CN107522413A - 蓝宝石镜片和可伐合金气密性封装的光窗结构制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓝宝石镜片和可伐合金气密性封装的光窗结构制造方法,蓝宝石镜片封接前处理：清洗、擦拭、烘干。金属成型件封接前预氧化处理：金属成型件清洗、擦拭、烘干后，放入烧结炉，将烧结炉升温至700℃，升温结束后将金属放入烧结炉中进行氧化保温IOmin后产生氧化膜，然后取出；蓝宝石镜片凸槽与金属成型件凹槽咬合焊料焊接。烧结炉进行烧结。本发明采用在蓝宝石镜片与金属成型件的凹凸槽之前添加焊料后咬合焊接，有效提高了成品率，使得焊接件焊接得更加牢固，而且提高了密封性。

Description

蓝宝石镜片和可伐合金气密性封装的光窗结构制造方法

技术领域

本发明属于光电子气密性封装领域，具体地说是蓝宝石镜片和可伐合金气密性封装的光窗结构制造方法。

背景技术

光电器件的封接技术作为MOEMS技术中的重要组成部分,影响着光电器件的应用和发展。光窗是光电器件主要的封装形式之一,一直受到科学研究的重视。新技术被不断地引入到光窗生产实践中,希望能够达到降低生产成本,提高光电器件性能的要求,并能形成统一的工业生产方法和标准。

在光电子气密性封装领域，有一类产品是由晶体材料例如CaF2，MgF2，石英晶体，ZnS等晶体材料制造的光学透镜或镜片需要和金属管帽或金属腔体组合起来，形成一个用于气密性封装的光窗结构。由于半导体芯片对环境湿气，有害性气体和污染物的敏感性，所以这种器件往往需要气密性的封装，在紫外和中红外区域，常规的光学玻璃材料由于其光学性能的限制，往往不能满足透光率的要求，因此，在紫外区域，通常采用石英玻璃作为透光材料；在中红外区域，通常采用各种非氧化物晶体作为透光材料。

玻璃与金属的封接至今已经有2个世纪的历史，最初的封接尝试在十九世纪二十年代，当时由于技术水平有限，采用的封接材料是铂和软玻璃。伴随着电子工业的发展，与人们生活密切相关的白炽灯的问世以及电子器件的广泛应用，封接玻璃的应用涉及的领域越来越广泛。从原始的简单的电灯泡到高端的电光源及真空器件，封接玻璃一直都是作为重要的材料伴随着电子工业发展至今。

可伐合金，英文：译文：可伐、科瓦、柯伐(也称铁镍钴合金。多用于真空电子，电力电子等行业的器件使用。相当于GB 4J29，ASTM F15，UNS K94610)；KOVAR为含镍29％，钴17％的硬玻璃铁基封接合金。该合金在20～450℃范围内具有与硬玻璃相近的线膨胀系数，与相应的硬玻璃能进行有效封接匹配，还具有较高的居里点以及良好的低温组织稳定性，合金的氧化膜致密，容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，广泛用于制作电真空元件，发射管，显像管，开关管，晶体管以及密封插头和继电器外壳等。可伐合金因为含钴成分，产品比较耐磨。4J29合金即称为“可伐”合金，其膨胀系数较接近低温玻璃，氧化膜能很好被玻璃浸润，并且具有良好的加工成形性能、焊接性能、电镀性能、抗银铜焊料渗透性能、真空气密性能及氧化性能等等。

蓝宝石为α-Al₂O₃单晶，是一种具有高强度、高热震抗力、高耐腐蚀性能和高透波率等各种良好的物理特性、机械特性和化学特性相结合的优良晶体材料，被越来越广泛地应用于导弹整流罩、卫星设备上的光学窗口片、汽车领域及军工设备。目前，国内一般使用胶接法和机械连接的方式来连接蓝宝石窗片和金属。这两种连接方式都在气密性和牢固度上不能很好的实现。如胶接方法不能超过高温，而且老化的现象严重，这就严重影响了封接件的使用寿命。而机械连接气密性不佳，特别是需要加工螺孔时，很容易造成窗片产生裂纹，这样就影响了封接件的气密性和可靠性。

发明内容

所要解决的技术问题：本发明目的在于通过一种新的制备方法解决玻璃和金属材料气密性封接可靠性的难题，提高焊接件的成品率，提升牢固度，获得更好的密封效果。

技术方案：一种蓝宝石镜片和可伐合金气密性封装的光窗结构制造方法,其制造方法包括:

