RU2806855C1

RU2806855C1 - Method for sealing vacuum metal structures with optically transparent elements

Info

Publication number: RU2806855C1
Application number: RU2022133766A
Authority: RU
Inventors: Константин Олегович Болтарь; Михаил Васильевич Седнев; Евгений Дмитриевич Коротаев
Original assignee: Акционерное общество "НПО "Орион"
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2023-11-08

Abstract

FIELD: soldering.

SUBSTANCE: technology for solder sealing of vacuum metal structures with optically transparent elements having an anti-reflection coating (ARC) and can be used, in particular, in the manufacture of sealed housings for photodetectors, including infrared radiation detectors. Parts of the metal structure in the soldering area are tin-coated, preliminary edge metallization of the optically transparent element is carried out, and it is soldered into the metal structure to obtain a hermetically sealed solder joint. Soldering is carried out by heating the metal structure and solder in a high-frequency electromagnetic field until the solder melts and spreads in the joint area along the metallized surface of the optically transparent element. The end of the soldering process is determined by the visually observed boundary of movement of the molten solder on the metallized surface of the optically transparent element, after which the power to the inductor is turned off and the soldering process is stopped.

EFFECT: reduced thermal load on the ARC during the soldering process and improved tightness of the soldered seam with a helium leak rate of 7⋅10^-11 Pa⋅m³/s.

1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии герметизации вакуумных металлических конструкций с оптически прозрачными элементами пайкой и может использоваться для разработки герметичных конструкций различного назначения, например, при изготовлении герметичных корпусов фотоприемников, в том числе инфракрасного излучения.The invention relates to a technology for sealing vacuum metal structures with optically transparent elements by soldering and can be used to develop sealed structures for various purposes, for example, in the manufacture of sealed housings for photodetectors, including infrared radiation.

В конструкции корпуса фотоприемника функционально необходимо входное окно, которое изготавливают из оптически прозрачных, в заданном диапазоне длин волн, материалов: германий, кремний, сапфир и др. Потери на отражение принимаемого светового потока минимизируют напылением антиотражающего покрытия (АОП) с двух сторон входного окна в центральной области, размер которой определен оптической схемой использования фотоприемника.The design of the photodetector housing functionally requires an input window, which is made of materials that are optically transparent in a given wavelength range: germanium, silicon, sapphire, etc. Reflection losses of the received light flux are minimized by spraying an anti-reflection coating (ARC) on both sides of the input window in a central region, the size of which is determined by the optical design of the photodetector.

На фиг. 1 представлен оптически прозрачный элемент с АОП и краевой металлизацией, в разрезе.In fig. Figure 1 shows a cross-section of an optically transparent element with AOP and edge metallization.

На фиг. 2 представлено схематическое изображение металлического корпуса и оптически прозрачного элемента с АОП и краевой металлизацией перед пайкой, в разрезе.In fig. Figure 2 shows a schematic cross-sectional representation of a metal body and an optically transparent element with AOP and edge metallization before soldering.

Герметичное соединение предварительно металлизированных по краю оптически прозрачных элементов с антиотражающим покрытием и луженных частей металлических конструкций, как правило, смотри таблицу, выполняют пайкой.The hermetic connection of optically transparent elements pre-metalized along the edges with an anti-reflective coating and tinned parts of metal structures, as a rule, see table, is performed by soldering.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ пайки керамики с металлами и неметаллами, при котором между паяемыми поверхностями деталей размещают фольгу припоя на основе меди и титана с добавкой легкоплавких металлов из группы: олово, свинец, индий и их сплавов, нагрев осуществляют в вакууме 10^-3-10^-1мм рт.ст. до температуры плавления, с последующим охлаждением [патент RU 2336980 «Способ пайки керамики с металлами и неметаллами»].The closest in technical essence to the claimed invention is a method of soldering ceramics with metals and non-metals, in which a foil of solder based on copper and titanium with the addition of low-melting metals from the group: tin, lead, indium and their alloys is placed between the soldered surfaces of the parts, heating is carried out in vacuum 10 ^-3 -10 ^-1 mm Hg. to the melting point, followed by cooling [patent RU 2336980 “Method of soldering ceramics with metals and non-metals”].

Для решения поставленной задачи в известном способе между соединяемыми деталями, одна из которых выполнена из керамики, размещают припой и осуществляют нагрев до температуры плавления припоя. В качестве припоя использован сплав эвтектического состава медь-титан с добавкой легкоплавких металлов олово, индий.To solve this problem, in a known method, solder is placed between the parts to be connected, one of which is made of ceramics, and heated to the melting temperature of the solder. An alloy of eutectic composition copper-titanium with the addition of low-melting metals tin and indium was used as solder.

