CN106980711B - 基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法，通过模拟软件构建气密封装玻璃绝缘子的实体模型，并得到有限元分析模型。进一步的，进行有限元分析，获得金属与玻璃封接界面的应力模拟结果。根据模拟结果与玻璃的许用拉应力进行比对，便可判断气密封装的玻璃绝缘子是否存在开裂的可能，进而判断气密性是否合格。通过上述方法及程序对气密封装玻璃绝缘子的气密性进行测试分析时，无需破坏产品、不用采用其他设备，也无需等待较长时间以模拟其贮存过程，因此，上述方法及程序有效地缩短了气密封装玻璃绝缘子气密性测试分析的周期并简化了分析流程。

Description

基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法

技术领域

本发明涉及试验测试技术领域，特别涉及一种基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法。

背景技术

金属气密封装玻璃绝缘子主要通过玻璃与金属外壳间的“熔封”工艺实现所要求的气密性。金属-玻璃封接界面质量直接影响气密金属封装的气密性。由于气密封装玻璃绝缘子的密封性直接影响其使用寿命。因此，气密封装玻璃绝缘子在整个产品生命周期内均需要进行气密性评估。

目前，针对金属气密封装玻璃绝缘子的气密性试验评估主要有两种方式：非破坏性分析和破坏性分析。而常用的非破坏性评估分析方法有以下两种：(1)采用已校准的湿度传感器内置方法进行集成电路芯片内部水汽含量测量。(2)细检漏。破坏性评估分析一般采用氦质谱仪或内部气氛分析仪，通过抽检或者根据客户要求做相关环境试验，再进行产品的气密性分析。随着电子封装向高度集成、尺寸微型化方向发展，封装外壳结构越来越复杂，腔体尺寸越来越小(甚至小于0.01cc)，对气密封装的漏率检测技术及测试精度提出了更高的要求，现有检漏技术易造成误判。

此外，因玻璃的本质脆性，在板级约束条件下，金属气密封装在长期存储或使用过程中的环境温度变化或随机振动产生的应力可能导致金属-玻璃封接界面产生裂纹或微缺陷，使之前气密性测试已经合格的产品发生“单向泄漏”现象，引起封装外壳慢性漏气。气密封装玻璃绝缘子的气密性直接影响其使用寿命。因此，针对金属-玻璃这种气密封接形式的金属气密封装，开展气密封装玻璃绝缘子的气密性评估和分析有重要的工程意义。

但是，采用上述传统的方法对气密封装的玻璃绝缘子的气密性进行评估时，要么需破坏产品并采用其他设备，要么等待较长时间以模拟其贮存及服役过程，从而使得测试分析的流程复杂，且周期较长。

发明内容

本发明方法针对现有气密封装玻璃绝缘子的气密性分析及测试程序复杂、周期较长的问题，提出一种能有效地缩短测试周期，并简化测试操作流程的基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法。

一种基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析测试方法，包括步骤：

获取气密封装玻璃绝缘子的结构参数及材料参数；

根据所述结构参数及所述材料参数建立所述气密封装玻璃绝缘子的实体模型；

结合边界条件对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型；

利用有限元分析软件基于热-结构耦合分析法对所述有限元分析模型进行计算，得到应力模拟结果，所述模拟结果包括所述气密性封装玻璃绝缘子的第一主应力以及金属与玻璃封接界面所受剪切许用应力。

在其中一个实施例中，所述结构参数包括封装外壳、与器件引脚相连的基板及PCB板的形状及尺寸。

在其中一个实施例中，在所述结合边界条件对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型的步骤之前，还包括：

