CN105336707B - 一种塑料气密管壳及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种塑料气密管壳及其制造方法。所述塑料气密管壳，包含光电通道装置，管壳基座，密封元件，密封底板，管帽。其中，管壳基座与光电通道装置通过镶嵌注塑成型为一体，密封元件设置在管壳基座与密封底板的中间，且位于管壳基座与光电通道装置的接缝处，并且与光电通道装置的外壳表面紧密结合；密封底板与管壳基座通过二次注塑成型工艺紧密结合，管壳基座与管帽通过超声波焊接为一体。由于采用塑胶材料与非塑胶材料相结合的设计，具有低成本并可快速大批量生产；其制造方法采用了镶嵌注塑成型技术，二次注塑成型技术及超声波焊接技术，不需要经过烧结工艺，加工工序少，工艺便于自动化控制，是实现产品大批量自动化生产的有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种通讯领域的气密管壳，特别是涉及一种可用于光电集成产品的塑料气密管壳及其制造方法。
背景技术
随着光电子技术的发展，光电子器件迅速向多功能集成化，小型化，低成本方向发展。而对于需要与外部进行电气连接，及光路连接的且气密性要求比较高的光电子器件管壳来说，目前现存的技术解决方案是非常有限的。
传统的气密管壳的电极引脚采用金属引脚外包裹玻璃作为绝缘层从管壳底座或者侧壁引出，这个结构的局限性在于产品电极引脚增加时，多根玻璃绝缘电极引脚会占用较多管壳底座面积或侧壁面积，从而不能在管壳设计上实现电极的高密度排布，阻止了管壳类产品向集成化，小型化发展的步伐。
实用新型专利“一种用于低温工作多元红外探测器的气密管壳，专利号01255192.9”所描述的气密管壳虽然在电极引脚方面对传统管壳做了很大的改进，可以实现电极的高密度排布；但管壳的底座与管帽使用金属材质，目前主要通过机械加工的方式成型，成本过高；并且管壳底座，管帽及电极磁环等结构需要通过高温烧结工艺制造，而管壳类产品的成本组成中，烧结工序占了很大时间比重，因此也存在产品成本过高的问题，此产品封装包含很多工艺步骤，在量产控制方面比较复杂，控制难度比较大。
实用新型“一种混合集成电路用陶瓷封装管壳，专利申请号：201220325544.1”，管壳内部空间的利用方面在金属封装管壳基础上有很大的改进，但陶瓷封装管壳必须经过烧结工艺才可以成型为一体，并且为实现腔体内空间的有效利用，必须通过多层叠加的方式设计产品，从而使产品封装工艺链进一步加长，产品整体的精度控制难度进一步加大，使其产品生产成本高居不下。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种塑料气密管壳及其制造方法，所述塑料气密管壳由于采用塑胶材料与非塑胶材料相结合的设计，具有低成本并可快速大批量生产，是传统金属封装与陶瓷封装的烧结工艺的低成本代替方案；其制造方法采用了镶嵌注塑成型技术，二次注塑成型技术及超声波焊接技术，不需要经过烧结工艺，加工工序少，工艺便于自动化控制，是实现产品大批量自动化生产的有效途径，并且能够满足GJB548A规定的管壳气密达到1X10-7Pa·m3/s的要求。
一种塑料气密管壳，包括管帽，管壳基座，密封元件，密封底板，光电通道装置；
其中，所述管壳基座与光电通道装置通过镶嵌注塑成型为一体；所述密封元件设置于管壳基座与密封底板的中间，且位于管壳基座与光电通道装置的接缝处，并且与光电通道装置的外壳表面紧密结合；所述密封底板通过二次注塑成型工艺与管壳基座紧密结合；所述管壳基座与管帽通过超声波焊接为一体。
其中，所述光电通道装置被设置在管壳基座的孔中并通过镶嵌注塑成型与管壳基座为一体，所述光电通道装置的外径大小与孔的大小匹配，所述光电通道装置的数量与管壳基座上的孔一一对应。
其中，所述管壳基座上的第一密封元件容纳槽设置在孔的末端，所述第一密封元件容纳槽的大小及形状与密封元件外形相匹配；所述管壳基座上设置有强度肋，所述强度肋与管壳基座本体为一体结构并设置于管壳基座与密封底板的中间；所述管壳基座上设置有密封底板卡槽，所述密封底板卡槽上设置有限位孔；
