高隴橋

（中電科技集團公司第十二研究所，北京 100015）

1 概論

真空電子器件是電子工業(yè)中最重要的器件之一，對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展貢獻極大。按應(yīng)用可分為整流管、收信放大管、調(diào)制管、發(fā)射管、顯示管、計數(shù)管、磁控管、行波管以及真空開關(guān)管等［1］。

真空開關(guān)管是真空電子器件中最主要的器件之一，也是本文介紹的重點。在彩色電視退出市場后，真空開關(guān)管已作為電子工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，以其體積小、開關(guān)性能優(yōu)良、壽命長、無污染、安全可靠等優(yōu)點而得到迅速發(fā)展，目前正向小型化、大容量、高電壓方向發(fā)展，以適應(yīng)日益發(fā)展的電力、冶金、化工、煤礦、石油以及電氣化鐵道等各工業(yè)領(lǐng)域的迫切需求［2］。

當(dāng)前國內(nèi)真空開關(guān)管年需求量在400萬只左右，市場容量為28億～40億元。國內(nèi)真空開關(guān)管制造商大致可分為三個方陣［3］：

第一方陣：西門子、伊頓、東芝白云、施耐德等外資、合資公司。

第二方陣：寶光、宇光、旭光、漢光等國內(nèi)知名大型、特大型企業(yè)。

第三方陣：京森源、京東方、凱賽爾、飛特、大禹等眾多國內(nèi)中小型及私人企業(yè)。

真空開關(guān)管最主要的部件之一是絕緣外殼，其技術(shù)性能的要求是真空氣密性好、機械強度高，高溫下不分解、不蒸發(fā)、不變形，絕緣性能優(yōu)良，且應(yīng)保證器件真空壽命達20年。目前國內(nèi)絕緣外殼均主要采用95%Al2O3陶瓷和活化Mo-Mn法封接工藝。其絕緣外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 -A 真空開關(guān)管瓷殼

圖1 -B 真空滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

應(yīng)該指出，目前第一方陣的外資、合資公司的產(chǎn)品大部分或全部采用國外管殼，而第二方陣的大型、特大型企業(yè)也大量采用國外產(chǎn)品。特別是韓國KCC每年有數(shù)以幾十萬計的陶瓷外殼進入中國真空開關(guān)管的高端市場，更使中國生產(chǎn)真空開關(guān)管的中小企業(yè)在低端產(chǎn)品中相互進行價格競爭，市場前景困難，企業(yè)舉步維艱。

2 目前我國真空開關(guān)管用陶瓷的質(zhì)量狀況

早期95%Al2O3瓷的典型組成有美2548號品牌（MgO-Al2O3-SiO2系）和俄M-7#品牌（CaO-Al2O3-SiO2系），兩個三元系品牌的95%Al2O3瓷引領(lǐng)了世界多年的高Al2O3陶瓷在電子工業(yè)中的應(yīng)用。而后，中國在此基礎(chǔ)上完成了CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元系的制造工藝，它具有足夠的玻璃相并與活化Mo-Mn法封接工藝相適應(yīng)，且燒結(jié)溫度較低，有較均勻的粒狀、短柱狀晶粒和良好的抗彎強度［4］，是目前業(yè)內(nèi)專家和工程技術(shù)人員較為認(rèn)可的典型系統(tǒng)。當(dāng)然，目前國內(nèi)也有不少企業(yè)、研究所還在四元系統(tǒng)中加入少量添加劑如 ZrO2、BaO、Y2O3、ZnO等，并稱之為五元甚至六元系，相關(guān)效果有待證實。有關(guān)顯微結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 -a 中國CaO-Al2O3-SiO2系的95%Al2O3瓷

圖2 -b 中國MgO-Al2O3-SiO2系的95%Al2O3瓷

圖2 -c 中國CaO-MgO-Al2O3

圖2 -d 美國Coors公司-SiO2系的95%Al2O3瓷

圖2 -e 德國Siemens公司

圖2 -f韓國KCC公司

上述國內(nèi)95%Al2O3瓷已大量應(yīng)用于我國真空開關(guān)管上，其不足之處，小結(jié)如下：

（1）瓷殼一批之間、批次之間的重復(fù)性、一致性較差。這給現(xiàn)代化規(guī)模生產(chǎn)帶來很大困難。例如：收縮率控制精度大約為0.8～1.2%，σ彎=150～400MPa，范圍較寬，陶瓷晶粒度 D 平=10～20μm，大小相差過大。

（2）陶瓷平均晶粒度偏大，例如D平≈15μm，這與現(xiàn)在Mo粉細(xì)化趨向不相匹配。經(jīng)驗數(shù)據(jù)和研究試驗已證明DMo:DAl2O3≈1:8比例時，可以得到較高強度的封接，［5］且細(xì)Mo粉更有利于得到高強度封接件，見圖3。因而，希望陶瓷晶粒度小些為宜。據(jù)報導(dǎo)，美國和日本的95%Al2O3陶瓷晶粒均較細(xì)，平均晶粒一般為3～8μm，而我國同類瓷種的晶粒度均較粗，平均晶粒為10～20μm。法國施耐德公司也明確指出，最大晶粒不得超過20μm［6］