(1)具有凸槽的蓝宝石镜片：将蓝宝石进行切片、研磨加工使其四周形成凸槽，并用抛光粉抛光成通光表面；

(2)具有凹槽的金属成型件:将可伐金属进行成型加工处理，使其封接处形成一个凹槽，且该凹槽可与蓝宝石镜片的凸槽咬合；

(3)蓝宝石镜片封接前处理：清洗、擦拭、烘干；

(4)金属成型件封接前预氧化处理：金属成型件清洗、擦拭、烘干后，放入烧结炉，将烧结炉升温至700℃，升温结束后将金属放入烧结炉中进行氧化保温IOmin后产生氧化膜，然后取出；

(5)封接：将焊料用镊子夹到金属成型件的凹槽位置，使蓝宝石镜片的凸槽与金属成型件的凹槽咬合，确认组装无误后在蓝宝石窗片的上面放上不锈钢垫块，以保证玻璃焊料熔化后能牢固的与蓝宝石窗片及可伐合金焊接在一起。把咬合的蓝宝石镜片和金属成型件放入烧结炉中启动设备进行焊接，调节烧结炉中进口区的温度为200～350℃，加热区的温度为200～350℃，降温区的温度为200～350℃，在温度调节稳定后再向调节炉内通入氮气，氮气的进口气量为10-15L/Min，氮气的出口气量为10-15L/Min，将带有氧化膜的金属成型件与蓝宝石镜片咬合组装后形成载板，在通入氮气15Min后向烧结炉中放入载板后依次经过进口区、加热区和降温区进行烧结。

(6)测试：通过实验设备来验证焊接的效果如推力测试仪来测试焊接的牢固度是否符合要求以及通过氦质谱检漏仪来检测焊接件的气密性是否符合要求。在焊接件的气密性和牢固度都符合要求的情况下对焊接件进行高温高湿实验、模拟跌落实验等一系列的可靠性试验来验证焊接件不仅能满足当前的机械性能和气密性，还能经得起恶劣的环境和异常的考验，使其不会产生在使用过程中由于环境的改变或者生产后未能发现的隐形不良造成慢性漏气而失效的情况。

有益效果：本发明采用了在金属成型件上均匀放置焊料，然后与蓝宝石镜片的凸槽咬合，通过低温锡焊的方法，将蓝宝石镜片和金属成型件凸凹槽熔焊的方法来达到气密性封接。

1、本发明采用可伐合金制备金属成型件封接的方法，其膨胀系数较接近蓝宝石镜片，从而有效避免了因材料膨胀系数匹配问题带来的诸多技术难点，氧化膜能很好被浸润，并且具有良好的加工成形性能、焊接性能、电镀性能、抗银铜焊料渗透性能、真空气密性能及氧化性能等等。

2、蓝宝石为α-Al2O3单晶，是一种具有高强度、高热震抗力、高耐腐蚀性能和高透波率等各种良好的物理特性、机械特性和化学特性相结合的优良晶体材料，比重轻、对光的散射低，而且表面光洁度更容易实现。

3、本发明采用蓝宝石镜片与可伐金属焊合，使得其能避开高温过程，焊合过程更易实现，避免高温过程有可能导致的材料的光学性能劣化。

4、本发明采用在蓝宝石镜片与金属成型件的凹凸槽之前添加焊料后咬合焊接，有效提高了成品率，使得焊接件焊接得更加牢固，而且提高了密封性，此是本发明所在的创造性。

附图说明

图1是本发明示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加简洁明了，本发明用以下具体实施例进行说明，但本发明绝非仅限于这些例子。以下所述仅为本发明较好的实施例，仅仅用于描述本发明，不能理解为对本发明的范围的限制。应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

见图1，标号1代表蓝宝石镜片，标号2代表金属成型件，标号3代表金属成型件凹槽，标号4代表蓝宝石镜片的凸槽，标号5代表光窗通孔。

本发明是在金属成型件凹槽与蓝宝石镜片的凸槽之间焊料焊接。比没有凹凸槽的平平焊接，气密性更可靠。

实施例1:一种蓝宝石镜片和可伐合金气密性封装的光窗结构制造方法,包括如下步骤：(本实施例所述玻璃焊料型号为Mansol(L13))

(1)具有凸槽的蓝宝石镜片：将蓝宝石进行切片、研磨等一系列的加工使其四周形成凸槽，并用抛光粉抛光成通光表面。

(2)具有凹槽的金属成型件:将可伐金属进行成型加工处理，使其封接处形成一个凹槽，且该凹槽可与蓝宝石镜片的凸槽咬合。

(3)蓝宝石镜片封接前处理：清洗、擦拭、烘干。

(4)金属成型件封接前处理：清洗、擦拭、烘干、预氧化。

(5)封接：将焊料用镊子夹到金属成型件的凹槽位置，在焊料上放置蓝宝石窗片，使蓝宝石镜片的凸槽与金属成型件的凹槽咬合，确认组装无误后在蓝宝石窗片的上面放上不锈钢垫块，以保证玻璃焊料熔化后能牢固的与蓝宝石窗片及可伐合金焊接在一起。把咬合的蓝宝石镜片和金属成型件放入烧结炉中启动设备进行焊接，在保护气氛或真空中加热到200～300℃保温15～20分钟。焊接后让其自然冷却几分钟，以免被高温烫伤。

