CN111360434A - 一种使用玻璃焊料焊接的管帽制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法中,研制一种玻璃焊料实现光学窗口与金属帽焊接;玻璃焊料各组分及其重量百分比分别为:PbO,70%~85%;B2O3,10%~15%;ZnO,6%~10%;Al2O3,0%~2%;SiO2,0~3%;TiO2,0~2%。本发明低温玻璃焊料及相应的焊接技术工艺简单,焊接强度高,气密性效果好,引入热应力小;采用玻璃焊料,对光学窗口的平整度和透光性无损伤,焊接结构成品率高、可靠性好,所得到管帽的光学窗口透明度高、强度高、气密性好,直线透过率大于97%,抗冲击大于5000g,漏气速率不大于1×10‑4Pacm3/s;该技术特别适用于光电子器件气密封装领域中的抗冲击的光电器件管帽制备。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器的气密封装技术领域,涉及一种使用玻璃焊料焊接的管帽制作方法。
背景技术
带光窗金属管帽是光电探测器封装中一类重要的外壳结构件,具有广泛的应用。光窗片(常用材料有K9玻璃、石英、蓝宝石、锗等)与金属帽经焊接后形成光电管帽,为光电器件提供光传输通道。光窗与金属帽的气密焊接技术是影响光电器件正常工作的关键之一。随着光电探测器在智能弹药、无人平台等上的应用,其对带光窗金属管帽的抗过载能力要求越来越高,在某些特殊领域要求光电探测器能够抗过载值超过5000g。
钎焊工艺是目前所报道的焊接方法中抗冲击性能良好的方法之一。钎焊工艺采用金锡焊料(Au80Sn20)将外层镀金的帽体与金属化光窗片焊接获得高密性带光窗的管帽,Au80Sn20熔点约280℃,实际焊接温度一般在300~320℃范围。但是,金锡焊料钎焊工艺需要在光窗片焊接处和金属件焊接处分别做金属化膜层处理,使其成本增高,不利于商业化。
高温熔焊方法是带光窗金属管帽焊接的另一种常有方法。同样地,由于高温熔焊需要在高温下玻璃窗口的焊接面发生熔融软化后与金属表面的氧化膜发生反应,形成冶金结合面。结合面脆性大,焊接过程中的残余应力无法得到有效地释放,抗冲击能力差,可靠性低。
如前所述,由于现有技术中存在诸多缺陷,因此有必要对管帽窗口的焊接工艺进行优化。玻璃焊料钎焊方法是通过低温下熔融态的玻璃焊料把光窗和金属帽焊接在一起形成冶金结合面,从而获得气密焊接结构。相比金锡焊料钎焊工艺,不需要金属化膜层处理,成本低,力学性能相近。相比高温熔焊工艺,力学性能更好,可靠性更高。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题,提供一种使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供一种使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其包括以下步骤:
S1:制备含铅硼酸盐玻璃焊料
配制粉料,各组分及其重量百分比分别为:PbO,70%~85%;B2O3,10%~15%;ZnO,6%~10%;Al2O3,0%~2%;SiO2,0~3%;TiO2,0~2%;随后混合,再在900~1000℃高温熔化,接着玻璃液淬火,研磨成粉得玻璃焊料;
S2:按照实际所需尺寸加工蓝宝石光窗片并采用磁控溅射法在其双面镀上增透膜,使1064nm处透过率大于97%和氮气气氛中耐400℃高温;
S3:按照实际所需尺寸冲压加工金属帽并采用电镀的方法在其表面镀镍,其中所镀Ni层厚度6~10μm。
S4:先将玻璃焊料配成浆料,再涂覆在金属帽通孔焊接处上,然后在350℃煅烧2~5小时进行排胶处理;
