RU2433494C1

RU2433494C1 - Method for metal-ceramic small electric pressure seal fabrication

Info

Publication number: RU2433494C1
Application number: RU2010132660/07A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Клавдиевич Вальков (RU); Анатолий Клавдиевич Вальков; Сергей Владимирович Мартынов (RU); Сергей Владимирович Мартынов; Эдуард Иванович Плавинский (RU); Эдуард Иванович Плавинский; Елена Витальевна Морозова (RU); Елена Витальевна Морозова; Сергей Иванович Митин (RU); Сергей Иванович Митин; Михаил Петрович Максимов (RU); Михаил Петрович Максимов; Людмила Тимофеевна Захарова (RU); Людмила Тимофеевна Захарова
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2011-11-10

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: method for metal-ceramic small electric pressure seal fabrication involves assembly of the prepared elements: an isolator, electrical leads and auxiliary materials. Before connection of the electrical leads to the insulator, a surface of the prepared ceramic disk as the insulator with through holes for electric terminals by number of the latter, activated in PdCh solution, coated with a copper layer by a chemical method. Then, it is coated with tin and lead by a galvanic method to be thereafter etched by a preset contour, and the electric terminals are inserted in the holes of the ceramic disk with using SnPb soldering on the ceramic disk. ^ EFFECT: higher efficiency and reduced energy content of the method ensured by higher reliability of a soldered joint of the components and assembly strength with maintaining a degree of air tightness of the finished small devices for switching input-output. ^ 1 dwg, 1 ex, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к изготовлению малогабаритных устройств для коммуникационного ввода-вывода миниатюрных, например, гермовыводов и может быть использовано в электровакуумных приборах.The invention relates to electrical engineering, in particular to the manufacture of small-sized devices for communication input-output miniature, for example, pressure-tight leads and can be used in electrical vacuum devices.

Известен из патента №2121180, МПК Н01В 17/26, публ. 27.10.1998 г. способ изготовления электрического гермоввода, содержащего корпус, в отверстиях с вкладышами которого размещены проводящие элементы, свободные полости которого заполнены компаундом в виде поликарбоната, при этом трудоемкость способа невысока, а готовые изделия характеризуются повышенной надежностью в широком диапазоне воздействующих давлений эксплуатации.Known from patent No. 2111180, IPC НВВ 17/26, publ. 10.27.1998, a method of manufacturing an electric pressure seal containing a housing, in the openings with inserts of which conductive elements are placed, the free cavities of which are filled with a compound in the form of polycarbonate, while the complexity of the method is low, and the finished products are characterized by increased reliability in a wide range of operating pressures.

Недостатком известного способа является сложность реализуемой конструкции гермоввода с коническими отверстиями и ступенчатыми переходами элементов корпуса.The disadvantage of this method is the complexity of the current design of the pressure seal with conical holes and step transitions of the housing elements.

Известен из патента РФ №2322718, МПК Н01В 17/26, публ. 20.04.2008 г. в качестве прототипа заявляемого способ изготовления гермоввода, состоящего из токоввода, изолятора из керамического материала, втулки, в котором соединение соосно расположенных частей гермоввода происходит посредством активного медно-титанового припоя.Known from the patent of the Russian Federation No. 2322718, IPC НВВ 17/26, publ. 04/20/2008, as a prototype of the claimed method of manufacturing a pressure seal, consisting of a current lead, an insulator of ceramic material, a sleeve, in which the coaxially located parts of the pressure seal are connected by means of an active copper-titanium solder.

Однако в известном способе предусмотрено заполнение зазоров между токовводом и изолятором и втулкой высокотемпературным медно-титановым припоем, требующим применения энергоемкого оборудования, что делает производство высокоэнергоемким.However, the known method provides for filling the gaps between the current lead and the insulator and the sleeve with high-temperature copper-titanium solder, requiring the use of energy-intensive equipment, which makes the production highly energy-intensive.

Задача, решаемая авторами изобретения, заключается в разработке эффективного и малоэнергоемкого способа изготовления герметичных малогабаритных устройств для коммуникационного ввода-вывода, преимущественно гермовыводов, характеризующихся высокими герметичностью и надежностью соединений компонентов устройств.The problem solved by the inventors is to develop an effective and low-energy method for manufacturing sealed small-sized devices for communication input-output, mainly pressure outputs, characterized by high tightness and reliability of the connections of the components of the devices.

