两种微波铁氧体粘接材料的导热分析与比较

　　Abstract:

1 前言
　　缩醛烘干胶和焊锡是微波铁氧体器件中常用的两种粘接材料。微波铁氧体器件，特别是波导型的，需要将铁氧体片固定在器件中的既定位置上。这样，粘接材料的作用就有两个，一是粘接固定作用，将铁氧体片牢牢固定在它的位置上，满足工程上所需的强度要求；二是导热作用，能及时地将铁氧体片在工作中因微波损耗产生的热量传导给壳体，保证铁氧体片的性能不会因为温升过热而失效，这对于较高平均功率的器件尤为重要。为了选好用好粘接材料，我们有必要对这两种粘接材料进行导热分析和优缺点比较。

2 导热分析
2.1 缩醛烘干胶层的导热分析
　　以一种高功率四端环行器为例，假定其中铁氧体片与波导壁采用缩醛烘干胶粘接。该环行器平均功率为12kW，若高功率情况下的插入损耗为0.3dB，且所有的损耗都在铁氧体片中转化为热量，则
　　
其中，P_i为输入功率，P_o为输出功率。
　　
则，损耗功率为
　
假定上述损耗均由环行器中铁氧体片产生，并且全部转化为热量，则单位时间(每秒)产生的总热量为
　　
四端环行器中铁氧体片与波导壁的总接触面积为720cm²，若环行器上每个铁氧体片的损耗都相同，那么铁氧体片单位时间单位面积上产生的热量为
　　（801J/s）/720cm²=1.1125J/s.cm²     （5）
环行器工作时，铁氧体片由于微波损耗而产生热量，除少量辐射到外界，大部分通过缩醛烘干胶层和波导壁传给冷却水。热量的传导情况如图1所示。单位时间传过胶层的热量与胶层的导热系数、导热面积、胶层两边的温差成正比，与胶层的厚度成反比。当单位时间铁氧体片产生的热量与传导、辐射的热量之和相等时，就达到了热平衡。为了便于分析，我们忽略热辐射的作用，假定全部热量都以热传导方式传递，即达到热平衡时铁氧体产生的热量等于胶层热传导的热量。

　　根据傅立叶定律^[1]
式中Q为热量，t为时间，dQ/dt为单位时间传导的热量，S为导热面积，K为导热系数，T为温度，x为胶层的厚度，负号表示热量向温度低的方向传导。根据（6）式，可以方便地求出达到热平衡时单位面积胶层所达到的温度梯度。
　　依据（5）式有
　　
缩醛烘干胶属于酚醛类树脂，查得导热系数^[2] K=
　
即，达到热平衡时，缩醛烘干胶层的温度梯度为－332.2℃/cm。依据这个结果，我们可以推断出：当胶层厚度为0.1mm时，胶层两边的温差为：ΔT =－3.322℃；当胶层厚度为0.01mm时，胶层两边的温差为：ΔT =－0.3322℃。可见，在相同的温度梯度下，导热媒介的厚度对传热的效果影响很大。所以，在保证强度的前提下，胶层是越薄越好。
2.2 焊锡层的导热分析
　　焊锡层在环行器中的导热情况与图1基本一致，只是图中的胶层变成了焊锡层。采用上述方法可以对铁氧体片焊接在波导壁上时形成的焊锡层进行导热分析。
　　假定焊锡为纯锡，可以查到锡的导热系数^[3]K= 67W/m·℃=0.67J/s·cm·℃。达到热平衡时所需要的温度梯度
　　
　
同样，我们可以推出以下结果：当锡层厚度为 1mm时，锡层两边的温差为：ΔT=－0.166℃；当锡层厚度为0.5mm时，锡层两边的温差为：ΔT= －0.083℃；当锡层厚度为0.2mm时，锡层两边的温差为：ΔT=－0.033℃。
2.3 讨论
　　从以上两种胶层的导热分析结果可知，热平衡时，单位面积、单位时间传导相同的热量1.1125J/s·cm²，缩醛烘干胶层的温度梯度为 －332.2℃/cm，焊锡层的温度梯度为－1.66℃/ cm，前者大约为后者的200倍。金属的良好导热特性显而易见。
　　值得注意的是传导1.1125J /s·cm²的热量，当缩醛烘干胶层的厚度从1cm降到0.01mm时，胶层两边应达到的温差也从332.2℃降到了0.3322℃。胶层两边的温差随着胶层厚度变薄而降低。由于单位时间传过胶层的热量与胶层的厚度成反比，与胶层两边的温差成正比，因此，我们可以通过减小胶层厚度和改善冷却条件增大胶层两边温差来提高导热效果。
　　工程上，不超过0.01mm厚度的超薄缩醛烘干胶层比较容易达到^[4]，并且这种超薄胶层的粘接强度也完全能满足要求^[5]。因此，要在较高平均功率微波铁氧体器件中使用缩醛烘干胶，采用超薄胶层是非常有效的措施，如有必要还可以同时改善冷却条件。