S5:将镀有增透膜的光窗片、涂覆玻璃焊料的金属帽组装在一起,然后进行氮气氛烧结处理,420~450℃保温20~60分钟,实现光窗片与金属帽两种异质材料之间的焊接,获得管帽。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法中,所研制的低温玻璃焊料及相应的焊接技术工艺简单,焊接强度高,气密性效果好,引入热应力小,因而管帽的特性好,尤其适合批量生产,使成本大大降低,取得良好的经济效益;采用玻璃焊料,对光学窗口的平整度和透光性无损伤,焊接结构成品率高、可靠性好,所得到管帽的光学窗口透明度高、强度高、气密性好,直线透过率大于97%,抗冲击大于5000g,漏气速率不大于1×10-4Pa·cm3/s;该技术特别适用于光电子器件气密封装领域中的抗大冲击的光电器件管帽制备。
附图说明
图2为实施例1玻璃焊料的DSC分析图;
图3为实施例1焊接的高温处理工艺曲线;
图4为实施例1焊接面的X射线光照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法包括以下步骤:
S1:制备含铅硼酸盐玻璃焊料
配制粉料,各组分及其重量百分比分别为:PbO,70%~85%;B2O3,10%~15%;ZnO,6%~10%;Al2O3,0%~2%;SiO2,0~3%;TiO2,0~2%;随后混合,再在900~1000℃高温熔化,接着玻璃液淬火,研磨成粉得玻璃焊料。
S2:按照实际所需尺寸加工蓝宝石光窗片并采用磁控溅射法在其双面镀上增透膜,使1064nm处透过率大于97%和氮气气氛中耐400℃高温。
S3:按照实际所需尺寸冲压加工金属帽并采用电镀的方法在其表面镀镍,其中所镀Ni层厚度6~10μm。
S4:先将玻璃焊料配成浆料,再涂覆在金属帽通孔焊接处上,然后在350℃煅烧2~5小时进行排胶处理。
S5:将镀有增透膜的光窗片、涂覆玻璃焊料的金属帽组装在一起,然后进行氮气氛烧结处理,420~450℃保温20~60分钟,从而实现光窗片与金属帽两种异质材料之间的焊接,获得管帽。
实施例1
首先按重量百分比比例配制粉料:PbO~70%、B2O3~15%、ZnO~10%、Al2O3~2%、SiO2~3%、TiO2~0%,随后装入聚四氟乙烯球磨罐中在滚动球磨机上球磨混合1小时,5000转/分钟,再将混合料倒入钢夹具放入马弗炉中1000℃保温2小时,接着玻璃熔体倒入装有冷水的大烧杯淬火,待冷却后在氧化铝坩埚中将其研磨成粉得玻璃焊料,玻璃焊料的DSC分析图见图2。将玻璃焊料粉与酒精按重量比4:1混合成浆料待用。
采用电镀方法在4J29金属帽表面镀Ni,Ni层厚度6~10μm。采用磁控溅射的方法在蓝宝石片双面镀上增透膜,条件为:Ar气氛、功率为0.25kW、溅射时间为20分钟。之后,将玻璃粉配成浆料,再用刷子在金属帽通孔焊接处涂覆0.2mm厚浆料,然后在350度保温3小时进行排胶处理。将镀Ni金属帽和蓝宝石片组合在一起,置于氮气气氛烧结炉中进行焊接,450℃保温30分钟,处理结束后,待炉温降至50℃以下时,将获得的管帽取出,烧结工艺见图3。
采用氦质谱检漏仪对管帽进行气密性测试,统计结果表明,管帽漏率低于1×10- 4Pa·cm3/s。从图4所示X射线照片上,可以看出玻璃焊料将可伐合金和蓝宝石光窗片两种异质材料充分浸润,形成了牢固的焊接结合面,面内无明显孔洞。经过5000g冲击试验,管帽外观完好。
实施例2
首先按重量百分比比例配制粉料:PbO~85%、B2O3~15%、ZnO~6%、Al2O3~1%、SiO2~2%、TiO2~1%,随后装入聚四氟乙烯球磨罐中在滚动球磨机上球磨混合1小时,5000转/分钟,再将混合料倒入钢夹具放入马弗炉中900℃保温2小时,接着玻璃熔体倒入装有冷水的大烧杯淬火,待冷却后在氧化铝坩埚中将其研磨成粉得玻璃焊料。将玻璃焊料粉与酒精按重量比4:1混合成浆料待用。
