CN111039547B - 一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的制备及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的制备及其使用方法，本发明涉及一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的制备及其使用方法。本发明是要解决现有铝基复合材料与玻璃绝缘端子封接过程中采用含铅玻璃粉生产成本高、能耗大、效率低、复合玻璃低温层致密性差、气密性达标率低的问题。本发明采用非匹配封接方式，不需对低温玻璃粉进行造粒，采用相应模具烧结得到低温玻璃环；然后将玻璃绝缘端子、低温玻璃环置于待封装器件铝基复合材料壳体端孔内，一次烧结，完成封接。本发明用于航空、航天、舰船或地面的相控阵雷达T/R管壳的封装，以及其他领域的精密元器件的金属壳体与玻璃件的封接。

Description

一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的 制备及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的制备及其使用方法。
背景技术
长期以来，相控阵雷达T/R模块国内外普遍采用铜钨合金或可伐合金等传统材料，比重大、导热性差，成为飞行器的沉重包袱，而具有相同低膨胀系数的高体积分数碳化硅增强铝基复合材料和高硅铝比重约为可伐合金的三分之一，导热性提高五倍，因此用铝基复合材料(包括碳化硅颗粒增强铝基复合材料碳硅铝和硅颗粒增强铝基复合材料高硅铝)代替可伐合金已是大势所趋，因为重量减轻后不仅节省燃料，还可大大提高飞机的速度与机动作战能力，军事意义不言而喻。
新一代相控阵雷达T/R模块壳体采用高硅铝或碳硅铝来取代传统的可伐合金作为换代材料，这些新材料具有三个方面的优越性：重量轻：可降低燃料消耗，提高飞行速度，优化机动作战能力；导热好：可降低元器件的工作温度，提高功率和可靠性，延长工作寿命；铝基复合材料有高的平均谐振频率：平均谐振频率比铝合金、钛合金、镁合金及钢材高出65～80％，应用该材料可显著提高设备基频，防止共振，提高整体结构的可靠性。
但是T/R模块壳体在进行绝缘玻璃端子融封时，由于这两种铝基复合材料的熔点较低，焊接温度区间较小，限制了其封接工艺的选择。以往，将可伐合金壳体与玻璃柱(绝缘子)是在900℃～960℃高温下直接烧结融封在一起，而当上述两种新材料与玻璃绝缘子封接时，900℃高温烧结的传统做法已不可行(铝基体的熔点才660℃左右)，为此，目前多数单位铝基复合材料与绝缘端子的封接是在高温玻璃绝缘子外包裹一个可伐合金环，然后与铝基复合材料之间采用Au-Sn钎料的软钎焊工艺，其钎焊温度一般在200℃～300℃之间，如图1所示；此工艺不但成本高，而且高温玻璃绝缘端子与可伐合金环需要预先在高温下烧结好，工艺麻烦，浪费能源，给后续工艺预留温度梯度低，同时该封接工艺气密性达标率较低(特别是阶梯孔)。
为此，有人采取不同的方法尝试解决这一技术难题(如授权专利CN106007409B和受理专利CN10690706A)，虽然取得了一定的效果，但是还受到生产效率和封接质量的限制，而且所用低温玻璃粉是采用含铅玻璃粉，抗腐蚀性较差。
发明内容
本发明是要解决现有铝基复合材料与玻璃绝缘端子封接过程中采用含铅玻璃粉(有毒性)生产成本高、能耗大、效率低、复合玻璃低温层致密性差、气密性达标率低的问题，而提供一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的制备及其使用方法。
本发明一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的制备方法具体是按以下步骤进行：
根据待封装器件所用的材质，选用相应线膨胀系数和软化点的低温玻璃粉；再根据所选低温玻璃粉的收缩率以及低温玻璃环的预定尺寸设计模具；将低温玻璃粉装入模具模腔内，在恒力压板的作用下，在高于该低温玻璃粉软化点30℃～50℃的条件下进行烧结，得到低温玻璃环。
