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铜外壳焊接式玻璃烧结密封电连接器设计及关键技术研究

2024-10-17 114 上传者：管理员

摘要：随着低成本的发展趋势，T/R组件的封装壳体材料由硅铝壳体、可伐壳体向铝合金壳体转换。为满足与铝合金壳体适配，本文设计了铜外壳焊接式玻璃烧结密封连接器，通过铜外壳材料过渡，低碳钢单孔玻璃烧结，与铝合金壳体焊接后达到泄漏率≤1×10-3 Pa·cm3/s,成功满足低成本T/R组件内、外部环境之间的气密封功能，防止不良环境造成T/R组件内部器件损坏，提高T/R组件的性能。

关键词：
低碳钢烧结
密封性
现代雷达
电子战系统
真空钎焊
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1、引言

T/R组件是现代雷达和电子战系统最关键的组成部分，一部有源相控雷达，少者需几十数百，多则需要成千上万个T/R组件组成，T/R组件的性能直接决定了雷达整机的各项指标，T/R组件的成本约占整个相控阵雷达系统造价的60%[1]。随着低成本的发展趋势，具有密封要求的T/R组件的封装壳体材料由硅铝壳体、可伐壳体向铝合金壳体转换。由于常用壳体材料6061铝合金的膨胀系数与玻璃烧结连接器的膨胀系数相差较大，在焊接过程或者温度冲击过程中产生巨大的应力导致焊料或者玻璃开裂，进而导致T/R组件气密失效。

T/R组件壳体材料的改变，对玻璃烧结密封连接器提出了新的要求，铝合金壳体材料的膨胀系数与常规微矩形玻璃烧结密封连接器膨胀系数的严重失配是亟待解决的问题。本文探索研究了与铝合金壳体适配的玻璃烧结密封电连接器，设计了铜外壳焊接式玻璃烧结密封电连接器，通过铜外壳材料过渡，低碳钢单孔玻璃烧结，与铝合金壳体焊接后达到泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s, 成功满足低成本T/R组件内、外部环境之间的气密封功能，防止不良环境造成T/R组件内部器件损坏，提高T/R组件的性能。

2、产品设计

2.1 方案设计

T/R组件壳体材料为铝合金，焊锡材料为锡铅焊料，铝合金的膨胀系数与锡铅焊料接近，约为23×10-6/℃。常规玻璃烧结密封连接器壳体材料为可伐合金，其膨胀系数约为5×10-6/℃,两者膨胀系数差别大。两种不同材料之间的热应力计算公式如下所示：

式中，E为材料的弹性模量，Δα为材料之间的膨胀系数差，ΔT为温差，L为常态下的结构尺寸。

由公式(1)可知，不同材料的膨胀系数差值越大、温差越大，热应力越大，匹配性越差。为提高匹配性，需更换连接器壳体材料。基于现有玻璃烧结技术，连接器壳体材料选择低碳钢材料，但其膨胀系数约为12×10-6/℃,与铝合金的膨胀系数仍有较大差别。为进一步提高匹配性，在低碳钢玻璃烧结连接器壳体外再增加一层过渡壳体，由于铜材的膨胀系数约为17×10-6/℃,符合与铝合金、低碳钢膨胀系数阶梯过渡的目的，故在低碳钢玻璃烧结连接器外增加一层铜外壳进行过渡。

2.2 结构设计

本文介绍的连接器由插孔、玻璃珠、金属基座、焊锡和铜外壳组成，如图1所示，其功能框图如图2所示。采用焊接密封与烧结密封的混合密封结构，产品内层采用低碳钢金属基座与低碳钢插孔通过玻璃珠熔封固定密封，再利用焊料与外层铜外壳焊接实现可靠密封。外壳整体为矩形结构，表面镀金，外壳台阶用于安装定位。连接器安装在T/R组件安装板上，从外向内材料依次为铝合金、铜外壳、低碳钢，其膨胀系数形成等梯度变化，有效避免因膨胀系数突变而导致焊接热应力过大而造成的产品密封失效。

图1铜外壳焊接式玻璃烧结密封连接器结构示意图

图2铜外壳焊接式玻璃烧结密封连接器功能框图

3、关键技术研究

3.1 低碳钢烧结技术研究

金属和玻璃封接材料的匹配是实现良好封接的关键，针对低碳钢和玻璃的封接，主要考察金属和玻璃的膨胀系数、浸润性、结合强度等匹配程度。不同类型的金属和不同体系的玻璃，在膨胀系数、浸润性上有着一定的差异，这种差异主要体现在产品烧结后的密封性、绝缘耐压等指标上。

在低碳钢封接工艺中，找到合适的封接玻璃十分重要。选择的玻璃材料的膨胀系数要与低碳钢材料接近，避免烧结后因应力过大而导致玻璃开裂，产品气密失效。当玻璃的膨胀小于金属的膨胀，在烧结后冷却至室温时，玻璃中的应力将大于金属，因为金属和玻璃连结在一起，玻璃中产生收缩量，金属中呈现拉伸量，即玻璃受到压缩力，金属承受拉伸力。反之则呈现相反的状态。故选择的玻璃材料的膨胀系数应略小于低碳钢材料的膨胀系数，使玻璃受到压应力。玻璃材料中可以添加少量氧化锌，对玻璃有助熔作用，同时还能提高玻璃机械强度，使玻璃具有较好的耐化学腐蚀性。通过试验验证，相近膨胀系数，含有氧化锌的玻璃材料比不含氧化锌的玻璃材料，封接界面不会产生异常的气泡和漏气问题，烧结后质量更为稳定。

