CN109854388B

CN109854388B - 一种微型半导体电嘴结构

Info

Publication number: CN109854388B
Application number: CN201811527548.6A
Authority: CN
Inventors: 万思明; 乌凯
Original assignee: Shaanxi Aero Electric Co Ltd
Current assignee: Shaanxi Aero Electric Co Ltd
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2021-12-24
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: CN109854388A

Abstract

本发明提出一种微型半导体电嘴结构，包括壳体、绝缘体、中心电极和圆片，中心电极主体为台阶圆柱结构，放电端具有帽盖，表面镀镍；绝缘体主体为外圆具有台阶面，内部具有轴向台阶通孔的圆柱结构；绝缘体的小径端为放电端，烧结有半导体材料；绝缘体通孔台阶面以及与通孔台阶面处于同一径向位置的外圆部位有金属化层，绝缘体通孔小径段直径与中心电极大径段直径一致，长度一致；壳体与绝缘体外圆金属化位置对应的部位有退刀槽；圆片具有中心通孔，通过圆片能够中心电极和绝缘体钎焊在一起。本发明降低微型半导体电嘴气压下的放电电压、提高产品合格率、提高产品质量、延长其使用寿命。

Description

一种微型半导体电嘴结构

技术领域

本发明属于航空发动机微型半导体电嘴，本发明涉及一种微型半导体电嘴结构。

背景技术

微型半导体电嘴是飞机发动机的重要附件，该微型半导体电嘴的优点是结构简单、可加工性好；缺点是气压下放电电压高，产品合格率低，使用寿命短。该微型半导体电嘴的结构是由壳体1、绝缘体2、中心电极3、衬套4组成(现行微型半导体电嘴结构简图见图1)。气压下放电电压高的原因是中心电极3与绝缘体2之间存在无法避免的间隙(主要因为中心电极3为金属件，绝缘体2为陶瓷件，如果两者之间没有间隙，会在很高的工作温度下，金属件热涨将陶瓷件撑裂)；产品寿命短的原因是中心电极3放电端损耗过快，当中心电极3放电端损耗超过一定尺寸后，产品就会失效。

图1中现行微型半导体电嘴各零件的关系为：绝缘体2与中心电极3在部分区域通过金属化钎焊工艺连接在一起，形成绝缘体组件。然后将壳体1和衬套4通过钎焊的方式与绝缘体组件连接成一个整体。要求各个焊接部位在1MPa气压下不漏气，要求壳体1与中心电极3之间的绝缘电阻不大于0.5MΩ，1MPa气压下壳体1与中心电极3之间的放电电压不大于1500V。

主要工艺过程为：绝缘体2与中心电极3在炉中钎焊成绝缘体组件7(见图2)；将壳体1与衬套4在炉中与绝缘体组件7钎焊形成半导体电嘴(见图3)。钎焊采用银铜焊料，氢气保护，钎焊温度820℃，保温15min。

现行微型半导体电嘴的最大缺陷是气压下放电电压高、合格率低、使用寿命短。其根本原因是中心电极放电端直线式的结构，该结构造成的设计缺陷是中心电极3与绝缘体2之间无法避免的间隙，在一定的气压下，间隙会形成一个难以击穿的绝缘介质层，造成气压下放电电压高；同时中心电极3直线式的结构造成了其放电端的尺寸偏小，微型半导体电嘴工作中中心电极3放电端耐电蚀时间短，造成该微型半导体电嘴使用寿命短。同时在钎焊后，由于焊料过渡浸润到壳体1的螺纹上以及部分螺纹变形，造成微型半导体电嘴报废，产品合格率低。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，降低微型半导体电嘴气压下的放电电压、提高产品合格率、提高产品质量、延长其使用寿命，本发明提出一种微型半导体电嘴结构。

为了解决气压下放电电压高的问题，本发明将中心电极3直线式的结构改为帽盖式的结构，帽盖式结构的中心电极通常采用在较大的能够有空间采用胶密封的半导体电嘴上。微型半导体电嘴由于本身空间很小，胶密封不能达到需要的密封效果，只能采用金属化钎焊的方式进行固定和密封。这样就出现了一个新问题，如果为了确保金属化钎焊固定和密封的效果，中心电极两端就都需要帽盖，这样中心电极就无法装入绝缘体2中。为了解决该问题，本发明将中心电极后端的帽盖去掉，而增加一个单独的圆片8，这样就解决了中心电极装配问题，同时降低了放电电压，再由于放电端增加了帽盖，中心电极耐电蚀时间延长，也就延长了该电嘴的使用寿命。