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа, заключается в получении надежного паяного соединения с малоэнергоемким технологическим процессом изготовления за счет повышения надежности соединения компонентов токовыводов и прочности сборки при сохранении степени герметичности готовых малогабаритных устройств, снижении энергоемкости процесса по сравнению с прототипом.A new technical result provided by using the proposed method is to obtain a reliable solder connection with a low-energy-intensive manufacturing process by increasing the reliability of the connection of the components of the current leads and the strength of the assembly while maintaining the degree of tightness of the finished small-sized devices, reducing the energy consumption of the process compared to the prototype.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе изготовления металлокерамического малогабаритного электрического гермовывода, включающем сборку предварительно подготовленных элементов изолятора, электрических выводов и вспомогательных материалов, согласно изобретению перед установкой электрических выводов на изолятор поверхность предварительно подготовленного керамического диска в качестве изолятора, в котором выполнены сквозные отверстия для электрических токовыводов по числу последних, активируют в растворе PdCl₂ покрывают слоем меди химическим методом, затем наносят оловосвинцовое покрытие гальваническим способом с последующим удалением слоя покрытия травлением по заданному контуру, и окончательно устанавливают электрические токовыводы в отверстия керамического диска с использованием пайки электрических выводов припоем SnPb на керамическом диске.These tasks and a new technical result are ensured by the fact that in the known method for manufacturing a small-sized metal-ceramic electric pressure seal, which includes assembling pre-prepared insulator elements, electrical leads and auxiliary materials, according to the invention, before installing the electrical leads on the insulator, the surface of the previously prepared ceramic disk as an insulator, which has through holes for electrical current outputs according to the number of last dnih, activated in PdCl ₂ solution coated with a layer of copper by a chemical method and then applied olovosvintsovoe electroplated coating, followed by removal of the coating layer by etching predetermined contour, and finally a cold end mounted electric ceramic disc holes using soldering of electrical terminals SnPb solder on a ceramic disk.

Предлагаемый способ поясняется следующим образом.The proposed method is illustrated as follows.

Предварительно производят подготовку керамического диска в качестве изолятора, в котором выполнены сквозные отверстия для электрических токовыводов по числу последних. Это способствует большей универсальности коммуникационного устройства и возможности объединения в едином узле множественных контактов.The ceramic disk is preliminarily prepared as an insulator, in which through holes for electric current leads are made according to the number of the latter. This contributes to greater versatility of the communication device and the possibility of combining multiple contacts in a single node.

На чертеже изображен вид малогабаритного коммуникационного устройства (гермовывода), где 1 - электрические токовыводы, 2 - керамическое основание с отверстиями для токовыводов, 3 - припой.The drawing shows a view of a small-sized communication device (pressure seal), where 1 is electric current leads, 2 is a ceramic base with holes for current leads, 3 is solder.

Поверхность изолятора (керамического диска) активируют в растворе PdCl₂, что способствует повышению адгезии получаемого на последующих этапах покрытия с керамическим диском.The surface of the insulator (ceramic disk) is activated in a PdCl ₂ solution, which contributes to an increase in the adhesion of the coating to the ceramic disk obtained in the subsequent stages.

Далее поверхность керамического диска покрывают слоем меди химическим методом, для чего используют раствор для химического меднения на основе сульфата меди.Next, the surface of the ceramic disk is coated with a layer of copper by the chemical method, for which a solution for chemical copper plating based on copper sulfate is used.

Затем на поверхность изолятора наносят оловосвинцовое покрытие гальваническим способом с последующим удалением слоя покрытия травлением по заданному контуру, который соответствует топографическому рисунку схемы электрической разводки.Then, a tin-lead coating is applied to the surface of the insulator in a galvanic manner, followed by removal of the coating layer by etching along a given contour, which corresponds to the topographic drawing of the electrical wiring diagram.

Экспериментально было подтверждено, что нанесение многослойного химико-гальванического покрытия последовательно медь-олово-цинк обеспечивает более высокую надежность устройства, создает оптимальные условия для финишного процесса пайки электрических токовыводов на керамическом диске заявляемым припоем.It was experimentally confirmed that applying a multilayer chemical-galvanic coating in series with copper-tin-zinc provides higher reliability of the device, creates optimal conditions for the final process of soldering electric current leads on a ceramic disk with the claimed solder.

Окончательно устанавливают электрические токовыводы в отверстия керамического диска с использованием пайки электрических выводов припоем SnPb на керамическом диске.Finally, electrical current leads are installed in the holes of the ceramic disk using the soldering of the electrical terminals with SnPb solder on the ceramic disk.

Экспериментально было показано, что использование припоя указанного типа обеспечивает надежность паяного соединения, сопровождающегося минимальными энергозатратами технологического процесса изготовления малогабаритных устройств коммуникации.It was experimentally shown that the use of solder of the specified type ensures the reliability of the solder joint, accompanied by minimal energy consumption of the manufacturing process of manufacturing small-sized communication devices.

