧，所述圆孔的圆心与绝缘体的轴心在同一直线上。

在一些可能的实施方式中，为了减少焊接热输入对陶瓷钎焊面的影响、并保证氩弧焊焊缝的气密性，减少陶瓷封接时的封接应力且防止陶瓷在高温钎焊时炸裂；所述外可伐环呈圆环状，包括依次同轴连接的圆环七、圆环八、圆环九；所述圆环七设置在靠近圆柱一的一端；所述圆环七的厚度为a，其中0.8mm≤a≤1.5mm所述圆环八的壁厚为b，其中1.5mm≤b≤2.5mm。

在一些可能的实施方式中，为了有利于陶瓷在钎焊封接时的安装定位，并有助于阻挡钎料熔化流失；所述圆环七的内半径r51大于圆环八的内半径r52，所述圆环七的外半径r54大于圆环八的外半径r55；所述圆环九与圆环八的外半径一致，且圆环九的内半径r53小于圆环八的内半径，其中，r51-r52≥1mm，2mm≤r52-r53≤5mm；所述圆环九与圆环八远离圆环七的一侧在同一平面上。

在一些可能的实施方式中，所述法兰外筒包括依次同轴连接的圆环十、圆环十一、圆环十二；圆环十与圆环十一的内部形成用于安装外可伐环的阶梯状腔室，所述圆环七与圆环十连接。

在一些可能的实施方式中，所述圆环七远离圆环八的一端与法兰外筒的端面在一个平面上且相互连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明中的绝缘体，其外圆和内孔端面分别与外可伐环和内可伐环钎焊封装，内可伐环、外可伐环再通过氩弧焊方式与内导体支撑座和外法兰形成真空密封界面，此种连接方式减少了大型厚板陶瓷的整体封装结构的制造难度，有效降低大尺寸陶瓷在封接过程炸裂的风险；

本发明采用外圆周台阶结构有利于钎焊焊料的装料，且减少了大尺寸陶瓷的封接面宽度，节省了钎料材料成本；

本发明中内可伐环的封接采用平封型式，并设置有消应力瓷环，提高了封接面在烘烤工况下的可靠性；

本发明中外可伐环采用阶梯台阶环的设计，有利于钎焊时陶瓷的定位并防止钎料的流失；同时，减少了氩弧焊对钎焊封接面的影响，从而提高了钎焊封接面的气密可靠性；

本发明可有效减少陶瓷封装界面在200℃长时间烘烤工况下而漏气的可能性，提高系统的真空度和真空维持能力，结构紧凑，便于制造。

附图说明

图1为本发明的正向剖视示意图；

图2为本发明中绝缘体的正向剖视示意图；

图3为本发明中内可伐环的正向剖视示意图；

图4为本发明中内导体支撑座正向剖视示意图；

图5为本发明中外可伐环中正向剖视示意图；

图6为本发明中法兰外筒中正向剖视示意图；

其中：1、绝缘体；101、钎焊封接面一；102、钎焊封接面二；2、内可伐环；201、圆环一；202、圆环二；203、圆环三；204、圆环四；3、消应力瓷环；4、内导体支撑座；401、圆柱一；402、圆环五；403、圆环六；5、外可伐环；501、圆环七；502、圆环八；503、圆环九；6、法兰外筒；601、圆环十；602、圆环十一；603、圆环十二。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的附图中，需要理解的是，不具有相互替代性的不同技术特征显示在同一附图，仅是为了便于简化附图说明及减少附图数量，而不是指示或暗示参照所述附图进行描述的实施例包含所述附图中的所有技术特征，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面对本发明中进行详细说明。

如图1-图6所示，

一种大尺寸陶瓷封装界面结构，包括设置有圆孔的绝缘体1、套装在圆孔内的内可伐环2、消应力瓷环3、套装在内可伐环2内且相互连接的内导体支撑座4、套装在绝缘体1外侧且相互连接的外可伐环5、套装在外可伐环5外侧且相互连接的法兰外筒6；