而为了解决焊料过度浸润引起的产品报废问题，本发明采用改变绝缘体2外圆金属化及钎焊位置的办法；为了避免钎焊后壳体1螺纹变形，采取加厚该部位壁厚的办法。通过对现行微型半导体电嘴结构分析，衬套4只是起到钎焊过渡作用，可以取消。取消衬套4之后，不仅能增大壳体1螺纹部位的壁厚，减少该部位变形，同时可取消绝缘体2的台阶，也增加了绝缘体2的强度。总之，通过改进能全面提高该微型半导体电嘴的质量。

基于上述原理：本发明的技术方案为：

所述一种微型半导体电嘴结构，包括壳体、绝缘体、中心电极，其特征在于：

所述中心电极主体为台阶圆柱结构；所述中心电极放电端具有帽盖；所述中心电极表面镀镍；

所述绝缘体主体为外圆具有台阶面，内部具有轴向台阶通孔的圆柱结构，且外圆大径段与通孔大径段一致；绝缘体的小径端为放电端，且绝缘体放电端烧结有半导体材料；绝缘体通孔台阶面以及与通孔台阶面处于同一径向位置的外圆部位有金属化层，且在金属化层上镀镍；所述绝缘体外圆大径段直径一致；所述绝缘体通孔小径段直径与中心电极大径段直径一致，绝缘体通孔小径段长度与中心电极大径段长度一致；

所述壳体与绝缘体外圆金属化位置对应的部位有退刀槽，用于钎焊时在此处放置焊料；所述壳体一端外圆具有外螺纹，且具有外螺纹段的壳体壁厚加厚；

所述微型半导体电嘴结构还包括圆片，圆片具有中心通孔；圆片套在中心电极小径段上，并与中心电极台阶面和绝缘体内孔台阶面接触；通过圆片能够中心电极和绝缘体钎焊在一起。

进一步的优选方案，所述一种微型半导体电嘴结构，其特征在于：中心电极材料采用4J34铁镍钴合金，在中心电极表面镀镍5～8μm。

进一步的优选方案，所述一种微型半导体电嘴结构，其特征在于：所述绝缘体采用95％氧化铝陶瓷材料。

进一步的优选方案，所述一种微型半导体电嘴结构，其特征在于：所述绝缘体上的半导体材料由Al₂O₃、SiO₂、SnO₂、MgO、TiO₂按照设定比例混合、煅烧、球磨、过筛后涂敷在绝缘体的放电端，再在氢气炉中1490℃下烧结；半导体材料烧结之后，在绝缘体金属化部位涂敷金属化膏，并在1420℃下烧结，然后在金属化层上镀镍5～8μm。

进一步的优选方案，所述一种微型半导体电嘴结构，其特征在于：所述壳体材料为4J34铁镍钴合金，在壳体表面镀镍5～8μm。

进一步的优选方案，所述一种微型半导体电嘴结构，其特征在于：所述圆片材料为4J34铁镍钴合金，在圆片表面镀镍5～8μm。

有益效果

本发明采用的带帽盖式中心电极，解决了现行微型半导体电嘴气压下放电电压高的问题。壳体与中心电极之间的绝缘电阻值由平均1.5MΩ降低到0.2MΩ，1MPa气压下放电电压由原来的平均值1650V降低到平均值820V，微型半导体电嘴的厂内寿命试验的放电火花数增加了8.5万次，产品性能得到质的改善，合格率得到大幅提升。

本发明取消了原有的衬套，相应增厚了绝缘体的壁厚和壳体螺纹部位的壁厚。绝缘体的抗弯强度由原来平均1.2KN，提高到平均1.5KN。钎焊后，壳体1螺纹部位无变形现象。极大减少了产品的废品率。

本发明采用的壳体上加工退刀槽用来放置焊料，且将绝缘体外圆金属化部位改进到绝缘体中部，不仅保证了焊接气密性和强度，也改善了焊接外观，避免出现焊料浸润到壳体螺纹上而引起的产品报废。

本发明采用的定位夹具、支座和底座，能够保证微型半导体电嘴在装配钎焊时，中心电极不偏斜，保证壳体、中心电极帽盖与绝缘体放电端紧密切合，能够保证钎焊效果。具有很好的可操作性。