Как показали результаты испытаний, полученные предлагаемым способом опытные образцы гермовыводов характеризуются высокой степенью герметичности =10^-6 м³ Па/с, обладают возможностью деформироваться при выполнении спая, обеспечивают уменьшение напряжений, вызванных различием в температурных коэффициентах линейного расширения материалов токовывода и керамического изолятора, предотвращая растрескивание последнего. Наличие минимального зазора порядка ~1 мкм между изолятором и токовыводом (что является особенностью сборки указанного типа) позволяет реализовать течение припоя в зазор, и, как следствие, способствует достижению высокой степени герметичности припоя.As the test results showed, the prototype hermetic leads obtained by the proposed method are characterized by a high degree of tightness = 10 ^-6 m ³ Pa / s, are able to deform when junctioning, and provide a reduction in stresses caused by differences in the temperature coefficients of linear expansion of the materials of the current lead and ceramic insulator, cracking the latter. The presence of a minimum gap of the order of ~ 1 μm between the insulator and the current output (which is a feature of the assembly of this type) allows the solder to flow into the gap, and, as a result, helps to achieve a high degree of solder tightness.

Использование недорогостоящих материалов керамики и припоя и условий его реализации характеризует предлагаемый способ как энерго- и материалосберегающий технологический процесс и повышает конкурентоспособность на рынке отечественных технологий данного типа.The use of inexpensive ceramics and solder materials and the conditions for its implementation characterizes the proposed method as an energy and material-saving technological process and increases competitiveness in the market of domestic technologies of this type.

Таким образом, использование всех операций и материалов предлагаемого способа обеспечивает повышение надежности соединения компонентов токовыводов и прочности сборки, сохранение степени герметичности готовых малогабаритных устройств, снижение энергоемкости процесса.Thus, the use of all operations and materials of the proposed method provides an increase in the reliability of the connection of the components of the current leads and the strength of the assembly, maintaining the degree of tightness of the finished small-sized devices, and reducing the energy consumption of the process.

Возможность промышленной реализации предлагаемого способа подтверждается следующим примером конкретного выполнения.The possibility of industrial implementation of the proposed method is confirmed by the following example of a specific implementation.

Пример. В лабораторных условиях предлагаемый способ опробован на опытном образце гермовывода, состоящего из электрических выводов 1 (см. чертеж), 2 - керамический диск из корундовой (ВК94-1) или фторстеритовой (ВФ52.42-1) керамики с отверстиями для электрических токовыводов, покрытых 3 припоем SnPb.Example. In laboratory conditions, the proposed method was tested on a prototype hermetic seal, consisting of electrical leads 1 (see drawing), 2 - a ceramic disk made of corundum (VK94-1) or fluorosterite (VF52.42-1) ceramics with holes for electric current leads coated 3 solder SnPb.

Был изготовлен керамический диск диаметром 3-10 мм и высотой 0,5-3,0 мм с отверстиями по числу токовыводов (10).A ceramic disk was made with a diameter of 3-10 mm and a height of 0.5-3.0 mm with holes in the number of current outputs (10).

Предварительная подготовка диска заключалась в проведении процедуры очистки, обезжиривании, промывке и осушке. Поверхность изолятора (керамического диска) активируют в растворе PdCl₂. В последующем керамический диск погружали в раствор химического травления на основе сульфата меди, выдерживали его в нем в течение операционного времени (порядка 1 часа), промывали в проточной воде и переправляли на этап гальванического получения покрытия слоем олово-свинец.Preliminary preparation of the disk consisted of a cleaning, degreasing, washing and drying procedure. The surface of the insulator (ceramic disk) is activated in a solution of PdCl ₂ . Subsequently, the ceramic disk was immersed in a chemical etching solution based on copper sulfate, kept in it for an operational time (about 1 hour), washed in running water, and transferred to the stage of galvanic coating with a tin-lead layer.

Результаты экспериментов сведены в таблицу.The experimental results are summarized in table.

Как показали экспериментальные исследования предлагаемого способа, при его использовании обеспечиваются повышение надежности соединения компонентов токовыводов и прочности сборки, сохранение степени герметичности готовых малогабаритных устройств, а также снижение энергоемкости процессаAs shown by experimental studies of the proposed method, when it is used, the reliability of the connection of the components of the current leads and the strength of the assembly, the degree of tightness of the finished small-sized devices, and also the reduction of the energy intensity of the process are ensured.

Claims

A method of manufacturing a ceramic-metal small-sized electrical pressure seal, including the assembly of pre-prepared elements: an insulator, electrical leads and auxiliary materials, characterized in that before installing the electrical leads on the insulator, the surface of the pre-prepared ceramic disk as an insulator, in which through holes for electric current leads are made the latter, activated in a solution of PdCl ₂ , coated with a layer of copper by the chemical method, then nan the tin-lead coating is galvanized, followed by the removal of the coating layer by etching along a predetermined contour, and finally the electrical current leads are installed in the holes of the ceramic disk using the soldering of the electrical leads with SnPb solder on the ceramic disk.