所述密封底板上设置有强度槽，所述强度槽与管壳基座上的强度肋结构相匹配并且强度槽与管壳基座上的强度肋结构相互渗透连接为一体；所述密封底板上设置有卡位凸台，所述卡位凸台穿过限位孔与密封底板卡槽扣合使密封底板与管壳基座连接更牢靠；所述密封底板上设置有第二密封元件容纳槽，所述第二密封元件容纳槽的大小及形状与密封元件外形相匹配。
其中，所述管帽上设置凸台，所述凸台上设置有第一限位面；所述管壳基座上设置有管帽卡槽，所述管帽卡槽上设置有第二限位面；所述凸台与管帽卡槽装配为一体，所述管帽卡槽上的第二限位面通过凸台上的第一限位面卡住管帽。
其中，所述管壳基座上设置有熔接墙，所述熔接墙上设置有熔接线，当管壳基座与管帽通过超声波工艺焊接时，所述熔接墙就会沿着熔接线的方向发生局部熔融，并且与管帽对应位置沿着熔接线的方向发生分子交换而达到深度粘接的效果；所述管壳基座上还设置有用于加强管壳基座与管帽熔接后的气密性的补充熔接墙，所述补充熔接墙上设置有补充熔接线。
其中，所述管壳基座采用热膨胀系数为5.0±0.5X10-5m/℃的塑胶材质由注塑成型工艺制作而成，其材料成型收缩率不大于0.03%；
所述光电通道装置采用热膨胀系数为5.0±0.5X10-6m/℃的金属材质；其中，所述光电通道装置，包括使气密管壳内部与气密管壳外部实现电连接的电路通道、以及实现光连接的光路通道，所述光电通道装置为实心结构或者空心结构。
其中，所述管壳基座材质与光电通道装置材质的温度线性膨胀系数差在产品工作温度范围内变化小于15%。
其中，所述密封元件采用可与光电通道装置渗透粘接的硅胶或者橡胶材质；
所述密封元件的硬度在邵氏10-30度之间。
其中，所述密封底板材料采用其注塑成型温度比管壳基座材料的注塑成型温度低30-80度的塑胶材料。
一种如上述任一项所述的塑料气密管壳的制造方法，包括：
步骤一：将光电通道装置放入预先做好的注塑模具中，并完成合模；
步骤二：根据管壳基座的材料特性设置注塑成型参数，完成管壳基座的注塑成型，并完成开模；
步骤三：在管壳基座上通过点胶的方式制作密封元件；
步骤四：将步骤三制作的半成品放入预先做好的另外一套模具中，并完成合模；
步骤五：根据密封底板的材料特性设置注塑成型参数，完成密封底板的注塑成型；
步骤六：在步骤五制作的半成品气密管壳腔体内安装芯片及功能器件，并放入吸收材料；
步骤七：安装管帽到步骤六的半成品气密管壳上；
步骤八：将步骤七的半成品放入超声波焊接的专用夹具中，并根据管帽与管壳基座材料特性设置超声波焊接机焊接参数，完成管帽与管壳基座的超声波焊接；
步骤九： 取出工件。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种塑胶气密管壳，是传统金属封装与陶瓷封装的烧结工艺的低成本代替方案。
2.本发明使气密管壳内部制造出复杂特征成为可能，尤其在产品成本几乎无需增加时，管壳内部的复杂结构就可以方便地通过注塑成型实现。
3.本发明产品结构简单，加工工序少，工艺便于自动化控制，是实现产品大批量自动化生产的有效途径。
附图说明
图1是一种用于低温工作多元红外探测器的气密管壳结构示意图；
图2是一种混合集成电路用陶瓷封装管壳结构示意图；
图3是本发明的塑料气密管壳整体装配图的剖面图示意图；
图4是本发明的管壳基座与光电通道装置成型为一体的结构示意图；
图5是本发明的管壳基座剖视图；
图6是本发明的密封底板结构示意图；
图7是本发明的管帽结构示意图；
图8是本发明的塑料气密管壳整体装配图的爆炸示意图；
图9是本发明的管壳基座，光电通道装置，密封元件成型为一体的结构示意图；
图10是本发明的塑料气密管壳二次注塑成型密封底板后的剖面图示意图。
其中：
1：管帽； 2：管壳基座；
3：密封元件； 4：密封底板；
5：光电通道装置；
1.1：凸台； 1.1.1：第一限位面；
2.1：管帽卡槽； 2.1.1：第二限位面；
2.2：密封底板卡槽； 2.2.1：限位孔；