本发明中心电极增加了帽盖、取消了原结构中心电极中部的帽盖而单独增加了一个圆片，该改进从根本上解决了微型半导体电嘴放电电压高及使用寿命短的问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：现行微型半导体电嘴结构；

图2：现行微型半导体电嘴中绝缘体组件钎焊装配图；

图3：现行半导体电嘴钎焊装配图；

其中：1.壳体；2.绝缘体；3.中心电极；4.衬套；5.焊料；6.钎焊夹具；7.绝缘体组件。

图4：本发明微型半导体电嘴结构图；

图5：本发明微型半导体电嘴钎焊装配图；

其中：6-1：定位夹具；6-2：支座；6-3：底座；8.圆片；

图6：本发明中心电极结构图；

图7：本发明绝缘体结构图；

图8：本发明壳体结构图；

图9：本发明圆片结构图；

图10：微型半导体电嘴现行结构与本发明提出的结构对比图；(a)现行结构，(b)本发明提出的结构；

图11：中心电极现行结构与改进结构对比图；(a)现行结构，(b)本发明提出的结构；

图12：绝缘体现行结构与改进结构对比图；(a)现行结构，(b)本发明提出的结构；

图13：壳体现行结构与改进结构对比图；(a)现行结构，(b)本发明提出的结构。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的一种微型半导体电嘴结构，是由壳体1、绝缘体2、放电端带帽盖的中心电极3、密封及固定中心电极3与绝缘体2的圆片8等零件借助一定的工装(6-1，6-2，6-3)在氢气炉中钎焊而成，如图4和图5所示，图4为本发明提出的微型半导体电嘴结构图；图5为本发明提出的微型半导体电嘴钎焊装配图。

本发明提供的一种微型半导体电嘴结构所生产的电嘴，有良好的综合性能，在气压下具有较低的放电电压、使用寿命长，具有良好的可加工性，产品加工的合格率高。解决了现行微型半导体电嘴存在的诸多问题。

本发明的中心电极的材料为4J34铁镍钴合金，在中心电极表面镀镍5～8μm，中心电极结构如图6所示。该结构放电端增加了一个帽盖，目的是排除装配后与绝缘体的间隙，降低放电电压，同时帽盖体积较大，延长了中心电极电蚀的时间，也就是相应延长了电嘴的使用寿命。

本发明的绝缘体为95％氧化铝陶瓷材料，其放电端烧结有一种半导体材料，绝缘体的内孔和外圆部位有金属化层，并在金属化层上镀有镍层。绝缘体结构如图7所示。绝缘体外圆去掉了台阶结构，有利于增加绝缘体强度。将外圆金属化部位移到中部，有利于钎焊装配，并避免外观缺陷造成的不合格现象。金属化镀镍目的是将各个零件钎焊在一起。半导体涂层是半导体电嘴必须的材料，目的是使半导体电嘴在低电压条件下能够产生放电。

本发明的绝缘体上的半导体材料由Al₂O₃、SiO₂、SnO₂、MgO、TiO₂等材料，按一定比例混合、煅烧、球磨、过筛而成，然后将配制成的材料按要求的尺寸涂敷在绝缘体的放电端，再在氢气炉中1490℃下烧结。半导体材料烧结之后，在绝缘体相应部位涂敷金属化膏，并在1420℃下烧结，然后在金属化层上镀镍5～8μm。

本发明的壳体材料为4J34铁镍钴合金，在壳体表面镀镍5～8μm，壳体结构如图8所示。壳体上有

的退刀槽，目的是钎焊时在此处放置焊料；将壳体内孔由

缩小到

加厚了壳体螺纹部位壁厚，避免钎焊后外螺纹变形而引起的不合格现象。

本发明的圆片材料为4J34铁镍钴合金，在圆片表面镀镍5～8μm，圆片结构如图9所示。圆片用来将中心电极和绝缘体钎焊在一起，且保证微型半导体电嘴内孔有良好的气密性。

本发明的一种微型半导体电嘴结构取消了衬套，而将绝缘体和壳体相应部位壁厚增加，将绝缘体外圆金属化部位移到绝缘体中部，且在壳体对应部位增加退刀槽来放置钎焊时的焊料。该改进一方面增强了绝缘体及壳体强度，避免了因绝缘体断裂、壳体钎焊后变形引起的产品报废，也避免了银铜焊料浸润到外螺纹部位引起的产品报废。图10为现行微型半导体电嘴结构与本发明提出的结构对比。

