金刚石在TWT及MPM中的应用关键技术研究

论文摘要

微波功率模块（MPM）是一种新型微波功率组件。它使用高效小型化行波管（TWT）放大器作为功率器件，使用宽带低噪声固态放大器（SSA）驱动行波管，再与行波管电子功率调节器（EPC）集成到一个小型轻重量的封装内成为一个相对独立功能器件，MPM是当今最具发展前景的电真空器件之一。MPM技术关键之一是行波管小型化和微波多芯片模块（MMCM）的高密度集成，TWT小型化要求行波管体积很小，有很高效率和良好的散热能力，散热性能不仅是决定行波管平均输出功率的主要因素，也是直接影响着微波管工作的稳定性与可靠性的主要因素，使用高导热率的夹持材料和采用新型阴极是改进微波器件性能的重要手段之一。金刚石由于具有最高的热导率，最高的机械强度和硬度，低的介电常数和低的介电损耗，极强的抗热震性和抗裂性等优良性能，低功函数，极低的阈值电场，大电流密度、大面积范围内的均匀电子发射以及热化学性质不活泼等。将金刚石应用于TWT慢波结构的夹持杆、场发射阴极（FEA）及MMCM的基板或中间层中，应该对TWT的散热性能的改善，对MPM的小型化和MMCM的高密度集成有良好的作用，对相关的关键技术开展研究具有非常重要的现实意义。本文的主要工作有：1、本课题首先研究了用化学气相沉积（CVD）金刚石厚膜制作宽带大功率行波管的夹持杆取代传统有毒氧化铍瓷杆，改善宽带大功率行波管的散热性能，开展了相关的理论和实验研究，组装了表面沉积金刚石的Al2O3夹持杆、BeO夹持杆、金刚石夹持杆的慢波组件，测试了相关的热学和高频电学性能，并进行了对比分析，金刚石夹持杆组装的行波管慢波组件的传热速率明显大于BeO夹持杆组件的传热速率，大约是它的3倍；在此基础上组装了一只金刚石夹持杆慢波结构的C波段行波管整管，对整管进行了冷测和热测，冷测各项指标全部合格，热测整管在4．0～8．0GHz带宽内得到输出功率95W，增益35dB；然后对所用的齿型翼片加载螺旋慢波结构的色散特性了进行理论推导，并通过MAFIA软件和乌克兰2．5D大信号程序软件包Tau对整管进行计算机模拟，得出了其色散、耦合阻抗、增益和效率等特性曲线，并对其电子注相位轨迹和电子注轴向轨迹情况进行了模拟并与实验测试结果进行了对比分析。2、开展了使用金刚石FEA冷阴极代替普通电真空器件中的热阴极的基础性研究，场发射电子的开启电场和更大的发射电流以及场致发射的稳定性和可靠性是场致发射的主要指标，本文在采用MPCVD方法在硅、铜基上沉积了金刚石薄膜，经过多次实验发现采用在铜基上沉积未成膜、晶粒分散分布的金刚石微小颗粒作为发射体可以有效地降低场发射电子的开启电场。本文所制备的金刚石发射体的（宏观）开启场小于2V/μm（对应的发射电流＞10μA，发射电流密度＞0．5mA／cm2）。最大发射电流＞2．08mA，最大发射电流密度＞100mA／cm2，相应的电场强度为E=3．5V／μm。本文所得金刚石薄膜场发射体，开启电压较低的原因在于金刚石薄膜可以看成由很多微小的金刚石发射体微尖锥组成，当颗粒间的间距较大时，发射体尖顶部的场增强因子更大，又因为采用了导电性能优异的金属—无氧铜作为发射基底，有利于在金刚石与基底间形成欧姆接触，所以有利于电子的发射。3、随着微波功率模块（MPM）向大功率、小型化、高可靠及毫米波发展使得其微波多芯片模块（MMCM）也由2D向3D发展，高密度的组装使其散热性能成为主要瓶颈，金刚石具有最高的导热率和非常高的电阻率，且热胀系数与硅匹配，因此吸引人们用它来制作高性能、大功率的薄膜多层基板。本文开展了MPM中金刚石基板MMCM热分析研究，建立了三维多芯片组件的封装模型，分析了多芯片组件的温度场分布，分析了金刚石材料作为中间导热层和基板对组件温度的影响，并分析了散热条件对温度的影响；建立了二维和三维的模型分析了金刚石基板与硅芯片界面间的热应力分布，分析了封装的几何结构对热应力的影响，结果表明：由于金刚石材料具有很高的导热率，不论它作为中间导热层或是基板，都可以显著降低芯片的最高结温，改善组件的散热性能，可做为一种理想的热沉材料，为金刚石在多芯片组件中应用提供了一些参考。总之，CVD金刚石无论是应用于带大功率行波管的夹持杆，FEA冷阴极，还是大功率MPM中的MMCM，都具有非常优良的性能。目前虽然离实际应用还有较大距离，还不成熟，但具有极大的潜力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 行波管夹持杆的结构和特点