Нагрев производят в вакууме до температуры образования эвтектики медь-титан (более 850°С) и выдерживают при этой температуре не менее 20 минут. В результате чего происходит взаимное растворение титана, олова и индия в меди и получение активного сплава, что обеспечит при температуре плавления активного сплава смачивание паяемых материалов. Технический результат, достигаемый при использовании известного способа: получение герметичного паяного шва (1⋅10^-8 МПа⋅м3/с).Heating is carried out in a vacuum to the formation temperature of copper-titanium eutectic (more than 850°C) and maintained at this temperature for at least 20 minutes. As a result, the mutual dissolution of titanium, tin and indium in copper occurs and an active alloy is obtained, which will ensure wetting of the soldered materials at the melting temperature of the active alloy. The technical result achieved when using the known method: obtaining a sealed soldered seam (1⋅10 ^-8 MPa⋅m3/s).

Недостатком способа является необходимость нагревания при пайке оптически прозрачных элементов до температур, превышающих температуру плавления медно-титанового припоя (более 850°С), что приведет к разрушению АОП из-за различия коэффициентов температурного расширения оптически прозрачного элемента и слоев пленочных покрытий, составляющих АОП.The disadvantage of this method is the need to heat optically transparent elements when soldering to temperatures exceeding the melting point of copper-titanium solder (more than 850°C), which will lead to the destruction of the AOP due to the difference in the thermal expansion coefficients of the optically transparent element and the layers of film coatings that make up the AOP.

Известен способ пайки нагреванием горелкой [Петрунин И.Е. Физико-химические процессы при пайке. М, «Высшая школа», 1972]. Применение этого метода сопровождается нагреванием металлической конструкции и оптически прозрачного элемента с АОП до температуры плавления припоя и смачивания им металлизированной поверхности оптически прозрачного элемента. При этом распределение теплового потока должно обеспечивать одновременное нагревание припоя и спаиваемых элементов в области образования герметичного шва, что может быть получено лишь, если ось направленного теплового потока горелки совпадает с осью симметрии металлической конструкции и впаиваемого в нее оптически прозрачного элемента. В этом случае, плотность теплового потока максимальна в области оптически прозрачного элемента, что приводит к нагреванию оптического элемента до температуры, превышающей точку плавления припоя (выше 190°С при пайке оловянно-свинцовым припоем ПОС61) раньше, чем металлического корпуса, а для качественной пайки место соединения с металлическим корпусом должно прогреваться до температуры, обеспечивающей смачивание соединяемых пайкой металлических поверхностей, которая должна быть значительно выше температуры плавления припоя. Поэтому в рассматриваемом случае при достижении необходимой температуры пайки произойдет значительный перегрев оптически прозрачного элемента и напыленного на него АОП, а перегрев оптически прозрачного элемента с АОП, возникающий в процессе пайки, крайне нежелателен, поскольку АОП представляет собой, как правило, технологически сложное многослойное покрытие, разрушающееся при значительных тепловых нагрузках. Кроме этого, градиент температуры, возникающий при применении пайки горелкой или тепловой пушкой для герметизации протяженных металлических конструкций и оптически прозрачных элементов, может способствовать образованию микроскопических пустот на границах расплавленного припоя, оптически прозрачного элемента и металлического корпуса, что ухудшает герметичность паяного шва.There is a known method of soldering by heating with a torch [Petrunin I.E. Physico-chemical processes during soldering. M, "Higher School", 1972]. The use of this method is accompanied by heating the metal structure and the optically transparent element with AOP to the melting temperature of the solder and wetting the metallized surface of the optically transparent element with it. In this case, the distribution of the heat flow must ensure simultaneous heating of the solder and the soldered elements in the area of formation of the hermetic seam, which can only be obtained if the axis of the directed heat flow of the burner coincides with the axis of symmetry of the metal structure and the optically transparent element soldered into it. In this case, the heat flux density is maximum in the area of the optically transparent element, which leads to heating of the optical element to a temperature exceeding the melting point of the solder (above 190°C when soldering with POS61 tin-lead solder) earlier than the metal body, and for high-quality soldering the junction with the metal body must be heated to a temperature that ensures wetting of the metal surfaces connected by soldering, which must be significantly higher than the melting temperature of the solder. Therefore, in the case under consideration, when the required soldering temperature is reached, significant overheating of the optically transparent element and the AOP deposited on it will occur, and overheating of the optically transparent element with AOP that occurs during the soldering process is extremely undesirable, since AOP is, as a rule, a technologically complex multilayer coating, collapses under significant thermal loads. In addition, the temperature gradient that occurs when using soldering with a torch or heat gun to seal extended metal structures and optically transparent elements can contribute to the formation of microscopic voids at the boundaries of the molten solder, the optically transparent element and the metal body, which worsens the tightness of the soldered seam.