2.3：强度肋； 2.4： 第一密封元件容纳槽；
2.5：熔接墙； 2.5.1：熔接线
2.6：补充熔接墙； 2.6.1：补充熔接线；
2.7：孔；
4.1：卡位凸台； 4.2：强度槽；
4.3：第二密封元件容纳槽；
5.1：电路通道； 5.2：光路通道。
具体实施方式
为了便于本领域一般技术人员理解和实现本发明，结合附图描述本发明的实施例。
以下从结构设计的角度对本发明特征进行描述。图3是本发明的塑料气密管壳整体装配图的剖面图示意图。图8是本发明的塑料气密管壳整体装配图的爆炸示意图。如图3、8所示，本发明所述的一种塑料气密管壳，包括管帽1，管壳基座2，密封元件3，密封底板4，光电通道装置5；
其中，所述管壳基座2与光电通道装置5通过镶嵌注塑成型为一体；所述密封元件3设置于管壳基座2与密封底板4的中间，且位于管壳基座2与光电通道装置5的接缝处，并且与光电通道装置5的外壳表面紧密结合；所述密封底板4通过二次注塑成型工艺与管壳基座2紧密结合；所述管壳基座2与管帽1通过超声波焊接为一体。
在本方案中，密封元件3设置在管壳基座2与光电通道装置5的接缝处，并且与光电通道装置5的外壳发生渗透粘接而紧密结合。
本发明所述的塑料气密管壳由于采用塑胶材料与非塑胶材料相结合的设计，具有低成本并可快速大批量生产，是传统金属封装与陶瓷封装的烧结工艺的低成本代替方案；其制造方法采用了镶嵌注塑成型技术，二次注塑成型技术及超声波焊接技术，不需要经过烧结工艺，加工工序少，工艺便于自动化控制，是实现产品大批量自动化生产的有效途径，并且能够满足GJB548A规定的管壳气密达到1X10-7Pa·m3/s的要求。
如图3、4所示，所述光电通道装置5被设置在管壳基座2的孔2.7中并通过镶嵌注塑成型与管壳基座2为一体，所述光电通道装置5的外径大小与孔2.7的大小匹配，所述光电通道装置5的数量与管壳基座2上的孔2.7一一对应。
如图3、4所示，所述管壳基座2上的第一密封元件容纳槽2.4设置在孔2.7的末端，所述第一密封元件容纳槽2.4的大小及形状与密封元件3外形相匹配。
如图4所示，所述管壳基座2上设置有强度肋2.3，所述强度肋2.3与管壳基座2本体为一体结构并设置于管壳基座2与密封底板4的中间。
如图4、5所示，所述管壳基座2上设置有密封底板卡槽2.2，所述密封底板卡槽2.2上设置有限位孔2.2.1。
如图6所示，所述密封底板4上设置有强度槽4.2，所述强度槽4.2与管壳基座2上的强度肋2.3结构相匹配并且强度槽4.2与管壳基座2上的强度肋2.3结构相互渗透连接为一体；进一步地，所述密封底板4上设置有卡位凸台4.1，所述卡位凸台4.1穿过限位孔2.2.1与密封底板卡槽2.2扣合使密封底板4与管壳基座2连接更牢靠；所述密封底板4上设置有第二密封元件容纳槽4.3，所述第二密封元件容纳槽4.3的大小及形状与密封元件3外形相匹配。密封底板4采用二次注塑成型工艺加工，从而可以复制管壳基座2与密封元件3的接触面结构特征，并且在高温高压成型过程中，可以实现密封底板4与管壳基座2的深度熔接。
如图7所示，所述管帽1上设置凸台1.1，所述凸台1.1上设置有第一限位面1.1.1；如图4、5所示，所述管壳基座2上设置有管帽卡槽2.1，所述管帽卡槽2.1上设置有第二限位面2.1.1；所述凸台1.1与管帽卡槽2.1装配为一体，所述管帽卡槽2.1上的第二限位面2.1.1通过凸台1.1上的第一限位面1.1.1卡住管帽1。这时管帽1与管壳基座2可以承受比较大的气密管壳内部的气体膨胀力。
