空間行波管輸能窗組件貯存失效分析

王國建 趙 麗 陸玉新 田 宏 石文奇

①(中國科學院空天信息創新研究院 北京100190)

②(中國航天科工二院空間工程總體部 北京100854)

③(天津交通職業學院 天津300110)

1 引言

微波真空電子技術是一個歷史悠久的研究領域，它包括微波電子學、材料技術、真空技術等學科[1,2]，因此我國將空間行波管列入“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、導航定位、軍事測繪、微波遙感、電子偵察、數據傳輸等衛星，是星載轉發器的核心器件[3–5]。隨著現代通信技術的發展，對空間行波管的壽命和性能等指標不斷提出新的需求，這些需求主要表現在要求更長的壽命、更高的性能等[6,7]，這些需求進而對空間行波管的支撐技術的發展提出新的挑戰和發展機遇[8,9]。在空間行波管制造過程中，零件儲存是其工作的基礎條件，零件污染不僅對電子注聚焦、輸出功率、陰極發射、噪聲電平有影響，而且會使管內真空變差[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，殘余氣體對這類器件的影響更為嚴重[1,12]。因此研究空間行波管零件存儲條件具有十分重要的意義。

2 高頻組件的儲存

空間行波管主要由5個部分構成[13]：電子槍、輸入輸出組件、螺旋線慢波組件、磁聚焦系統和收集極，其結構如圖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由輸入裝置進入行波管中，經過放大后的信號由輸出裝置送出。常見的輸入輸出裝置有波導和同軸兩種。一般在頻率較低或功率較小且要求工作帶寬較寬時采用同軸結構，反之，則采用波導結構。在實際應用中，有時會采用輸入用同軸結構，輸出用波導結構。

高頻組件是空間行波管的主要部件之一，是管內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行焊接。高頻組件一般存放于真空柜中，真空柜的極限壓強低于5×10–2Pa。存放一段時間后，組件表面出現了發黑現象，如圖2所示。

從圖2可以看出，發黑部位主要是進行陶瓷金屬封接的銀焊料。經過真空檢漏實驗，發現零件的氣密性沒有被破壞，說明高頻組件僅是表面被硫化，還沒有擴散到焊接面內部。

圖1 空間行波管結構示意圖

3 實驗結果及分析

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

從圖3的分析可以看出，真空柜中出現了硫元素，并與銀焊料發生了反應，根據現場觀察可知，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。對真空柜中的橡膠套和未使用過的橡膠套進行了分析，結果如圖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，硫化后的橡膠因為分子之間的交連，熔點提高而且強度增大，橡膠加硫是橡膠制作過程中不可或缺的一步。在化學中，二硫鍵是比較弱的化學鍵，在一定的條件下(如紫外線照射、加熱等)會分解成單質的硫，另外硫化橡膠中也會殘存一些單質硫[14]。

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

圖2 真空柜中存放的高頻組件

圖3 高頻組件發黑部分的形貌和成分

為了進一步驗證上述分析結果的正確性，進行了下述3組試驗。(1)將表面狀態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柜中，不抽真空，室溫條件下，放置10天，取出3組試驗樣品，進行分析，結果如圖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柜中并抽真空至5×10–2Pa，室溫條件下，放置10天后，銀焊料發生了變化。這些實驗說明硫來源于橡膠套，但在大氣狀態下，橡膠套中的硫還是比較穩定的。在真空狀態下，硫比較容易從橡膠套中升華進入真空柜中，在真空柜中彌漫了大量硫蒸氣，這些硫蒸氣與銀焊料發生了化學反應形成Ag2S。

任何材料加熱到一定溫度時就會發生氣化現象，即由液相或固相進入氣相。在給定的溫度下，一種物質的氣態與其凝聚態(固態或液態)之間會在某一個壓強下存在動態平衡。這個壓強就是此物質在此溫度下的飽和蒸氣壓。具有較高蒸氣壓的物質具有較高的蒸發速率。任何物質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，均能迅速蒸發。而且材料以單原子形式蒸發進入氣相[16]。從表1可以看出硫在真空條件下蒸發比在常壓下容易得多，所需的蒸發溫度大幅下降。在標準大氣壓下，硫必須加熱到717 K(沸點)才能大量蒸發，因此在大氣狀態下，橡膠套中的硫是比較穩定的。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，因此在真空狀態下，硫是比較容易從橡膠套中升華進入真空柜中的，從而會在真空柜中彌漫大量硫蒸氣，這些硫蒸氣與銀焊料發生了化學反應形成Ag2S。

表1 硫的溫度與蒸氣壓的關系

綜上分析可知橡膠套是導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 結論

高頻組件是空間行波管的主要部件，是管內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，真空柜的極限壓強低于5×10–2Pa。存放一段時間后，組件表面出現了發黑現象。分析表明真空柜中放置的橡膠制品導致了高頻組件銀焊料焊接部位發生硫化，導致貯存失效。結合實驗結果和理論分析表明，在標準大氣壓下，硫必須加熱到717 K(沸點)才能大量蒸發，因此在大氣狀態下，橡膠套中的硫是比較穩定的。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，因此在真空狀態下，硫是比較容易從橡膠套中升華進入真空柜中的，會在真空柜中彌漫大量硫蒸氣，這些硫蒸氣與銀焊料發生了化學反應形成Ag2S，因此含硫的橡膠套不宜放入真空柜。