空間行波管輸能窗組件貯存失效分析

王國(guó)建 趙 麗 陸玉新 田 宏 石文奇

①(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京100190)

②(中國(guó)航天科工二院空間工程總體部 北京100854)

③(天津交通職業(yè)學(xué)院 天津300110)

1 引言

微波真空電子技術(shù)是一個(gè)歷史悠久的研究領(lǐng)域，它包括微波電子學(xué)、材料技術(shù)、真空技術(shù)等學(xué)科[1,2]，因此我國(guó)將空間行波管列入“十一五”至“十三五”核心電子器件的重大專項(xiàng)課題。空間行波管作為一種重要的微波功率放大器，廣泛地用于通信、導(dǎo)航定位、軍事測(cè)繪、微波遙感、電子偵察、數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃l(wèi)星，是星載轉(zhuǎn)發(fā)器的核心器件[3–5]。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)空間行波管的壽命和性能等指標(biāo)不斷提出新的需求，這些需求主要表現(xiàn)在要求更長(zhǎng)的壽命、更高的性能等[6,7]，這些需求進(jìn)而對(duì)空間行波管的支撐技術(shù)的發(fā)展提出新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇[8,9]。在空間行波管制造過程中，零件儲(chǔ)存是其工作的基礎(chǔ)條件，零件污染不僅對(duì)電子注聚焦、輸出功率、陰極發(fā)射、噪聲電平有影響，而且會(huì)使管內(nèi)真空變差[10,11]。另外，由于陰極制備工藝的不一致性，許多空間行波管的陰極工作在溫度限制區(qū)，殘余氣體對(duì)這類器件的影響更為嚴(yán)重[1,12]。因此研究空間行波管零件存儲(chǔ)條件具有十分重要的意義。

2 高頻組件的儲(chǔ)存

空間行波管主要由5個(gè)部分構(gòu)成[13]：電子槍、輸入輸出組件、螺旋線慢波組件、磁聚焦系統(tǒng)和收集極，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

高頻輸能組件包括輸入輸出組件。需要放大的高頻信號(hào)由輸入裝置進(jìn)入行波管中，經(jīng)過放大后的信號(hào)由輸出裝置送出。常見的輸入輸出裝置有波導(dǎo)和同軸兩種。一般在頻率較低或功率較小且要求工作帶寬較寬時(shí)采用同軸結(jié)構(gòu)，反之，則采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)會(huì)采用輸入用同軸結(jié)構(gòu)，輸出用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

高頻組件是空間行波管的主要部件之一，是管內(nèi)傳播高頻電磁波的一種特殊傳輸裝置，其中的輸入輸能裝置和輸出輸能裝置的陶瓷封接部位一般采用銀銅焊料進(jìn)行焊接。高頻組件一般存放于真空柜中，真空柜的極限壓強(qiáng)低于5×10–2Pa。存放一段時(shí)間后，組件表面出現(xiàn)了發(fā)黑現(xiàn)象，如圖2所示。

從圖2可以看出，發(fā)黑部位主要是進(jìn)行陶瓷金屬封接的銀焊料。經(jīng)過真空檢漏實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)零件的氣密性沒有被破壞，說明高頻組件僅是表面被硫化，還沒有擴(kuò)散到焊接面內(nèi)部。

圖1 空間行波管結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了查明高頻組件發(fā)黑的原因，利用掃描電鏡對(duì)螺旋線進(jìn)行了分析，圖3給出了螺旋線發(fā)黑部位的表面的形貌和成分。

從圖3的分析可以看出，真空柜中出現(xiàn)了硫元素，并與銀焊料發(fā)生了反應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察可知，真空柜中存在一些用于包裝的橡膠套，因此懷疑硫元素來源于橡膠套。對(duì)真空柜中的橡膠套和未使用過的橡膠套進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，使用后和未使用橡膠套中硫元素發(fā)生了很大的變化，說明硫來源于橡膠套。生橡膠是一種受熱易融化，開裂，耐磨性能差且質(zhì)軟的直鏈高分子聚合物，加硫之后在高溫下可以使橡膠硫化，使得生膠中的部分碳碳雙鍵打開與硫形成二硫鍵，硫化后的橡膠因?yàn)榉肿又g的交連，熔點(diǎn)提高而且強(qiáng)度增大，橡膠加硫是橡膠制作過程中不可或缺的一步。在化學(xué)中，二硫鍵是比較弱的化學(xué)鍵，在一定的條件下(如紫外線照射、加熱等)會(huì)分解成單質(zhì)的硫，另外硫化橡膠中也會(huì)殘存一些單質(zhì)硫[14]。