• 1.3 夹持杆材料国内外研究现状
• 1.4 金刚石薄膜FEA冷阴极研究
• 1.5 MMCM金刚石基板热分析
• 1.6 本论文的主要工作与创新
• 1.7 整个学位论文的组织
• 第二章 夹持杆对行波管散热性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 螺旋线慢波结构散热能力的影响因素
• 2.2.1 慢波组件材料的影响
• 2.2.2 组件装配方法的影响
• 2.2.3 螺旋线夹持结构的影响
• 2.2.4 夹持杆导热分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 CVD金刚石夹持杆的制备
• 3.1 引言
• 3.1.1 金刚石的结构、性质及用途
• 3.1.2 低压化学气相沉积的几种主要方法
• 3.1.3 金刚石膜的表征方法
• 3.2 低压化学气相沉积（LPCVD）金刚石实验
• 3.2.1 微波等离子体CVD法（MPCVD）
• 3.2.2 热丝CVD法
• 3.3 沉膜实验结果
• 3.3.1 膜质量分析
• 3.3.2 MPCVD沉积金刚石结果
• 3.3.3 热丝CVD沉积金刚石结果
• 3.3.4 CVD金刚石介电性能测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 金刚石夹持杆装管实验
• 4.1 引言
• 4.2 行波管慢波结构的选择和装配
• 4.3 慢波组件的导热实验
• 4.4 行波管部件装配实验方案选择
• 4.4.1 慢波结构的色散特性和比较
• 4.4.2 金刚石夹持杆集中衰减器的制备
• 4.4.3 慢波结构的输入输出匹配特性
• 4.4.4 整管装配工艺流程
• 4.4.5 整管初步热测结果
• 4.5 主要数据结果和讨论分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 TWT色散特性研究及计算机模拟
• 5.1 TWT齿型翼片慢波色散理论研究
• 5.1.1 物理模型
• 5.1.2 区域划分
• 5.1.3 场分量表达式
• 5.2 金刚石TWT高频特性计算机模拟
• 5.2.1 模型的建立
• 5.2.2 色散、耦合阻抗特性计算
• 5.2.3 增益和效率数值计算
• 5.2.4 互作用粒子模拟
• 5.3 本章小结
• 第六章 金刚石FEA冷阴极研究
• 6.1 引言
• 6.2 场致电子发射机理
• 6.3 金刚石FEA平板冷阴极
• 6.4 金刚石薄膜场致发射的机理
• 6.5 金刚石FEA发射体的制备
• 6.6 发射特性的测试与讨论
• 6.7 结果和讨论
• 第七章 MMCM金刚石基板热分析
• 7.1 引言
• 7.2 金刚石层对温度场的影响
• 7.2.1 建立有限元分析模型
• 7.2.2 温度场分布
• 7.2.3 中间金刚石层对温度场的影响
• 7.2.4 金刚石基板对温度场的影响
• 7.2.5 介质层材料纵向温度场仿真
• 7.3 MMCM金刚石基板热应力分析
• 7.3.1 二维有限元模型
• 7.3.2 三维有限元模型
• 7.4 本章小结
• 第八章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻博期间取得的成果