3 优缺点比较
　　采用缩醛烘干胶进行粘接时的工艺过程如图2所示。在缩醛烘干胶粘接工艺流程中，重点工序是与壳体内壁“施压粘接”，因为这道工序中众多铁氧体片在波导内既要考虑定位（可设计制作专用工装解决），又要使每一片铁氧体和波导壁之间的胶层尽量薄，这就要求操作人员工作认真、细致、迅速、到位。 整个工艺流程所需的时间大约为两天。

　　采用锡焊进行焊接时的主要工艺过程如图3所示。在锡焊接工艺流程中，重点是“铁氧体焊接面金属化”、“与壳体内壁定位焊接”两道工序。因篇幅有限，图3仅是将它们的工艺名称和顺序表示出来。它们各自还有一套完整、严格、复杂的工艺流程。整个工艺流程所需时间要比前者长数倍。我们将两种粘接层及其工艺进行比较，结果列于表1。

　　从以上的优缺点比较可以清楚地看到，它们的优缺点大部分是相反的。缩醛烘干胶除了导热性比焊锡差外，其它方面大部分都处于优势，比如粘接工艺极其简单、工艺周期短、强度高、使用温度宽、材料成本和工艺成本低廉、铁氧体片损坏率低等。虽然锡焊涉及的工序多而复杂，整个工艺过程的时间、成本、难度、复杂性等方面远远超过缩醛烘干胶，但是，焊锡的优异导热性在高平均功率微波铁氧体器件中具有重要的应用价值。

4 结束语
　　通过以上的分析和比较，我们对缩醛烘干胶和焊锡这两种粘接材料的导热特性、工艺特点等方面有了更深入的了解。摆在我们面前的现实问题是怎样合理地选择粘接材料？以下思路可供参考，首先要对器件进行热分析，计算出单位时间单位面积的铁氧体片在规定温度范围内达到热平衡时需要传出的热量；第二，计算单位面积0.01mm厚的缩醛烘干胶层两边应达到的温差；第三，核算在可以实现的冷却条件下能否满足胶层两边所需的温差，如果能满足，则可以优先选择缩醛烘干胶；如果不能满足或比较临界，则应选用焊锡；第四，对选择的粘接方案在工程上进行验证。
　　我们可以把中、高功率微波铁氧体器件分成两类，一类是采用缩醛烘干胶就能解决问题的，另一类是必须采用锡焊（或其它高导热性粘接材料）焊接的。为了降低制造成本，缩短工艺周期，我们可以考虑这样一个原则，凡是采用缩醛烘干胶能满足要求的一般不选用焊锡。

参考文献

[1] 宋玉亭. 基础物理学手册[M]. 南京：江苏科学技术出版社,1988.133.
[2] 钱知勉. 塑料性能应用手册[M]. 上海：上海科学技术出版社,1982.442.
[3] 宋玉亭. 基础物理学手册[M]. 南京：江苏科学技术出版社,1988.477.
[4] 易容平. 超薄缩醛烘干胶层形成方法研究[R]. 合肥: 华东电子工程研究所, 2003.
[5] 易容平. 超薄缩醛烘干胶层粘接强度实验研究[R]. 合肥: 华东电子工程研究所, 2003.