其中，预氧化的步骤为：将烧结炉升温至700℃，升温结束后将金属放入烧结炉中进行氧化保温IOmin后产生氧化膜，然后将金属取出。

封接的步骤为：调节烧结炉中进口区的温度为270℃，加热区的温度为320℃，降温区的温度为270℃，在温度调节稳定后再向调节炉内通入氮气，氮气的进口气量为10-15L/Min，氮气的出口气量为10-15L/Min，将带有氧化膜的金属成型件与蓝宝石镜片咬合组装后形成载板，在通入氮气15Min后向烧结炉中放入载板后依次经过进口区、加热区和降温区进行烧结。

焊料也可以铟锡合金焊料。焊料一般具有较低软化点。根据玻璃焊料是否含有铅可分为含铅玻璃焊料和无铅玻璃焊料,根据玻璃焊料的温度分为低温玻璃焊料、中温玻璃焊料和高温玻璃焊料；根据玻璃焊料是否析晶可分为非晶玻璃焊料和微晶玻璃焊料。由于环保要求的不断提高,无铅玻璃焊料受到更加广泛的关注。低温玻璃焊料是目前应用最广泛的,但是它也存在一些局限性,它的热膨胀系数随着温度降低而增加；低温玻璃焊料的粘结剂不能完全燃烧,连接强度不如高温玻璃焊料。一般,玻璃焊料的化学抵抗力低于普通玻璃,因此在恶劣环境中,玻璃焊料在光窗封接中的使用寿命有限。

表1本实施例玻璃焊料与其它玻璃焊料的关键参数对比

实施例2：蓝宝石镜片和可伐合金封接的焊接效果评估

封接后在显微镜下观察样品的表面焊料溢出状况、结晶状程度、颜色分层来判断焊接的效果：(实验对象由实施例1封接工艺得到，变量仅为是否设置凸凹槽)

表2焊接区域是否设置凸凹槽测试数据

在显微镜下可以看出，如果焊料溢出来，则说明焊料已经完成熔化，已经达到焊料的熔化温度点。结晶区域按整个焊接面100％来计算结晶区域占整个焊接面积的百分比。结晶状程度越高，说明焊料焊接的效果越好。颜色分层表示焊料焊接后的均匀度，如果分层很明显，说明焊料流动不够充分或是其他原因造成焊接效果不均匀，由表2可知，在焊接面设置凸凹槽以后，可提高焊接的成品率和焊接效果，且不用再进行焊接面粗糙度处理等处理，简化了加工手续。

本发明强调的是一种工艺方法由此带来的产品的创新性能提升，并不局限于某种特定材料，形状和大小和采用何种工艺设备。

表3本发明采用凸凹槽设置焊接与平面焊接气密性对比

成型件	数量(个)	气密性测试(氦气测漏仪)
			本发明凸凹槽设置焊接	100	100个合格
平面焊接	100	98个合格

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种蓝宝石镜片和可伐合金气密性封装的光窗结构制造方法,其特征在于制造方法包括:

(1)具有凸槽的蓝宝石镜片：将蓝宝石进行切片、研磨加工使其四周形成凸槽，并用抛光粉抛光成通光表面；

(2)具有凹槽的金属成型件:将可伐金属进行成型加工处理，使其封接处形成一个凹槽，且该凹槽可与蓝宝石镜片的凸槽咬合；

(3)蓝宝石镜片封接前处理：清洗、擦拭、烘干；

(4)金属成型件封接前预氧化处理：金属成型件清洗、擦拭、烘干后，放入烧结炉，将烧结炉升温至700℃，升温结束后将金属放入烧结炉中进行氧化保温IOmin后产生氧化膜，然后取出；

(5)封接：将焊料用镊子夹到金属成型件的凹槽位置，使蓝宝石镜片的凸槽与金属成型件的凹槽咬合，确认组装无误后在蓝宝石窗片的上面放上不锈钢垫块，以保证玻璃焊料熔化后能牢固的与蓝宝石窗片及可伐合金焊接在一起。把咬合的蓝宝石镜片和金属成型件放入烧结炉中启动设备进行焊接，调节烧结炉中进口区的温度为200～350℃，加热区的温度为200～350℃，降温区的温度为200～350℃，在温度调节稳定后再向调节炉内通入氮气，氮气的进口气量为10-15L/Min，氮气的出口气量为10-15L/Min，将带有氧化膜的金属成型件与蓝宝石镜片咬合组装后形成载板，在通入氮气15Min后向烧结炉中放入载板后依次经过进口区、加热区和降温区进行烧结。