所述内可伐环2与内导体支撑座4之间形成一个环状安装腔，所述消应力瓷环3安装在环状安装腔内。

内可伐环2套装在绝缘体1的圆孔内，消应力瓷环3安装在内可伐环2与内导体支撑座4的环状安装腔内，绝缘体1的外侧与外可伐环5的内侧面连接，外可伐环5的外侧面与法兰外筒6连接，内导体支撑座4与内可伐环2连接从而使得形成以绝缘体1为分界面的真空界面封接结构。在绝缘体1的上侧为高压侧，充有高压电气绝缘介质；绝缘体1的下侧为真空环境。

本发明为旋转对称结构，定义内电极导体4的中心轴为旋转对称轴ooo；靠近对称轴ooo的字母o一侧为上侧，靠近对称轴ooo的字母oo一侧为下侧；靠近旋转对称轴ooo的一侧为内侧，远离旋转对称轴ooo的一侧为外侧。

如图1所示，在绝缘体1中心轴线位置开有圆孔，内可伐环2从上侧插入绝缘体1的圆孔，内可伐环2与绝缘体1通过钎焊连接；消应力瓷环3的下端面与内可伐环2通过钎焊连接；绝缘体1的外圆周与外可伐环5的内表面通过钎焊连接；绝缘体1、内可伐环2、消应力瓷环3和外可伐环5通过钎焊方式形成一个整体钎焊部件。内导体支撑座4插入内可伐环2的内孔中，两者下端面齐平，通过氩弧焊连接；整个钎焊部件同轴镶嵌于法兰外筒6内，外可伐环5的上端面与法兰外筒6的上侧圆环的上端面通过氩弧焊连接，最终形成以绝缘体1为分界面的真空界面封接结构。在绝缘体1的上侧为高压侧，充有高压电气绝缘介质；绝缘体1的下侧为真空环境。

优选的，内导体支撑座4和法兰外筒6采用无磁奥氏体不锈钢，内可伐环2和外可伐环5采用可伐合金，可伐合金即4j29和4j33型铁镍钴合金，绝缘体1和消应力瓷环3采用氧化铝陶瓷材料制成。

在一些可能的实施方式中，所述内导体支撑座4包括安装在绝缘体1上方的圆柱一401、套装在内可伐环2内的支撑圆环；所述圆柱一401靠近绝缘体1的一侧设置有环状凹槽，环状凹槽与绝缘体1的端面形成环状安装腔，所述内可伐环2靠近圆柱一401的一端伸入环状安装腔内。

在一些可能的实施方式中，所述圆柱一401远离支撑圆环的一侧设置有环状凸起，所述支撑圆环包括设置在圆柱体远离环状凸起一侧的圆环五402、与圆环五402远离环状凸起一端连接且外半径相等的圆环六403，所述圆环六403的内半径大于圆环五402的内半径；所述圆环六403与内可伐环2连接。

图4是本发明内导体支撑座4沿oo′正向剖视示意图。内导体支撑座4由圆柱一401，圆环五402和圆环六403同轴连接而成。圆柱一401的上端面边缘设置有圆弧凸起，具体尺寸由物理功能确定。在第一圆柱下端面以旋转对称轴oo′为中心挖掉一个外半径为r43,内半径为r42,长度为l43的圆环，此圆环的作用是包裹内可伐环22以及消应力瓷环3，使得圆柱一401的下端面与绝缘体1的上端面贴合。r43、r42和l43的尺寸以满足内导体支撑座44与内可伐环22和消应力瓷环33的装配关系即可。

在圆柱一401的上端面和下端面分别设置有多个螺纹孔，用于同轴传输零部件的紧固连接。

圆环五402的内孔用于同轴传输零部件的安装定位，在圆环五402的下端是圆环六403，圆环五402和圆环六403的总长度满足关系l42＝l22。

圆环六403作用内导体支撑座4的焊接过渡环，其壁厚和长度关系满足0.8mm≤r42-r41≤1.5mm，l41≥10mm，在下端面与内可伐环22通过氩弧焊方式连接，通过此种设置，使可伐与不锈钢为薄边搭接焊，可减少氩弧焊对钎焊封接面的热影响，有利于保证氩弧焊焊缝漏率小于5×10^-10pa·m³/s。

