Патент на изобретение №2300162

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОКНА ВЫВОДА ЭНЕРГИИ СВЧ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу изготовления диэлектрического окна вывода энергии СВЧ. Техническим результатом изобретения является повышение надежности путем увеличения термомеханической прочности окна вывода энергии СВЧ, повышение выхода годных изделий путем улучшения воспроизводимости способа изготовления при сохранении диэлектрических потерь диэлектрической пластины из алмаза CVD. Способ изготовления окна вывода энергии СВЧ на основе диэлектрической пластины из алмаза CVD заключается в том, что обработку поверхности диэлектрической пластины осуществляют в расплаве щелочи при температуре 250-300°С, далее проводят активацию поверхности диэлектрической пластины путем нагрева при температуре 750-800°С в течение 1-1,5 часа в воздушной среде. Нанесение покрытия на диэлектрическую пластину для последующего герметичного соединения с металлическим волноводом осуществляют последовательным напылением в вакууме на холодную диэлектрическую пластину карбидообразующих металлов общей толщиной не более 1 мкм с последующим нанесением слоя никеля толщиной не более 0,5 мкм гальваническим осаждением. Время между активацией поверхности диэлектрической пластины и нанесением на нее покрытия для последующего герметичного соединения с металлическим волноводом не превышает 15 мин. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления диэлектрического окна вывода энергии СВЧ.

Известен способ изготовления диэлектрического окна вывода энергии СВЧ, заключающийся в том, что на поверхность диэлектрической пластины наносят слой металлического покрытия, которое закрепляют на диэлектрической пластине путем вжигания при температуре 1350-1600°С в водородно-азотной среде, затем наносят гальванический слой никеля или меди и осуществляют герметичное соединение диэлектрической пластины с металлическими фланцами волновода пайкой твердыми припоями [1].

Недостатки данного способа заключаются:

во-первых, в сложности технологического исполнения слоя металлического покрытия, который представляет собой толстые, толщиной 50-70 мкм, многокомпонентные системы на органической основе, требующие для закрепления обязательного высокотемпературного вжигания,

– во-вторых, в необходимости контроля технологических параметров, например температуры, состава и толщины металлического покрытия на каждой из операций.

Это обуславливает низкую надежность и воспроизводимость данного способа.

Известен способ изготовления диэлектрического окна вывода энергии СВЧ, заключающийся в том, что отдельные элементы конструкции окна вывода энергии, выполненные из диэлектрика и металла, после соответствующей подготовки их контактных поверхностей путем шлифовки, очистки физическими и химическими методами и последующей их сборки соединяют термокомпрессионной сваркой, а именно нагревают в защитной атмосфере до требуемой температуры, затем к ним прикладывают сжимающую нагрузку и после необходимой выдержки температуру и нагрузку равномерно снижают [2].

Данный способ по сравнению с предыдущим аналогом позволяет повысить и надежность соединения диэлектрика с металлом, и воспроизводимость способа изготовления благодаря исключения необходимости нанесения слоя металлического покрытия на диэлектрик и процесса высокотемпературного закрепления его вжиганием.

Однако данный способ требует:

– во-первых, особой точности в изготовлении отдельных элементов конструкции окна вывода энергии СВЧ,

– во-вторых, при их изготовлении использования металла с высокой степенью пластичности, обеспечивающей пластическое течение его при термокомпрессионной сварке как одно из условий надежного соединения диэлектрика с металлом,

– в-третьих, сжимающая нагрузка может вызывать как конструкционную деформацию металла, так и приводить к разрушению диэлектрика, из которых выполнены отдельные элементы конструкции окна вывода энергии СВЧ.

Таким образом, данный способ не позволяет обеспечить высокую надежность окна вывода энергии СВЧ и воспроизводимость способа его изготовления, а следовательно, и высокий выход годных.

Известен способ изготовления диэлектрического окна вывода энергии СВЧ на основе диэлектрической пластины из алмаза CVD, включающий ее предварительную обработку, нанесение на нее покрытия в виде слоя алюминия для последующего герметичного соединения ее с металлическим волноводом сваркой – прототип [3].