如图5所示，所述管壳基座2上设置有熔接墙2.5，所述熔接墙2.5上设置有熔接线2.5.1，当管壳基座2与管帽1通过超声波工艺焊接时，所述熔接墙2.5就会沿着熔接线2.5.1的方向发生局部熔融，并且与管帽1对应位置沿着熔接线2.5.1的方向发生分子交换而达到深度粘接的效果；所述管壳基座2上还设置有用于加强管壳基座2与管帽1熔接后的气密性的补充熔接墙2.6，所述补充熔接墙2.6上设置有补充熔接线2.6.1。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。在本发明中，所述管壳基座2采用热膨胀系数为5.0±0.5X10-5m/℃的塑胶材质由注塑成型工艺制作而成，所述管壳基座2的材料成型收缩率不大于0.03%。在本发明中，光电通道装置5采用热膨胀系数为5.0±0.5X10-6m/℃的金属材质。在本发明中，密封元件3采用与光电通道装置5可进行渗透粘接的硅胶或者橡胶材质，并且所述密封元件3的硬度在邵氏10-30度之间；优选地，所述密封元件3的硬度为邵氏20度。本发明包含但不限于以上材料，而满足以上条件的所有材料组合都将落入本发明的权利保护范围之内。如图3所示，所述光电通道装置5，包括使气密管壳内部与气密管壳外部实现电连接的电路通道5.1、以及实现光连接的光路通道5.2，所述光电通道装置5为实心结构或者空心结构，但光电通道装置5的外壳材质必须符合本发明设计中对光电通道装置5的要求。
在本方案中，所述管壳基座2材质与光电通道装置5材质的温度线性膨胀系数差在产品工作温度范围内变化小于15%。其中，产品工作温度范围包含：产品使用时的工作温度与实验时的极限温度，本发明产品应用通讯领域，产品工作范围定义为-40℃到90℃。
在本方案中，所述密封底板4材料采用其注塑成型温度比管壳基座2材料的注塑成型温度低30-80度的塑胶材料。
一种如上述所述的塑料气密管壳的制造方法，包括：
步骤一：将光电通道装置5放入预先做好的注塑模具中，并完成合模；
步骤二：根据管壳基座2的材料特性设置注塑成型参数，完成管壳基座2的注塑成型，并完成开模，顶出半成品效果如图4所示；
步骤三：在管壳基座2上通过点胶的方式制作密封元件3，更具体地，是通过在管壳基座2上的第一密封元件容纳槽2.4的位置，通过点胶的方式制作密封元件3，此时半成品效果如参考图9所示；
步骤四：将步骤三制作的半成品放入预先做好的另外一套模具中，并完成合模；
步骤五：根据密封底板4的材料特性设置注塑成型参数，完成密封底板4的注塑成型，顶出半成品管壳效果如图10所示；
步骤六：在步骤五制作的半成品气密管壳腔体内安装芯片及功能器件，并放入吸收材料；
步骤七：安装管帽1到步骤六的半成品气密管壳上；更具体地，并使管帽1上的凸台1.1置于管帽卡槽2.1中；
步骤八：将步骤七的半成品放入超声波焊接的专用夹具中，并根据管帽1与管壳基座2材料特性设置超声波焊接机焊接参数，完成管帽1与管壳基座2的超声波焊接；
步骤九： 取出工件。
此时已经形成了一个基体为塑料，带有电气引脚的电路通道5.1及光路通道5.2，并且成型方式简单，具有一定气密性的光电集成塑胶气密性管壳。
虽然本发明已经详细示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种塑料气密管壳，其特征在于，包括管帽(1)，管壳基座(2)，密封元件(3)，密封底板(4)，光电通道装置(5)；
其中，所述管壳基座(2)与光电通道装置(5)通过镶嵌注塑成型为一体；所述密封元件(3)设置于管壳基座(2)与密封底板(4)的中间，且位于管壳基座(2)与光电通道装置(5)的接缝处，并且与光电通道装置(5)的外壳表面紧密结合；所述密封底板(4)通过二次注塑成型工艺与管壳基座(2)紧密结合；所述管壳基座(2)与管帽(1)通过超声波焊接为一体；
所述管壳基座(2)上设置有熔接墙(2.5)，所述熔接墙(2.5)上设置有熔接线(2.5.1)，当管壳基座(2)与管帽(1)通过超声波工艺焊接时，所述熔接墙(2.5)就会沿着熔接线(2.5.1)的方向发生局部熔融，并且与管帽(1)对应位置沿着熔接线(2.5.1)的方向发生分子交换而达到深度粘接的效果。
2.根据权利要求1所述的一种塑料气密管壳,其特征在于，所述光电通道装置(5)被设置在管壳基座(2)的孔(2.7)中并通过镶嵌注塑成型与管壳基座(2)为一体，所述光电通道装置(5)的外径大小与孔(2.7)的大小匹配，所述光电通道装置(5)的数量与管壳基座(2)上的孔(2.7)一一对应。