在一些可能的实施方式中，所述内可伐环2包括伸入环状安装腔内的圆环四204、安装在绝缘体1靠近圆柱一401一侧的圆环三203、与圆环三203远离圆环四204一端连接的圆环二202、以及与圆环二202远离圆环三203一端连接的圆环一201；所述圆环一201远离圆环的一端与圆环六403远离环状凸起的一端在同一平面上且相互连接。

在一些可能的实施方式中，所述圆环一201、圆环二202、圆环三203、圆环三203、圆环四204的内半径相同，其中圆环四204的外半径与圆环二202的外半径相同，圆环一201的外半径小于圆环四204的外半径，圆环三203的外半径大于圆环四204的外半径，所述圆环三203的外半径与等于环形安装腔的外半径。

如图3所示，内可伐环22整体呈圆环状，从下往上依次包括圆环一201、圆环二202、圆环三203、圆环四204，四个圆环有统一的内半径r21。圆环一201的壁厚满足关系0.8mm≤r22-r21≤1.5mm，r22为圆环一201的外半径，长度为l21≥3mm；

圆环二202的壁厚与圆环四204的壁厚相同，壁厚尺寸满足关系1.5mm≤r23-r21≤2.5mm，r23为圆环四204的外半径；

圆环三203的下端面紧贴绝缘体1的钎焊封接面二102，钎焊封接面二102宽度为(r24-r23)≥5mm，r24为圆环三203的外半径；

圆环三203的高度l23满足关系1mm≤l23≤2mm；圆环四204作为消应力瓷环33的装配定位环，消应力瓷环33下端面与圆环三203的上端面紧贴，通过钎焊方式连接。

圆环一201的下端面与内导体支撑座4的下端面齐平，通过氩弧焊连接，为减少氩弧焊对钎焊面影响，钎焊封接面到内可伐环2的下端面的距离l22≥20mm。通过设置不同的圆环壁厚，可减少陶瓷封接时的封接应力。

消应力瓷环3呈圆环状，其内半径等于圆环四204的外半径r23，外半径等于圆环三203的外半径r24,长度等于l24,l24≥5mm。

消应力瓷环3主要作用是保证内可伐环2与绝缘体1的封接均匀度和封接强度，抵消平封结构的封接应力，提高了平封结构耐200℃长时间烘烤的真空气密性。

在一些可能的实施方式中，为了利于钎焊时钎料的装配定位，并可减少陶瓷的封接宽度，使焊缝填料均匀且焊后成型良好；所述绝缘体1呈中空圆板结构，其外圆周面呈阶梯状；其中阶梯状的小端设置在靠近圆柱一401的一侧，所述圆孔的圆心与绝缘体1的轴心在同一直线上。

如图2所示，绝缘体11为中空圆板结构，其外圆周面呈阶梯型外圆，其半径r11的外圆周面为非封接面，半径为r12的外圆周面为钎焊封接面一101，两外圆周的半径尺寸关系满足1mm≤r12-r11≤2mm；l11为绝缘体1的总壁厚，由耐受静压强度p确定，耐受静压强度p一般大于0.5mpa，厚度l11满足关系l11≥15mm；l12为绝缘体1的外圆周钎焊封接面一101的封接宽度，其尺寸关系满足l12＝0.5l11；通过阶梯外圆的设置，有利于钎焊时钎料的装配定位，并可减少陶瓷的封接宽度，使焊缝填料均匀且焊后成型良好。