Использование в качестве диэлектрической пластины, пластины из алмаза CVD, который обладает низкими значениями диэлектрических потерь, позволило значительно уменьшить потери пропускаемой мощности по сравнению с аналогами.

Однако использование слоя алюминия:

во-первых, ограничивает возможности последующих технологических воздействий на конструкцию окна вывода энергии СВЧ, например отжиг и обезгаживание при повышенных температурах до 450°С, а также последующих ступенчатых паек,

во-вторых, из-за его низкой коррозионной стойкости в водных охлаждающих средах, в том числе содержащих ингибиторы, предназначенные для снижения коррозии алюминия, приводит к разрушению герметичного соединения окна вывода энергии СВЧ с металлическим волноводом, а следовательно, выходу его из строя.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности путем увеличения термомеханической прочности окна вывода энергии СВЧ, повышение выхода годных путем улучшения воспроизводимости способа его изготовления при сохранении диэлектрических потерь диэлектрической пластины из алмаза CVD.

Данный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления окна вывода энергии на основе диэлектрической пластины из алмаза CVD, включающем обработку поверхности диэлектрической пластины, нанесение на нее покрытия для последующего герметичного соединения с металлическим волноводом пайкой, обработку поверхности диэлектрической пластины осуществляют в расплаве щелочи при температуре 250-300°С, далее проводят активацию поверхности диэлектрической пластины путем нагрева при температуре 750-800°С в течение 1-1,5 часа в воздушной среде, а нанесение покрытия на диэлектрическую пластину для последующего герметичного соединения с металлическим волноводом осуществляют последовательным напылением в вакууме на холодную диэлектрическую пластину карбидообразующих металлов общей толщиной не более 1 мкм с последующим нанесением слоя никеля толщиной не более 0,5 мкм гальваническим осаждением, при этом время между активацией поверхности диэлектрической пластины и нанесением на нее покрытия для последующего герметичного соединения с металлическим волноводом не превышает 15 мин.

Возможно проведение дополнительной активации поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD потоком электронов с энергией 175-185 КэВ, длительностью импульса 2-2,5 микросекунды, с частотой повторения 50 импульсов в секунду и длительностью воздействия на поверхность 10-12 мин.

Последовательно напыляют следующие карбидообразующие металлы ряда титан, железо, молибден либо комбинацию на их основе.

Пайку осуществляют твердыми припоями в среде водорода, вакуума или нейтрального газа, например аргона.

Проведение обработки поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD в совокупности с проведением ее активации с указанной последовательностью и при указанных режимах позволит:

во-первых, повысить качество и полноту очистки поверхности окна вывода энергии СВЧ из алмаза CVD от любых загрязнений как химических, так и физических инородных частиц, а следовательно, увеличить термомеханическую прочность последующего соединения диэлектрической пластины окна вывода энергии СВЧ с металлическим волноводом,

во-вторых, активировать атомы поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD, что также способствует увеличению в последующем прочности вышеуказанного соединения.

Все вышеуказанное позволит повысить надежность окна вывода энергии СВЧ и улучшить воспроизводимость способа его изготовления, а следовательно, повысить выход годных при сохранении диэлектрических потерь диэлектрической пластины из алмаза CVD.

Нанесение покрытия на диэлектрическую пластину для последующего ее герметичного соединения с металлическим волноводом напылением в вакууме на холодную диэлектрическую пластину карбидообразующих элементов общей толщиной не более 1 мкм с последующим нанесением слоя никеля толщиной не более 0,5 мкм гальваническим осаждением позволит:

во-первых, при последующем герметичном соединении ее с металлическим волноводом обеспечить высокую прочность соединения указанного покрытия к диэлектрической пластине из алмаза CVD,

во-вторых, нанесение покрытия на холодную диэлектрическую пластину из алмаза CVD в сочетании с тонкими слоями из карбидообразующих металлов максимально снизить неконтролируемую карбидизацию поверхности диэлектрической пластины и тем самым увеличить термомеханическую прочность, а следовательно, обеспечить повышение надежности окна вывода энергии СВЧ.