硫有多種同素異形體，化學(xué)性質(zhì)比較活潑，既有還原性又有氧化性，能跟氫、氧、鹵素(除碘外)、金屬等大多數(shù)元素化合，生成共價(jià)型化合物或離子型化合物。硫在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有很大的用途，主要用于橡膠、氟化工、造紙、食品工業(yè)、醫(yī)藥等工業(yè)。

圖2 真空柜中存放的高頻組件

圖3 高頻組件發(fā)黑部分的形貌和成分

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析結(jié)果的正確性，進(jìn)行了下述3組試驗(yàn)。(1)將表面狀態(tài)良好銀焊片放入沒有橡膠套真空柜里，抽真空至5×10–2Pa，室溫條件下，放置10天。(2)將銀焊料和橡膠套一起放置于真空存儲(chǔ)柜中，抽真空至5×10–2Pa，室溫條件下，放置10天。(3)將銀焊料和橡膠套一起放置于真空存儲(chǔ)柜中，不抽真空，室溫條件下，放置10天，取出3組試驗(yàn)樣品，進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，未放入橡膠套抽真空和放入橡膠套但未抽真空的真空柜中銀焊料都沒有變化。銀焊料和橡膠套一起放入真空存儲(chǔ)柜中并抽真空至5×10–2Pa，室溫條件下，放置10天后，銀焊料發(fā)生了變化。這些實(shí)驗(yàn)說明硫來源于橡膠套，但在大氣狀態(tài)下，橡膠套中的硫還是比較穩(wěn)定的。在真空狀態(tài)下，硫比較容易從橡膠套中升華進(jìn)入真空柜中，在真空柜中彌漫了大量硫蒸氣，這些硫蒸氣與銀焊料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)形成Ag2S。

任何材料加熱到一定溫度時(shí)就會(huì)發(fā)生氣化現(xiàn)象，即由液相或固相進(jìn)入氣相。在給定的溫度下，一種物質(zhì)的氣態(tài)與其凝聚態(tài)(固態(tài)或液態(tài))之間會(huì)在某一個(gè)壓強(qiáng)下存在動(dòng)態(tài)平衡。這個(gè)壓強(qiáng)就是此物質(zhì)在此溫度下的飽和蒸氣壓。具有較高蒸氣壓的物質(zhì)具有較高的蒸發(fā)速率。任何物質(zhì)的蒸氣壓都隨著溫度非線性增加。表1給出了硫材料蒸汽壓與溫度的關(guān)系[15]。

圖4 橡膠套的成分

圖5 銀焊料片表面成分

一般來說，材料在真空中只要加熱到高于其飽和蒸氣壓以上時(shí)，均能迅速蒸發(fā)。而且材料以單原子形式蒸發(fā)進(jìn)入氣相[16]。從表1可以看出硫在真空條件下蒸發(fā)比在常壓下容易得多，所需的蒸發(fā)溫度大幅下降。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，硫必須加熱到717 K(沸點(diǎn))才能大量蒸發(fā)，因此在大氣狀態(tài)下，橡膠套中的硫是比較穩(wěn)定的。然而在真空度10–2Pa的條件下，只需加熱到328 K就可以大量蒸發(fā)，因此在真空狀態(tài)下，硫是比較容易從橡膠套中升華進(jìn)入真空柜中的，從而會(huì)在真空柜中彌漫大量硫蒸氣，這些硫蒸氣與銀焊料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)形成Ag2S。

表1 硫的溫度與蒸氣壓的關(guān)系

綜上分析可知橡膠套是導(dǎo)致高頻組件在真空柜中貯存失效的原因，因此含硫的橡膠套不宜放入真空柜。

4 結(jié)論

高頻組件是空間行波管的主要部件，是管內(nèi)傳播高頻電磁波的重要傳輸部件，其中陶瓷封接部位一般采用銀焊料焊接，它一般存放于真空柜中，真空柜的極限壓強(qiáng)低于5×10–2Pa。存放一段時(shí)間后，組件表面出現(xiàn)了發(fā)黑現(xiàn)象。分析表明真空柜中放置的橡膠制品導(dǎo)致了高頻組件銀焊料焊接部位發(fā)生硫化，導(dǎo)致貯存失效。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析表明，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，硫必須加熱到717 K(沸點(diǎn))才能大量蒸發(fā)，因此在大氣狀態(tài)下，橡膠套中的硫是比較穩(wěn)定的。然而真空度在10–2Pa的條件下，只需加熱到328 K就可以大量蒸發(fā)，因此在真空狀態(tài)下，硫是比較容易從橡膠套中升華進(jìn)入真空柜中的，會(huì)在真空柜中彌漫大量硫蒸氣，這些硫蒸氣與銀焊料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)形成Ag2S，因此含硫的橡膠套不宜放入真空柜。