绝缘体1的中心轴线位置开有圆孔，圆孔的半径为r13，圆孔上侧端面设置有钎焊封接面二102，作为绝缘体1与内可伐环2的钎焊封接界面。

在一些可能的实施方式中，为了减少焊接热输入对陶瓷钎焊面的影响、并保证氩弧焊焊缝的气密性，减少陶瓷封接时的封接应力且防止陶瓷在高温钎焊时炸裂；所述外可伐环5呈圆环状，包括依次同轴连接的圆环七501、圆环八502、圆环九503；所述圆环七501设置在靠近圆柱一401的一端；所述圆环七501的厚度为a，其中0.8mm≤a≤1.5mm所述圆环八502的壁厚为b，其中1.5mm≤b≤2.5mm。

在一些可能的实施方式中，为了有利于陶瓷在钎焊封接时的安装定位，并有助于阻挡钎料熔化流失；所述圆环七501的内半径r51大于圆环八502的内半径r52，所述圆环七501的外半径r54大于圆环八502的外半径r55；所述圆环九503与圆环八502的外半径一致，且圆环九503的内半径r53小于圆环八502的内半径，其中，r51-r52≥1mm，2mm≤r52-r53≤5mm；所述圆环九503与圆环八502远离圆环七501的一侧在同一平面上。

如图5所示，外可伐环5整体呈圆环状，从上往下依次包括圆环七501、圆环八502、圆环九503。

圆环七501作为焊接过渡环，圆环七501的上端面与法兰外筒6的内孔上端面通过氩弧焊连接，其壁厚满足关系0.8mm≤r54-r51≤1.5mm，长度为l51≥5mm，同时l52≥30mm，l52为圆环七501和圆环八502沿其轴线方向的长度，此种设置有利于减少焊接热输入对陶瓷钎焊面的影响、并保证氩弧焊焊缝的气密性；

圆环七501的内半径比圆环八502的内半径大，两者形成阶梯圆环，其尺寸关系满足r51-r52≥1mm，此种设置是为了消除陶瓷钎焊后圆环八502的变形带来的装配误差，减少外可伐环5在钎焊后的车削工序。

圆环八502用于绝缘体1的安装，其内半径r52＝r12，其壁厚尺寸满足关系1.5mm≤r55-r52≤2.5mm，此种设置是为了减少陶瓷封接时的封接应力且防止陶瓷在高温钎焊时炸裂。

圆环九503作为陶瓷安装的限位环以及钎焊焊料的挡料环，其尺寸关系满足1mm≤l53≤2mm，2mm≤r52-r53≤5mm，此种设置有利于陶瓷在钎焊封接时的安装定位，并有助于阻挡钎料熔化流失。

在一些可能的实施方式中，所述法兰外筒6包括依次同轴连接的圆环十601、圆环十一602、圆环十二603；圆环十601与圆环十一602的内部形成用于安装外可伐环5的阶梯状腔室，所述圆环七501与圆环十601连接。

在一些可能的实施方式中，所述圆环七501远离圆环八502的一端与法兰外筒6的端面在一个平面上且相互连接。

如图6所示，在圆环十601和圆环十一602的中心区域按外可伐环5的外形尺寸挖去一个阶梯圆柱，作为外可伐环5的同轴安装孔，其中，r61＝r54,l62＝l52+l53，l53为圆环九503沿外可伐环5轴线方向的长度，r61为阶梯圆柱大端的半径。

在外可伐环5的同轴安装孔之下依次为圆锥孔和圆柱孔，其具体尺寸由物理功能确定。在圆环十601的上端面以旋转对称轴oo′为中心挖掉一个外半径为r63,内半径为r62,长度为l61的圆环，作为法兰外筒6与外可伐环5氩弧焊时的消应力环槽，其尺寸关系满足r63-r62≥3mm,0.8mm≤r62-r61≤1.5mm，l61≥5mm，外可伐环5与法兰外筒6在上端面齐平，通过氩弧焊的方式连接。

圆环十601的外侧端面上设置有均匀分布的螺栓孔，用于与脉冲功率源连接，采用平面压氟橡胶的密封型式；圆环十二603的下端面设置有刀口密封槽和螺栓安装孔，用于与微波真空器件的真空密封可拆卸连接。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。