А указанная оптимизация времени между операциями активации поверхности диэлектрической пластины и нанесением на нее покрытия для последующего герметичного соединения с металлическим волноводом, не превышающая 15 мин, обеспечит:

во-первых, сохранение необходимой чистоты поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD,

во-вторых, высокие значения прочности соединения нанесенного покрытия из карбидообразующих металлов к диэлектрической пластине из алмаза CVD,

в-третьих, хорошее смачивание покрытия из карбидообразующих металлов расплавленным припоем при последующем герметичном соединении диэлектрической пластины из алмаза CVD с металлическим волноводом пайкой твердым припоем окна вывода энергии СВЧ,

в-четвертых, улучшение воспроизводимости способа изготовления и тем самым повышение выхода годных.

Преимущественное использование в качестве покрытия на диэлектрической пластине из алмаза CVD карбидообразующих металлов ряда титан, железо, молибден либо их комбинации позволит максимально снять напряжения, возникающие на границе алмаз – металл и тем самым увеличивает термомеханическую прочность, а следовательно, надежность окна вывода энергии СВЧ.

Герметичное соединение диэлектрической пластины из алмаза CVD с металлическим волноводом пайкой твердыми припоями позволит существенно повысить температуры последующих технологических воздействий на конструкцию окна вывода энергии СВЧ с 450°С до 750°С и тем самым увеличить термомеханическую прочность, а следовательно, надежность окна вывода энергии СВЧ.

Дополнительная активация поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD потоком электронов с указанным режимом повышает энергию активации поверхности диэлектрической пластины и тем самым дополнительно увеличивает термомеханическую прочность, а следовательно, и надежность окна вывода энергии СВЧ.

Проведение обработки поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD в расплаве щелочи при температуре как ниже 250°С, так и выше 300°С не целесообразно, так как в одном случае еще не будет образовываться расплав щелочи, а в другом – имеет место нетехнологичность процесса.

Проведение активации поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD путем нагрева в воздушной среде при температуре ниже 750°С не эффективно, а выше 800°С не допустимо, так как происходит растравливание поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD.

Проведение активации в течение времени как менее 1 часа, так и более 1,5 часа не эффективно.

Толщина слоев как общая карбидообразующих металлов не более 1 мкм, так и никеля не более 0,5 мкм выбирается минимальной для обеспечения в первом случае термомеханической прочности, во втором растекаемости припоя при последующем соединении пайкой диэлектрической пластины с металлическим волноводом.

Время между операциями активации поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD и нанесением на нее покрытия для последующего герметичного соединения с металлическим волноводом более 15 мин не желательно, так как снижается степень чистоты поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD в результате адсорбции физических и химических загрязнений из окружающей среды, а следовательно, снижается надежность герметичного соединения ее с металлическим волноводом.

Дополнительная активация поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD потоком электронов с энергией менее 175 и более 185 КэВ, длительностью импульса менее 2 и более 2,5 микросекунды и длительностью воздействия на поверхность менее 10 и более 12 мин не эффективна.

Пример 1.

Для изготовления окна вывода энергии СВЧ берут диэлектрическую пластину из алмаза CVD диаметром, например, 50 мм и проводят обработку ее поверхности в расплаве щелочи, например гидроокиси калия, при температуре 275°С, в вытяжном шкафу на электрической плитке, далее проводят активацию ее поверхности путем ее нагрева на воздухе при температуре 775°С в течение 1,25 часа в муфельной печи, далее наносят покрытие на диэлектрическую пластину из алмаза CVD, для чего ее размещают в установку вакуумного дугового напыления типа УРМЗ.279.062, при этом время между указанными операциями не должно превышать 15 мин. Далее на указанной выше установке на холодную диэлектрическую пластину последовательно напыляют сначала карбидообразующие металлы титан, железо толщиной 0,2 мкм, а затем молибден толщиной 0,8 мкм. Далее наносят слой никеля толщиной 0,25 мкм, для чего диэлектрическую пластину вынимают из установки вакуумного дугового напыления и размещают ее в ванну для гальванического осаждения. Затем диэлектрическую пластину из алмаза CVD с нанесенным на нее покрытием из карбидообразующих металлов герметично соединяют с металлическим волноводом пайкой твердыми припоями, для чего диэлектрическую пластину из алмаза CVD в специальной фиксирующей оправке из металла размещают между отрезками металлического волновода через кольца твердого припоя, например, из фольги ПСр-72В и на установке для пайки типа ТИМ 3.019.003-02 осуществляют пайку в вакууме.