本发明用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的使用方法是将低温玻璃环用于航空、航天、舰船或地面的相控阵雷达T/R管壳用铝基复合材料的封装。
本发明的有益效果是：
本发明采用一种特殊的低温玻璃环的制备技术，不需要含铅(铅有毒)的低温玻璃粉，也不需要复杂的造粒技术，能够直接使用高致密性的低温玻璃环，与介电常数4～4.5的高温玻璃柱和铝基复合材料壳体一次性的封接在一起(玻璃绝缘端子不需要二次烧结)；采用独创的低温玻璃环对新型电子封装材料铝基复合材料与玻璃绝缘端子进行电子封装，可根据不同的基体材料(高硅铝和碳硅铝)，采用相应的的低温玻璃粉及模具，制备相应尺寸的低温玻璃环，然后将玻璃绝缘端子、低温玻璃环及铝基复合材料壳体一次性封装完成。这样不但降低了材料成本(不需昂贵的钎料)，而且免去了钎料装配工序(节省工时并免去了人为因素对封接质量的影响)，且本工艺玻璃粉不需要造粒，简单高效，可以得到致密、无气孔、强度高的低温玻璃环，从而使气密性达标率得到提高，提高了组件的可靠性，也为后续工艺留出了较宽裕的温度梯度空间。
附图说明
图1为传统工艺采用可伐合金环、金锡钎料封接高硅铝和玻璃绝缘端子的结构示意图；其中1为引线针，2为高温玻璃柱，3为可伐合金环，4为金锡钎料，5为高硅铝壳体；
图2为本发明的采用低温玻璃环封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的结构示意图；其中6为引线针，7为高温玻璃柱，8为铝基复合材料壳体，9为低温玻璃环；
图3为本发明烧结低温玻璃环的模具示意图；其中10为恒力压板，11为凸模固定板，12为凸模，13为导向柱，14为凹模，15为凹模固定板，16为压簧，17为压环，18为低温玻璃环；
图4为实施例一得到的低温玻璃环的实物图；
图5为实施例一采用无铅低温玻璃环封接高硅铝实物图；
图6为实施例二采用无铅低温玻璃环封接碳硅铝实物图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的制备方法具体是按以下步骤进行：
根据待封装器件所用的材质，选用相应线膨胀系数和软化点的低温玻璃粉；再根据所选低温玻璃粉的收缩率以及低温玻璃环的预定尺寸设计模具；将低温玻璃粉装入模具模腔内，在恒力压板的作用下，在高于该低温玻璃粉软化点30℃～50℃的条件下进行烧结，得到低温玻璃环。
根据待封装器件与玻璃绝缘端子的实际尺寸计算低温玻璃粉的重量。
本实施方式先对低温玻璃粉进行模具烧结成型，烧结成一个低温玻璃环，然后套在高温玻璃柱外面，再与复合材料壳体孔一次进行烧结，达到密封性要求；由于省去了二次套装工艺，高温玻璃柱只经受了一次烧结，减少了烧结过程对高温玻璃柱物理性能的影响。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述模具由恒力压板10、凸模固定板11、凸模12、导向柱13、凹模14、凹模固定板15、压簧16和压环17组成；所述凸模固定板11与凹模固定板15平行设置，所述凹模固定板15的上表面设置有导向柱13，所述凸模固定板11滑动设置在导向柱13的另一端；所述凸模12设置在凸模固定板11的下表面，所述凹模14设置在凹模固定板15的上表面，所述凸模12和凹模14相对设置形成环腔，所述压环17滑动设置在凸模12上，所述压环17与凸模固定板11之间设置有压簧16；当烧结过程中，压簧16对低温玻璃压力保持在5～10KPa，冷却成型时，压簧16对低温玻璃环18不施加压力。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述模具材质为1Cr13模具钢或其他模具用不锈钢。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述低温玻璃环的烧结采用阶梯温度，先将温度从室温升至300℃～350℃，在温度为300℃～350℃的条件下保温30min～60min，再将温度从300℃～350℃升至高于该低温玻璃粉软化点30℃～50℃，并在该温度下保温30min～60min，随炉冷却；其中升温速率低于5℃/min。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述玻璃绝缘端子为高温玻璃柱，其介电常数为4～4.5，融点为900℃～960℃。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述低温玻璃粉为铋系无铅低温玻璃、磷系无铅低温玻璃或含膨胀系数调控相的复合玻璃粉；所述低温玻璃粉的软化点为380℃～460℃；所述低温玻璃环所用低温玻璃粉的线膨胀系数为(40～120)×10-7/℃。其他与具体实施方式一至五之一相同。