为获得质量好的封接件，在烧结前应进行预氧化，形成一层致密而牢固的过渡层，使玻璃与金属结合地紧密[2]。低碳钢由于含碳量较低，基本由铁元素组成，而铁在高温下氧化会很快生成铁的氧化物，且氧化膜厚度随着时间的延长呈线性增长趋势，这有利于实现与玻璃的良好浸润。低碳钢在高温氧化时，其颜色变化趋势为本色→蓝色→深褐色→灰黑色。当零件氧化膜处于蓝色时，氧化膜较薄，烧结后容易漏气；氧化膜颜色为深褐色时，烧结件密封性较好，封接界面的气泡也较少；当氧化膜颜色处于灰黑色时，烧结件虽然密封合格，但在封接界面玻璃子气泡较多，对绝缘性能影响较大，因此，低碳钢零件最佳的氧化膜颜色在深褐色。

3.2 真空钎焊技术研究

为获得优质或与母材相匹配的高性能接头，真空钎焊是目前最为有效的连接方法[3]。正确选择焊料是获得优质钎焊接头的重要因素。为实现膨胀系数等梯度变化，在低碳钢基座外增加一层铜外壳进行过渡，通过焊接方式将铜外壳与低碳钢基座固定在一起并实现密封，连接器与T/R组件壳体再次进行焊接固定，两次钎焊的焊接温度应存在差异，且后面焊接的钎料熔点应低于前面焊接的钎料熔点，避免在二次焊接时将第一次焊接的钎料熔化。根据基体金属与钎料配合的研究[4],金基钎料与铜及铜合金、低碳钢同时具有满意的焊接质量。故选择金锡焊料作为低碳钢基座和铜外壳的焊料，其膨胀系数约为16×10-6/℃,熔点约为280 ℃,焊接温度比熔点高出20 ℃～30 ℃,满足多次焊接的温度阶梯要求，且其熔化后流动性能很好，粘滞力小，易铺展，能填充一些较小的空隙。同时金锡焊料还具有凝固快的特点，能够大大缩短钎焊过程。

图3真空钎焊夹具及产品

图4金锡焊料真空钎焊的工艺曲线

为保证产品在焊接过程中能精确定位，设计专用焊接夹具，如图3所示。焊接夹具材料应具有传热性好，且与金锡焊料润湿性差，保证焊接过程中传热均匀，较少吸收热量，同时不会被焊接上，焊料刚好填满焊缝，保证钎焊质量。采用真空焊接炉进行金锡焊料真空钎焊，其工艺曲线如图4所示。焊接完成后，焊缝位置无裂纹，封接焊缝上无气孔、飞溅、开裂等缺陷，封接焊缝被填满，形成有效的焊缝。采用相应的对接插头进行对接检查，能顺畅进行对接，产品密封性满足指标要求。

4、设计验证

对铜外壳焊接式玻璃烧结密封连接器按GJB 1217A-2009[5]及产品详细规范进行全性能试验，考核外观和机械检查、介质耐电压、绝缘电阻、接触电阻、接触件插入力和分离力、啮合力和分离力、温度冲击、潮湿、正弦振动、随机振动、冲击、寿命、密封、盐雾、液体浸渍、绝缘安装板固定性、可焊性、耐焊接热、接触件尾端键合强度等技术指标，试验结果均合格，主要技术指标及试验结果如表1所示，产品性能满足使用要求。

表1 连接器主要技术指标及试验结果

5、结论

为满足T/R组件低成本发展要求，设计研发了铜外壳焊接式玻璃烧结密封电连接器，通过铜外壳材料过渡，低碳钢单孔玻璃烧结，与铝合金壳体焊接后达到泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s, 成功满足低成本T/R组件内、外部环境之间的气密封功能，防止不良环境造成T/R组件内部器件损坏，提高T/R组件的性能。同时研究掌握了低碳钢烧结和真空钎焊关键技术，为后续低成本玻璃烧结连接器发展奠定了技术基础。

参考文献:

[1]吴礼群,孙再吉.T/R组件核心技术最新发展综述(一)[J].中国电子科学研究院学报,2012,7(1):29-33.

[2]庄明伟.低碳钢､纯铁与玻璃的封接[J].机电元件,1993,13(4):13-15.

[3]李志刚.CTS天线真空钎焊技术研究[J].焊接技术,2016,45(5):89-91.

[4]屠恒悦.真空钎焊技术的应用[J].金属热处理,1998,5:21-23.

[5]GJB 1217A-2009.电连接器试验方法[S].北京:中国人民解放军总装备部,2009.

文章来源:裴雨滋,黄于林.铜外壳焊接式玻璃烧结密封电连接器设计及关键技术研究[J].机电元件,2024,44(05):7-9+19.