根据所述封装外壳、所述与器件引脚相连的基板及所述PCB板安装位置、装配方式及相互之间的约束条件以获得所述实体模型的边界条件。

在其中一个实施例中，所述结合边界条件对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型的步骤包括：

对所述实体模型中所述封装外壳的金属与玻璃的封接界面采取局部网格控制进行精细化网格划分，得到精细化分析模型；

对所述实体模型中所述封装外壳的金属与玻璃封接界面以外的部分进行粗化网格划分，得到简化分析模型。

在其中一个实施例中，所述结合边界条件对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型的步骤包括：

对所述实体模型中形状规则的区域采用扫掠网格划分法进行网格划分；

对所述实体模型中形状不规则的区域采用采用多域扫掠网格划分法进行网格划分。

在其中一个实施例中，还包括步骤：

根据所述模拟结果与玻璃的许用拉应力进行比对，以判断所述第一主应力值及所述剪切许用应力是否小于玻璃的许用拉应力。

上述基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法，通过对气密封装玻璃绝缘子构建实体模型进行有限元分析，并将模拟结果与玻璃的许用拉应力进行比对，便可判断气密封装的玻璃绝缘子是否存在开裂的可能，进而判断气密封装的玻璃绝缘子的气密性是否合格。通过上述方法对金属气密封装的玻璃绝缘子气密性进行分析时，无需破坏产品、不用采用其他设备，也无需等待较长时间以模拟其贮存过程，因此，上述方法有效地缩短了金属气密封装玻璃绝缘子气密性分析测试的周期并简化了分析流程。

附图说明

图1为本发明一个实施例中基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的工程实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”某一个平台或物体上，它表示元件通过表面贴装、插装或者机械连接方式被约束在某一个平台或物体上，使元件在某一轴向上被约束(零位移)。本文所使用的“连接”指的是元件通过冶金反应(如表面贴装或插装方式)或者机械固定方式与某一平台或者物体实现位置固定。除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明一个实施例中的基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法包括步骤S110～S140：

步骤S110，获取密封装玻璃绝缘子的结构参数及材料参数。

材料参数及结构参数由密封装玻璃绝缘子的连接关系，以及所采用材料的材料属性确定。例如，结构参数包括各组件的形状、尺寸、连接关系、位置关系、相互作用关系。材料参数包括封装材料的材料密度、泊松比、弹性模量、热膨胀系数等。

密封装玻璃绝缘子包括与玻璃绝缘子相连的封装外壳、与器件引脚相连的基板、PCB板。具体在本实施例中，结构参数包括封装外壳、与器件引脚相连的基板及PCB板的形状及尺寸以及它们的相对位置参数。

步骤S120，根据结构参数及材料参数建立气密封装玻璃绝缘子的实体模型。

具体的，首先采用工程制图专业软件(ProE，Solidworks等)根据结构参数及材料参数绘制气密封装玻璃绝缘子的三维立体图。

进一步的，把绘制的三维立体图导入有限元仿真分析软件ANSYS，根据上述步骤S110中获取的材料参数及结构参数，以及用户的输入相应操作指令，建立实体模型。需要指出的是，本发明中建模分析的过程不限于上述ANSYS一种有限元仿真分析软件。

步骤S130，结合边界条件对实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型。

在一个实施例中，上述步骤S130包括：

对实体模型中封装外壳的金属与玻璃封接界面进行精细化网格划分，得到精细化分析模型。

具体的，气密封装玻璃绝缘子发生泄漏最通常的原因金属与玻璃封接界面受应力变化使玻璃绝缘子产生裂纹。因此，金属与玻璃封接界面附近的结构是影响气密封装玻璃绝缘子气密性的关键部位。因此，对该部位进行精细化的分析模型，能得到更准确的模拟结果。

对实体模型中金属外壳的金属与玻璃封接界面以外的部分进行粗化网格划分，得到简化分析模型。

具体的，金属与玻璃封接界面以外的部分的应力变化对金属气密封装的气密性影响相对较小。而且，通过构建简化分析模型，在保证计算精度的同时可以减少单元数量以加快求解速度，降低模拟分析过程中的计算量，从而提高运行速率并降低处理器的内存占比。因此，通过对金属气密封装玻璃绝缘子不同区域采用不同的网格划分方式得到不同网格密度的有限元分析模型，可在保证模拟精确度的同时，还能尽量提升模拟分析的运行速度。

在一个实施例中，上述步骤S130包括：

对实体模型中形状规则的区域采用扫掠网格划分法进行网格划分。

对实体模型中形状不规则的区域采用采用多域扫掠网格划分法进行网格划分。

对实体模型中形状规则的区域采用扫掠划分法进行网格划分。

具体的，由于规则区域的形状可用线性的函数关系表示。因此，采用扫掠划分法进行网格划分时，可限定较大的单元尺寸。进一步的，所得到针对该区域的有限元分析模型的数量减少，从而降低模拟分析的负荷，进一步提升模拟运行速度。

而针对不规则区域，通过多域扫掠格划分法并限定较小的单元尺寸，可使得到的有限元分析模型的集合更接近于该不规则区域的实际情况。因此，通过对不规则的区域采用多域扫掠划分法能使模拟结果更准确。