3.根据权利要求2所述的一种塑料气密管壳,其特征在于，所述管壳基座(2)上的第一密封元件容纳槽(2.4)设置在孔(2.7)的末端，所述第一密封元件容纳槽(2.4)的大小及形状与密封元件(3)外形相匹配；所述管壳基座(2)上设置有强度肋(2.3)，所述强度肋(2.3)与管壳基座(2)本体为一体结构并设置于管壳基座(2)与密封底板(4)的中间；所述管壳基座(2)上设置有密封底板卡槽(2.2)，所述密封底板卡槽(2.2)上设置有限位孔(2.2.1)；
所述密封底板(4)上设置有强度槽(4.2)，所述强度槽(4.2)与管壳基座(2)上的强度肋(2.3)结构相匹配并且强度槽(4.2)与管壳基座(2)上的强度肋(2.3)结构相互渗透连接为一体；所述密封底板(4)上设置有卡位凸台(4.1)，所述卡位凸台(4.1)穿过限位孔(2.2.1)与密封底板卡槽(2.2)扣合使密封底板(4)与管壳基座(2)连接更牢靠；所述密封底板(4)上设置有第二密封元件容纳槽(4.3)，所述第二密封元件容纳槽(4.3)的大小及形状与密封元件(3)外形相匹配。
4.根据权利要求1所述的一种塑料气密管壳,其特征在于，所述管帽(1)上设置凸台(1.1)，所述凸台(1.1)上设置有第一限位面(1.1.1)；所述管壳基座(2)上设置有管帽卡槽(2.1)，所述管帽卡槽(2.1)上设置有第二限位面(2.1.1)；所述凸台(1.1)与管帽卡槽(2.1)装配为一体，所述管帽卡槽(2.1)上的第二限位面(2.1.1)通过凸台(1.1)上的第一限位面(1.1.1)卡住管帽(1)。
5.根据权利要求1所述的一种塑料气密管壳,其特征在于，所述管壳基座(2)上还设置有用于加强管壳基座(2)与管帽(1)熔接后的气密性的补充熔接墙(2.6)，所述补充熔接墙(2.6)上设置有补充熔接线(2.6.1)。
6.根据权利要求1所述的一种塑料气密管壳,其特征在于，所述管壳基座(2)采用热膨胀系数为5.0±0.5X10-5m/℃的塑胶材质由注塑成型工艺制作而成，其材料成型收缩率不大于0.03％；
所述光电通道装置(5)采用热膨胀系数为5.0±0.5X10-6m/℃的金属材质；其中，所述光电通道装置(5)，包括使气密管壳内部与气密管壳外部实现电连接的电路通道(5.1)、以及实现光连接的光路通道(5.2)，所述光电通道装置(5)为实心结构或者空心结构。
7.根据权利要求6所述的一种塑料气密管壳,其特征在于，所述管壳基座(2)材质与光电通道装置(5)材质的温度线性膨胀系数差在产品工作温度范围内变化小于15％。
8.根据权利要求1所述的一种塑料气密管壳,其特征在于，所述密封元件(3)采用可与光电通道装置(5)渗透粘接的硅胶或者橡胶材质；
所述密封元件(3)的硬度在邵氏10-30度之间。
9.根据权利要求1所述的一种塑料气密管壳,其特征在于，所述密封底板(4)材料采用其注塑成型温度比管壳基座(2)材料的注塑成型温度低30-80度的塑胶材料。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的塑料气密管壳的制造方法，其特征在于，包括：
步骤一：将光电通道装置(5)放入预先做好的注塑模具中，并完成合模；
步骤二：根据管壳基座(2)的材料特性设置注塑成型参数，完成管壳基座(2)的注塑成型，并完成开模；
步骤三：在管壳基座(2)上通过点胶的方式制作密封元件(3)；
步骤四：将步骤三制作的半成品放入预先做好的另外一套模具中，并完成合模；
步骤五：根据密封底板(4)的材料特性设置注塑成型参数，完成密封底板(4)的注塑成型；
步骤六：在步骤五制作的半成品气密管壳腔体内安装芯片及功能器件，并放入吸收材料；
步骤七：安装管帽(1)到步骤六的半成品气密管壳上；
步骤八：将步骤七的半成品放入超声波焊接的专用夹具中，并根据管帽(1)与管壳基座(2)材料特性设置超声波焊接机焊接参数，完成管帽(1)与管壳基座(2)的超声波焊接；
步骤九：取出工件。
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