Для осуществления качественной и герметичной сборки элементов волноводных трактов, преимущественно из алюминиевых сплавов для космических аппаратов или другого необходимого оборудования, на предприятиях применяется индукционная пайка [Эмилова О.А., Тынченко B.C., Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп.им. газ. «Красноярский рабочий», 31].To carry out high-quality and hermetically sealed assembly of elements of waveguide paths, mainly from aluminum alloys for spacecraft or other necessary equipment, enterprises use induction soldering [Emilova O.A., Tynchenko V.S., Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev, Russian Federation, 660037, Krasnoyarsk, ave. im. gas. “Krasnoyarsk Worker”, 31].

Однако пайка соединений путем индукционного нагрева происходит посредством индуктируемых вихревых токов лишь в металлических деталях и представляет собой процесс соединения металлов посредством расплавленного присадочного металла, называемого припоем и имеющего температуру плавления ниже температуры плавления основного металла.However, soldering joints by induction heating occurs through induced eddy currents only in metal parts and is a process of joining metals using a molten filler metal called solder and having a melting temperature lower than the melting temperature of the base metal.

Задачей, предлагаемого изобретения, является уменьшение тепловой нагрузки на АОП в процессе пайки и повышение герметичности паяного шва с величиной течи по гелию 7⋅10^-11 Па⋅м³/с.The objective of the proposed invention is to reduce the thermal load on the AOP during the soldering process and increase the tightness of the soldered seam with a helium leak rate of 7⋅10 ^-11 Pa⋅m ³ /s.

Технический результат достигается пайкой путем индукционного синхронного нагревания припоя, металлического корпуса и краевой металлизации оптически прозрачного элемента в высокочастотном электромагнитном поле до расплавления припоя и его растекания, визуально контролируемого, в предполагаемой области герметичного соединения по поверхности предварительно металлизированных оптически прозрачных элементов, что обеспечивает своевременное выключение индуктора. При этом достигается минимальная температура оптически прозрачного элемента с АОП, поскольку высокочастотное поле не образует вихревых токов в них, рост температуры в области АОП лимитирован тепловым сопротивлением контакта с краевой металлизацией оптически прозрачного элемента и его массой. Движение фронта кристаллизации жидкого припоя по поверхности краевой металлизации характеризует температуру оптически прозрачного элемента на краю АОП и позволяет своевременно остановить процесс пайки. Повышение герметичности достигается вследствие однородного теплового поля, формируемого индуцированными вихревыми токами в металлическом корпусе, краевой металлизации оптически прозрачного элемента и припое под воздействием высокочастной мощности индуктора. Таким образом, выполняются условия для качественной пайки, при которой место соединения прогревается до температуры, которая значительно выше температуры плавления припоя, и это позволяет избежать образования пустот на границе расплавленного припоя и металлического корпуса. При этом граница движения расплавленного припоя по металлизации оптически прозрачного элемента наблюдается визуально, что позволяет визуально наблюдать распространение теплового фронта на краю оптически прозрачного элемента и не допустить повышения температуры выше температуры плавления припоя, своевременно выключив питание индуктора и остановив процесс пайки.The technical result is achieved by soldering by induction synchronous heating of the solder, the metal case and the edge metallization of the optically transparent element in a high-frequency electromagnetic field until the solder melts and spreads, visually controlled, in the intended area of the hermetic connection over the surface of the pre-metalized optically transparent elements, which ensures timely shutdown of the inductor . In this case, the minimum temperature of the optically transparent element with AOP is achieved, since the high-frequency field does not form eddy currents in them, the temperature increase in the AOP region is limited by the thermal resistance of the contact with the edge metallization of the optically transparent element and its mass. The movement of the crystallization front of the liquid solder along the surface of the edge metallization characterizes the temperature of the optically transparent element at the edge of the AOP and makes it possible to promptly stop the soldering process. Increased sealing is achieved due to a uniform thermal field formed by induced eddy currents in the metal casing, edge metallization of the optically transparent element and solder under the influence of high-frequency power of the inductor. Thus, the conditions for high-quality soldering are met, in which the joint is heated to a temperature that is significantly higher than the melting point of the solder, and this avoids the formation of voids at the boundary of the molten solder and the metal body. In this case, the boundary of the movement of molten solder along the metallization of the optically transparent element is observed visually, which makes it possible to visually observe the propagation of the thermal front at the edge of the optically transparent element and prevent the temperature from rising above the melting temperature of the solder by promptly turning off the power to the inductor and stopping the soldering process.

Claims

A method for manufacturing vacuum metal structures with optically transparent elements having an anti-reflection coating, including tinning parts of the metal structure in the soldering area, preliminary edge metallization of the optically transparent element and soldering it into the metal structure to obtain a hermetically sealed solder joint, wherein soldering is carried out by heating the metal structure and solder in a high-frequency electromagnetic field until the solder melts and spreads in the joint area along the metallized surface of the optically transparent element, and the end of the soldering process is determined by the visually observable boundary of the movement of the molten solder on the metallization of the optically transparent element, after which the power to the inductor is turned off and the soldering process is stopped.