图11为中心电极现行结构与改进结构对比：中心电极帽盖的增加，从根本上解决了现行微型半导体电嘴气压下放电电压高的问题。

图12为绝缘体现行结构与改进结构对比，绝缘体结构和尺寸的变化，解决了绝缘体强度问题；金属化部位的变化，可提高后续产品的可加工性和一次提交合格率。

图13为壳体现行结构与改进结构对比，壳体尺寸和结构的改动，一方面是为了满足放电间隙，另一方面壳体螺纹部位壁厚增加，极大降低了钎焊后螺纹部位的变形量，提高了产品合格率；在壳体中增加

的退刀槽，满足后续钎焊放置焊料的需要，使钎焊效果更好，提高产品合格率。

下面给出本发明提出的微型半导体电嘴的加工步骤：

1.采用数控车床编程，用铁镍钴合金棒按图6车削加工中心电极。加工完成后清洗干净，按镀镍的标准程序给中心电极镀镍5～8μm。

2.按绝缘体(图7)外形尺寸设计并加工陶瓷绝缘体用热压注模具，然后按热压注成型→素烧→焙烧→性能试验→磨削→浸涂半导体并烧结→金属化烧结→镀镍→检验等工序加工95氧化铝陶瓷绝缘体。

3.采用数控车床编程，用铁镍钴合金棒按图8车削加工壳体、按图9加工圆片。加工完成后清洗干净，按镀镍的标准程序给壳体1和圆片8分别镀镍5～8μm。

4.按图5进行钎焊前的装架工作。准备好所有零件和夹具。将ф1的丝状焊料两圈装入壳体退刀槽内，再将绝缘体装入壳体中。将一片圆片状(带有小孔)银铜焊料装入绝缘体底部，然后装入圆片，再将中心电极穿入绝缘体中，用支座6-2顶住圆片后，将整个架构立于底座6-3内，然后再将定位夹具6-1装在电嘴放电端。将整个架构放入双位立式氢气炉中，在氢气保护下，升温到820℃，保温15min，然后闭电，随炉自然降温。室温下，取出电嘴。

5.检查电嘴外观并进行性能测试。

按此工艺加工的微型半导体电嘴，经测试气压下最小放电电压为800V，使用寿命达到了59万个火花数量，达到了预期的改进指标。另外电嘴外观良好，无焊料浸润到螺纹部位的现象；螺纹部位无变形，用螺纹量规检测良好。生产的微型半导体电嘴外观和性能全部合格，合格率100％。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种微型半导体电嘴结构，其特征在于：由壳体、绝缘体、中心电极和圆片组成，

所述微型半导体电嘴的放电端细部外圆直径为ф8.7mm，电嘴总长为42.7mm；

所述绝缘体主体为外圆具有台阶面，内部具有轴向台阶通孔的圆柱结构，且外圆大径段与通孔大径段一致；绝缘体的小径端为放电端，且绝缘体放电端烧结有半导体材料；绝缘体通孔台阶面以及与通孔台阶面处于同一径向位置的外圆部位有金属化层，且在金属化层上镀镍5～8μm；所述绝缘体外圆大径段直径一致；所述绝缘体通孔小径段直径与中心电极大径段直径一致，绝缘体通孔小径段长度与中心电极大径段长度一致；

所述圆片具有中心通孔；圆片套在中心电极小径段上，并与中心电极台阶面和绝缘体内孔台阶面接触；通过圆片能够中心电极和绝缘体钎焊在一起；

所述中心电极材料采用4J34铁镍钴合金，在中心电极表面镀镍5～8μm；所述壳体材料为4J34铁镍钴合金，在壳体表面镀镍5～8μm，所述圆片材料为4J34铁镍钴合金，在圆片表面镀镍5～8μm。

2.根据权利要求1所述一种微型半导体电嘴结构，其特征在于：所述绝缘体采用95％氧化铝陶瓷材料。

3.根据权利要求2所述一种微型半导体电嘴结构，其特征在于：所述绝缘体上的半导体材料由Al₂O₃、SiO₂、SnO₂、MgO、TiO₂按照设定比例混合、煅烧、球磨、过筛后涂敷在绝缘体的放电端，再在氢气炉中1490℃下烧结；半导体材料烧结之后，在绝缘体金属化部位涂敷金属化膏，并在1420℃下烧结，然后在金属化层上镀镍5～8μm。