采用电镀方法在4J29金属帽表面镀Ni,Ni层厚度6~10μm。采用磁控溅射的方法在蓝宝石片双面镀上增透膜,条件为:Ar气氛、功率为0.3kW、溅射时间为30分钟。之后,将玻璃粉配成浆料,再用刷子在金属帽通孔焊接处涂覆0.3mm厚浆料,然后在350度保温3小时进行排胶处理。将镀Ni金属帽和蓝宝石片组合在一起,置于氮气气氛烧结炉中进行焊接,420℃保温20分钟,处理结束后,待炉温降至50℃以下时,将获得的管帽取出。
采用氦质谱检漏仪对管帽进行气密性测试,统计结果表明,管帽漏率低于1×10- 4Pa·cm3/s。从X射线照片可以看出玻璃焊料将可伐合金和蓝宝石光窗片两种异质材料充分浸润,形成了牢固的焊接结合面,面内无明显孔洞。经过5000g冲击试验,管帽外观完好。
实施例3
首先按重量比例配制粉料:PbO~80%、B2O3~10%、ZnO~8%、Al2O3~0%、SiO2~0%、TiO2~2%,随后装入聚四氟乙烯球磨罐中在滚动球磨机上球磨混合1小时,5000转/分钟,再将混合料倒入钢夹具放入马弗炉中950℃保温2小时,接着玻璃熔体倒入装有冷水的大烧杯淬火,待冷却后在氧化铝坩埚中将其研磨成粉得玻璃焊料。将玻璃焊料粉与酒精按重量比4:1混合成浆料待用。
采用电镀方法在4J29金属帽表面镀Ni,Ni层厚度6~10μm。采用磁控溅射的方法在蓝宝石片双面镀上增透膜,条件为:Ar气氛、功率为0.3kW、溅射时间为40分钟。之后,将玻璃粉配成浆料,再用刷子在金属帽通孔焊接处涂覆0.4mm厚浆料,然后在350度保温2小时进行排胶处理。将有金属过渡层的4J29金属帽和蓝宝石光窗片组合在一起,然后置于氮气气氛烧结炉中进行焊接,430℃保温60分钟。处理结束后,待炉温降至50℃以下时,将获得的管帽取出。
采用氦质谱检漏仪对管帽进行气密性测试,统计结果表明,管帽漏率低于1×10- 4Pa·cm3/s。从X射线照片可以看出玻璃焊料将可伐合金和蓝宝石光窗片两种异质材料充分浸润,形成了牢固的焊接结合面,面内无明显孔洞。经过5000g冲击试验,管帽外观完好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:制备含铅硼酸盐玻璃焊料
配制粉料,各组分及其重量百分比分别为:PbO,70%~85%;B2O3,10%~15%;ZnO,6%~10%;Al2O3,0%~2%;SiO2,0~3%;TiO2,0~2%;随后混合,再在900~1000℃高温熔化,接着玻璃液淬火,研磨成粉得玻璃焊料;
S2:按照实际所需尺寸加工蓝宝石光窗片并采用磁控溅射法在其双面镀上增透膜,使1064nm处透过率大于97%和氮气气氛中耐400℃高温;
S3:按照实际所需尺寸冲压加工金属帽并采用电镀的方法在其表面镀镍,其中所镀Ni层厚度6~10μm。
S4:先将玻璃焊料配成浆料,再涂覆在金属帽通孔焊接处上,然后在350℃煅烧2~5小时进行排胶处理;
S5:将镀有增透膜的光窗片、涂覆玻璃焊料的金属帽组装在一起,然后进行氮气氛烧结处理,420~450℃保温20~60分钟,实现光窗片与金属帽两种异质材料之间的焊接,获得管帽。
2.如权利要求1所述的使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其特征在于,所述步骤S1中,按重量百分比比例配制粉料:PbO~70%、B2O3~15%、ZnO~10%、Al2O3~2%、SiO2~3%、TiO2~0%,随后装入聚四氟乙烯球磨罐中在滚动球磨机上球磨混合1小时,5000转/分钟,再将混合料倒入钢夹具放入马弗炉中1000℃保温2小时,接着玻璃熔体倒入装有冷水的大烧杯淬火,待冷却后在氧化铝坩埚中将其研磨成粉得玻璃焊料。
3.如权利要求2所述的使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其特征在于,所述步骤S2和S3中,采用磁控溅射的方法在蓝宝石片双面镀上增透膜,条件为:Ar气氛、功率为0.25kW、溅射时间为20分钟;采用电镀方法在4J29金属帽表面镀Ni,Ni层厚度6~10μm。