Пример 2-5.

Аналогично примеру 1 были изготовлены образцы окна вывода энергии СВЧ на основе диэлектрической пластины из алмаза CVD, но при других значениях параметров и режимах проведения способа, как указанных в формуле изобретения, так и выходящих за ее пределы.

Изготовленные образцы окна вывода энергии СВЧ были испытаны на термомеханическую прочность и определение выхода годных по герметичности с помощью «Течеискателя гелиевого ПТИ-10» и целостности – визуально.

Данные сведены в таблицу.

Как видно из таблицы, образцы окна вывода энергии СВЧ на основе диэлектрической пластины из алмаза CVD, изготовленные согласно предлагаемому способу (примеры 1-3), имеют высокую надежность, что подтверждено количеством выдержанных образцами термоциклов, и высокий процент выхода годных.

Образцы окна вывода энергии СВЧ, изготовленные по технологическим режимам, выходящим за пределы, указанные в формуле изобретения, (примеры 4-5) имеют неудовлетворительные результаты как термомеханической прочности, так и выхода годных.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления окна вывода энергии СВЧ на основе диэлектрической пластины из алмаза CVD позволит по сравнению с прототипом:

во-первых, благодаря увеличению термомеханической прочности повысить надежность,

во-вторых, благодаря улучшению воспроизводимости повысить выход годных.

При этом сохранить низкие значения диэлектрических потерь, которые присущи диэлектрической пластине на основе алмаза CVD.

Источники информации

1. Батыгин В.Н, Метелкин И.И., Решетников А.М. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами, М., «Энергия», 1973 г., с.289-319.

2. Метелкин И.И., Павлова М.А., Поздеева Н.В. Сварка керамики с металлами, М., «Металлургия», 1977 г., с.101-108.

3. К.Takahasi et al. Revien of Science Instruments, v.71 (11), 2000 g., p.4139-4143.

Формула изобретения

1. Способ изготовления окна вывода энергии СВЧ на основе диэлектрической пластины из алмаза CVD, включающий обработку поверхности диэлектрической пластины, нанесение на нее покрытия для последующего герметичного соединения с металлическим волноводом пайкой, отличающийся тем, что обработку поверхности диэлектрической пластины осуществляют в расплаве щелочи при температуре 250-300°С, далее проводят активацию поверхности диэлектрической пластины путем нагрева при температуре 750-800°С в течение 1-1,5 ч в воздушной среде, а нанесение покрытия на диэлектрическую пластину для последующего герметичного соединения с металлическим волноводом осуществляют последовательным напылением в вакууме на холодную диэлектрическую пластину карбидообразующих металлов общей толщиной не более 1 мкм с последующим нанесением слоя никеля толщиной не более 0,5 мкм гальваническим осаждением, при этом время между активацией поверхности диэлектрической пластины и нанесением на нее покрытия для последующего герметичного соединения с металлическим волноводом не превышает 15 мин.

2. Способ изготовления окна вывода энергии СВЧ по п.1, отличающийся тем, что проводят дополнительную активацию поверхности диэлектрической пластины из алмаза CVD потоком электронов с энергией 175-185 КэВ, длительностью импульса 2-2,5 мкс, с частотой повторения 50 импульсов в секунду и длительностью воздействия на поверхность 10-12 мин.

3. Способ изготовления окна вывода энергии СВЧ по п.1, отличающийся тем, что последовательно напыляют следующие карбидообразующие металлы ряда титан, железо, молибден либо комбинацию на их основе.

4. Способ изготовления окна вывода энергии СВЧ по п.1, отличающийся тем, что пайку осуществляют твердыми припоями в среде водорода, вакуума или нейтрального газа, например аргона.