圖3 涂層粉末粒度與封接強度的關(guān)系

（3）顯微結(jié)構(gòu)不均勻，同時有大氣孔出現(xiàn)（例如0.01～0.1mm）。氣體放電通常會在大氣孔中發(fā)生，并會引起陶瓷擊穿強度的強烈下降，隨著開關(guān)管電壓的日益升高（例如V＞40.5KV），氣孔放電的孔徑將會變小。這一點，對真空開關(guān)管尤其重要，應(yīng)引起陶瓷生產(chǎn)者和制管設(shè)計師的充分關(guān)注。

3 95%Al2O3瓷與Al2O3粉體的依賴關(guān)系

不言而喻，為了生產(chǎn)出優(yōu)良的Al2O3陶瓷，必需有優(yōu)質(zhì)的Al2O3粉體供給。為此，有關(guān)部門和專家已多次制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。例如：

（1）上世紀(jì)70年代，冶金部制定了主要以SiO2含量為等級依據(jù)的煉鋁專用氧化鋁粉體冶金標(biāo)準(zhǔn)［7］。

（2）電子陶瓷用氧化鋁粉體材料國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T15154-94）［8］。

（3）軍用氧化鋁粉體材料規(guī)范（SJ20608-96）［9］。

（4）國內(nèi)外氧化鋁粉體生產(chǎn)廠家一般也都制定有自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)該說，所有上述標(biāo)準(zhǔn)，都對氧化鋁粉體產(chǎn)業(yè)化、專業(yè)化、優(yōu)質(zhì)化起到了良好的推動和促進作用。

隨著氧化鋁陶瓷、氧化鋁粉體質(zhì)量要求進一步提升，以及多年來積累的實踐經(jīng)驗，對上述標(biāo)準(zhǔn)進行適當(dāng)?shù)男薷暮脱a充也是必要的、可能的。筆者建議如下：

（1）我國國標(biāo)氧化鋁粉體品種單一，實際上電子陶瓷粉體應(yīng)用的門類很多，相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)也是不同的，因而應(yīng)完成一些多品種的粉體標(biāo)準(zhǔn)。

（2）真空開關(guān)管目前也正在向小型化、長壽命、高可靠、大容量發(fā)展，其主要電性能是ρv（絕緣電阻）和Eb（擊穿強度），因而，在制定開關(guān)管用陶瓷和粉體標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)該考慮納入這兩個重要指標(biāo)。

（3）國標(biāo)氧化鋁粉中雜質(zhì)比國外偏高，特別是Fe2O3，R2O都比國外高，作為電子陶瓷國標(biāo)2#、3#類別的氧化鋁粉體，其性能與現(xiàn)代化大功率器件的要求不相符合。

表1 日本昭和電工電子陶瓷用Al2O3粉體技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

（1）原電子工業(yè)部12研究所由于國防項目的需求在國內(nèi)率先于1963年研試成功了95%Al2O3陶瓷，隨后進行了各種金屬化工藝試驗和陶瓷產(chǎn)業(yè)化工作，并于1964年均成功進行了技術(shù)鑒定。爾后，在全國對眾多有關(guān)企業(yè)、公司、高校、研究所等進行了多次無保留的匯報、交流、推廣。應(yīng)該指出，這方面得到了上級機關(guān)和相關(guān)工廠、公司、企業(yè)等有關(guān)粉體部門的大力支持，時至今日，幾十年過去了，國民經(jīng)濟已從計劃經(jīng)濟轉(zhuǎn)變到市場經(jīng)濟。希望能相互配合、共同努力，把氧化鋁粉體標(biāo)準(zhǔn)提得更高、品質(zhì)做的更好。

（2）95%Al2O3陶瓷和Al2O3粉體有著十分密切的關(guān)系，沒有優(yōu)質(zhì)的Al2O3粉體，不可能做出優(yōu)質(zhì)的Al2O3陶瓷來，這是顯而易見的。但是反過來說，有了優(yōu)質(zhì)的粉體，如果沒有適當(dāng)?shù)奶沾膳浞?、造粒工藝，成型技術(shù)、燒結(jié)制度等互相配合，也難以做出優(yōu)質(zhì)的陶瓷產(chǎn)品來。值得慶幸的是：近期中國無錫康偉公司已完成了我國第一條現(xiàn)代化、規(guī)?；I(yè)化制作95%Al2O3陶瓷及其金屬化的生產(chǎn)線，希望中國的Al2O3粉體能在這條生產(chǎn)線上作出貢獻。

（3）筆者從事95%Al2O3陶瓷及其金屬化技術(shù)研究、生產(chǎn)多年，現(xiàn)對Al2O3粉體和陶瓷初步的設(shè)想如下：

a Al2O3粉體原晶（一次晶粒）＜2μm

b 粉體的粒度 D50＜3～4μm，Dmax＜2D50

d 陶瓷α-Al2O3結(jié)晶粒度 D平=8～12μm（近期指標(biāo)）