4.如权利要求3所述的使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其特征在于,所述步骤S4和S5中,将玻璃焊料粉与酒精按重量比4:1混合成浆料,再用刷子在金属帽通孔焊接处涂覆0.2mm厚浆料,然后在350度保温3小时进行排胶处理;将镀Ni金属帽和蓝宝石片组合在一起,置于氮气气氛烧结炉中进行焊接,450℃保温30分钟,处理结束后,待炉温降至50℃以下时,将获得的管帽取出。
5.如权利要求1所述的使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其特征在于,所述步骤S1中,按重量百分比比例配制粉料:PbO~85%、B2O3~15%、ZnO~6%、Al2O3~1%、SiO2~2%、TiO2~1%,随后装入聚四氟乙烯球磨罐中在滚动球磨机上球磨混合1小时,5000转/分钟,再将混合料倒入钢夹具放入马弗炉中900℃保温2小时,接着玻璃熔体倒入装有冷水的大烧杯淬火,待冷却后在氧化铝坩埚中将其研磨成粉得玻璃焊料。
6.如权利要求5所述的使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其特征在于,所述步骤S2和S3中,采用电镀方法在4J29金属帽表面镀Ni,Ni层厚度6~10μm;采用磁控溅射的方法在蓝宝石片双面镀上增透膜,条件为:Ar气氛、功率为0.3kW、溅射时间为30分钟。
7.如权利要求6所述的使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其特征在于,所述步骤S4和S5中,将玻璃焊料粉与酒精按重量比4:1混合成浆料,再用刷子在金属帽通孔焊接处涂覆0.3mm厚浆料,然后在350度保温3小时进行排胶处理;将镀Ni金属帽和蓝宝石片组合在一起,置于氮气气氛烧结炉中进行焊接,420℃保温20分钟,处理结束后,待炉温降至50℃以下时,将获得的管帽取出。
8.如权利要求1所述的使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其特征在于,所述步骤S1中,按重量百分比比例配制粉料:PbO~80%、B2O3~10%、ZnO~8%、Al2O3~0%、SiO2~0%、TiO2~2%,随后装入聚四氟乙烯球磨罐中在滚动球磨机上球磨混合1小时,5000转/分钟,再将混合料倒入钢夹具放入马弗炉中950℃保温2小时,接着玻璃熔体倒入装有冷水的大烧杯淬火,待冷却后在氧化铝坩埚中将其研磨成粉得玻璃焊料。
9.如权利要求8所述的使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其特征在于,所述步骤S2和S3中,采用电镀方法在4J29金属帽表面镀Ni,Ni层厚度6~10μm;采用磁控溅射的方法在蓝宝石片双面镀上增透膜,条件为:Ar气氛、功率为0.3kW、溅射时间为40分钟。
10.如权利要求9所述的使用玻璃焊料焊接的管帽的制作方法,其特征在于,所述步骤S4和S5中,将玻璃焊料粉与酒精按重量比4:1混合成浆料,再用刷子在金属帽通孔焊接处涂覆0.4mm厚浆料,然后在350度保温2小时进行排胶处理;将有金属过渡层的4J29金属帽和蓝宝石光窗片组合在一起,然后置于氮气气氛烧结炉中进行焊接,430℃保温60分钟,处理结束后,待炉温降至50℃以下时,将获得的管帽取出。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200703 |
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