本实施方式中可以是不含铅的，符合环境要求，属于“绿色制造”。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述低温玻璃环的厚度为0.2～0.6mm。其他与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的使用方法是将低温玻璃环用于航空、航天、舰船或地面的相控阵雷达T/R管壳用铝基复合材料的封装。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述封装的具体过程如下：
将玻璃绝缘端子、低温玻璃环置于待封装器件壳体的端孔内，工装定位，装配好放入大气炉中，进行一次烧结，即完成待封装器件与玻璃绝缘端子的封接；所述待封装器件的材质为高硅铝或碳硅铝复合材料；所述铝基复合材料中增强相的体积分数为50～70％。其他与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是：所述烧结采用阶梯温度，先将温度从室温升至300℃～350℃，在温度为300℃～350℃的条件下保温30min～60min，再将温度从300℃～350℃升至高于玻璃焊料片软化点50℃～100℃，并在该温度下保温30min～60min；再从高于玻璃焊料片软化点50℃～100℃降至300℃～350℃，随炉冷却至50℃以下取出；其中升温速率低于5℃/min，降温速率低于5℃/min。其他与具体实施方式八或九相同。
采用以下实施例验证本发明有益效果：
实施例一：本实施例一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的制备及其使用方法具体是按以下步骤进行：
选用一种低温无铅玻璃粉，软化温度425℃，封接温度490℃～520℃，线膨胀系数(90～110)×10-7/℃，首先将该低温粉用自行设计制造的模具烧结成型，得到尺寸为Φ2.85mm/Φ2.1mm×1.6mm的低温玻璃环，然后将玻璃绝缘端子、低温玻璃环置于待封装器件高硅铝壳体的端孔内，采用专用工装定位，装配好放入大气炉中，将烧结炉的温度在60min内从室温升温至300℃，在温度为300℃的条件下保温30min后，随后45min内从300℃升温至520℃，保温30min，随后45min内从520℃降温至300℃，随炉冷却至50℃以下取出，即完成整个封接过程；通过宏观和显微观察，发现玻璃绝缘端子、低温玻璃环与壳体孔同轴度高，表面光泽度良好，结合面牢固。所述待封装器件材质为CE11高硅铝合金。
检测其封接后的外观和气密性，经检测：融封界面平整，质地均匀，焊料无溢出，无明显气孔、裂纹。气密性：1.0×10-10Pa·m3/s，符合要求。
实施例二：本实施例一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的制备及其使用方法具体是按以下步骤进行：
选用一种低温无铅玻璃粉，软化温度419℃，封接温度480℃～500℃，线膨胀系数(80～90)×10-7/℃，首先将该低温粉用自行设计制造的模具烧结成型，得到尺寸为Φ2.85mm/Φ2.1mm×1.6mm的低温玻璃环，然后将玻璃绝缘端子、低温玻璃环置于待封装器件碳硅铝壳体的端孔内，采用专用工装定位，装配好放入大气炉中，将烧结炉的温度在50min内从室温升温至300℃，在温度为300℃的条件下保温60min后，随后30min内从300℃升温至495℃，保温40min，随后30min内从495℃降温至300℃，随炉冷却至50℃以下取出，即完成整个封接过程；通过宏观和显微观察，发现玻璃绝缘端子、低温玻璃环与壳体孔同轴度高，表面光泽度良好，结合面牢固。所述待封装器件材质为55vol.％SiCp/ZL102高体积分数铝基复合材料.