在一个实施例中，在上述步骤S130之前，上述方法还包括：根据封装外壳、与器件引脚相连的基板及PCB板安装位置、装配方式及相互之间的约束条件获得实体模型的边界条件。

具体的，结合封装玻璃绝缘子的安装位置及约束条件下的装配方式确定其定实体模型的边界条件。此外，根据可能应用的极端环境确定环境应力及相关参数。譬如温度参数，包括峰值环境温度、最大温变速率、循环周次(气密封装玻璃绝缘子使用周期)。

步骤S140，利用有限元分析软件基于热-结构耦合分析法对有限元分析模型进行计算，得到应力模拟结果，模拟结果包括气密性封装玻璃绝缘子的第一主应力以及金属与玻璃封接界面所受剪切许用力。

具体的，利用ANSYS Workbench中的Maximum Principal Stress表示第一主应力(σ₁)，得到模拟结果。该模拟结果反映气密封装玻璃绝缘子随着环境及时间变化，金属与玻璃封接界面对玻璃绝缘子应力的数据变化情况。进一步的，基于第一强度理论，并结合玻璃的力学特征参数判断模拟得到的玻璃绝缘子第一主应力值(σ₁)是否小于玻璃的许用拉应力(σ_s)，进行金属与玻璃封接界面泄漏可能性分析。

进一步的，在一个实施例中，基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性测试方法还包括步骤：根据模拟结果与玻璃的许用拉应力进行比对，以判断第一主应力值及剪切许用应力是否小于玻璃的许用拉应力。

第一主应力(σ₁)小于许用拉应力(σ_s)，则认为金属与玻璃封接较好，无明显泄漏风险，密封性较好。若第一主应力(σ₁)高于许用拉应力(σ_s)，则认为气密封装玻璃绝缘子因玻璃体裂开而泄漏风险较大，密封性较差。

上述基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法，通过模拟软件构建金属封装玻璃绝缘子的实体模型，并得到有限元分析模型。进一步的，进行有限元分析，获得金属与玻璃封接界面的应力模拟结果。根据模拟结果与玻璃的许用拉应力进行比对，便可判断金属气密封装的玻璃绝缘子是否存在开裂的可能，进而判断气密性是否合格。通过上述方法对金属封装玻璃绝缘子的气密性进行分析时，无需破坏产品、不用采用其他设备，也无需等待较长时间以模拟其贮存过程，因此，上述方法有效地缩短了金属气密封装玻璃绝缘子气密性测试的周期并简化了测试分析流程。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法，其特征在于，包括步骤：

获取气密封装玻璃绝缘子的结构参数及材料参数；

根据所述结构参数及所述材料参数建立所述气密封装玻璃绝缘子的实体模型；

结合边界条件对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型；

利用有限元分析软件基于热-结构耦合分析法对所述有限元分析模型进行计算，得到应力模拟结果，所述模拟结果反映所述气密封装玻璃绝缘子随着环境及时间变化，金属与玻璃封接界面对玻璃绝缘子应力的数据变化情况，所述模拟结果包括所述气密封装玻璃绝缘子的第一主应力以及金属与玻璃封接界面所受剪切许用应力。

2.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法，其特征在于，所述结构参数包括封装外壳、与器件引脚相连的基板及PCB板的形状及尺寸。

3.根据权利要求2所述的基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法，其特征在于，在所述结合边界条件对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型的步骤之前，还包括：

根据所述封装外壳、所述与器件引脚相连的基板及所述PCB板安装位置、装配方式及相互之间的约束条件以获得所述实体模型的边界条件。

4.根据权利要求2所述的基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法，其特征在于，所述结合边界条件对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型的步骤包括：

对所述实体模型中所述封装外壳的金属与玻璃的封接界面采取局部网格控制进行精细化网格划分，得到精细化分析模型；

对所述实体模型中所述封装外壳的金属与玻璃封接界面以外的部分进行粗化网格划分，得到简化分析模型。

5.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法，其特征在于，所述结合边界条件对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型的步骤包括：

对所述实体模型中形状规则的区域采用扫掠网格划分法进行网格划分；

对所述实体模型中形状不规则的区域采用采用多域扫掠网格划分法进行网格划分。

6.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的气密封装玻璃绝缘子的气密性分析方法，其特征在于，还包括步骤：

根据所述模拟结果与玻璃的许用拉应力进行比对，以判断所述第一主应力值及所述剪切许用应力是否小于玻璃的许用拉应力。

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