检测其封接后的外观和气密性，经检测：融封界面平整，质地均匀，焊料无溢出，无明显气孔、裂纹。气密性：4.0×10-9Pa·m3/s，符合要求。

Claims (6)

1.一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的使用方法，其特征在于用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环是将低温玻璃环用于航空、航天、舰船或地面的相控阵雷达T/R管壳用铝基复合材料的封装；所述封装的具体过程如下：
将玻璃绝缘端子、低温玻璃环置于待封装器件壳体的端孔内，工装定位，装配好放入大气炉中，进行一次烧结，即完成待封装器件与玻璃绝缘端子的封接；所述待封装器件的材质为高硅铝或碳硅铝复合材料；所述铝基复合材料中增强相的体积分数为50~70%；
根据待封装器件所用的材质，选用相应线膨胀系数和软化点的低温玻璃粉；再根据所选低温玻璃粉的收缩率以及低温玻璃环的预定尺寸设计模具；将低温玻璃粉装入模具模腔内，在恒力压板的作用下，在高于该低温玻璃粉软化点30℃~50℃的条件下进行烧结，得到低温玻璃环；所述模具由恒力压板（10）、凸模固定板（11）、凸模（12）、导向柱（13）、凹模（14）、凹模固定板（15）、压簧（16）和压环（17）组成；所述凸模固定板（11）与凹模固定板（15）平行设置，所述凹模固定板（15）的上表面设置有导向柱（13），所述凸模固定板（11）滑动设置在导向柱（13）的另一端；所述凸模（12）设置在凸模固定板（11）的下表面，所述凹模（14）设置在凹模固定板（15）的上表面，所述凸模（12）和凹模（14）相对设置形成环腔，所述压环（17）滑动设置在凸模（12）上，所述压环（17）与凸模固定板（11）之间设置有压簧（16）；当烧结过程中，压簧（16）对低温玻璃压力保持在5~10KPa，冷却成型时，压簧（16）对低温玻璃环（18）不施加压力；所述低温玻璃粉为铋系无铅低温玻璃、磷系无铅低温玻璃或含膨胀系数调控相的复合玻璃粉；所述低温玻璃粉的软化点为380℃~460℃；所述低温玻璃环所用低温玻璃粉的线膨胀系数为（40~120）×10-7/℃。
2.根据权利要求1所述的一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的使用方法，其特征在于所述模具材质为1Cr13模具钢或其他模具用不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的使用方法，其特征在于所述低温玻璃环的烧结采用阶梯温度，先将温度从室温升至300℃~350℃，在温度为300℃~350℃的条件下保温30min~60min，再将温度从300℃~350℃升至高于该低温玻璃粉软化点30℃~50℃，并在该温度下保温30min~60min，随炉冷却；其中升温速率低于5℃/min。
4.根据权利要求1所述的一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的使用方法，其特征在于所述玻璃绝缘端子为高温玻璃柱，其介电常数为4~4.5，融点为900℃~960℃。
5.根据权利要求1所述的一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的使用方法，其特征在于所述低温玻璃环的厚度为0.2~0.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的低温玻璃环的使用方法，其特征在于用低温玻璃环封接铝基复合材料与玻璃绝缘端子的具体过程中，烧结采用阶梯温度，先将温度从室温升至300℃~350℃，在温度为300℃~350℃的条件下保温30min~60min，再将温度从300℃~350℃升至高于低温玻璃环软化点50℃~100℃，并在该温度下保温30min~60min；再从高于低温玻璃环软化点50℃~100℃降至300℃~350℃，随炉冷却至50℃以下取出；其中升温速率低于5℃/min，降温速率低于5℃/min。
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