玻璃封接电连接器工艺研究及热力学分析

摘要

可伐合金与玻璃封接技术广泛应用于微电子金属封装、继电器、接插件、太阳能真空集热管等有真空气密性要求的场合。其中以玻璃与金属封接的方式所形成的电连接器具有抗震性能好、强度高、耐压耐腐蚀的特性，因而广泛应用于航天、航空、航海、汽车等军用及民用行业。由于航天、航空、航海环境下的工作状况较为恶劣，要求电连接器具有高耐压耐腐蚀性能，且必须具有良好的机械性能。以DM305玻璃为主的玻璃绝缘子符合各种性能要求，成为玻璃与金属封接电连接器的主要绝缘材料，但其加工工艺较为复杂，如何设计合理有效的工艺参数以制备性能良好的玻璃封接电连接器成为业内研究的重点。本文针对以DM305玻璃与4J29可伐合金为主要封接材料展开研究，结合数值分析和实验研究，分析温度工艺参数对成形性能和成形质量的影响规律，并进行了实验与模拟对比。本文所做的主要工作和研究成果如下:
　　(1)分析了玻璃封接过程中温度和时间这两个主要工艺参数对封接性能的影响。通过对DM305玻璃和可伐合金的封接件(尺寸分别为Φ5mm、Φ10mm、Φ20mm)在熔封温度960℃与980℃下的熔封状况进行模拟和实验，分析了上述两种温度条件下熔封所需的有效时间，考察了相同熔封时间下不同温度对封接性能的影响规律。本文取Φ20mm样品为例，分别以980℃与960℃为熔封温度，封接相同时间后对试制出的两组样品进行SEM检测，对比两组样品的封接效果。研究表明采用980℃有利于减少熔封时间，提高能源利用率及生产效率。
　　(2)对玻璃封接过程中降温区t5时段的温降速率工艺进行了研究，通过检测不同温降速率下封接件内部微观形态，获得了温降速率对封接件玻璃体内残存气泡的影响规律。实验表明在玻璃外表面温度达到退火温度之前降低温降速率有利于玻璃体内残留气泡的排出，这样可以减少玻璃体在工作中产生裂纹的几率。
　　(3)研究了退火点保温时间t6及其降至室温的温降区t7时间对封接件残余应力的影响规律，结合实验和模拟获得了合适的时间工艺参数。实验表明，合适的保温时间有利于玻璃体内残余应力的减少，但保温效果并不是时间越长越好，过长的时间不仅无法明显减少封接件内的残余应力，还造成了能源浪费，降低了生产效率;温降速率对封接件残余应力有着重要的影响，温降速率过快是残余应力偏大的成因，但过低的温降速率虽能给出较小的残余应力值，但也会造成成本效率低下。
　　(4)研究还发现玻璃与金属外壳的径向厚度比也是影响封接件内部残余应力的重要因素，并提出了电连接器的设计原则和玻璃尺寸的选择要求:选择薄壳外壳与厚玻璃体，有利于减少封接件内部的残余应力。通过模拟封接试样内部应力场状况，得出相应应力参考值，对比实际材料可承受的范围，确定该封接件的温度～时间工艺参数，为其他尺寸封接件封接工艺参数的确定提共了参考。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 电连接器的介绍

1．2．1 电连接器的组成

1．2．2 电连接器的玻璃封装技术

1．1．3 金属与玻璃封接的分类

1．3 国内外研究现状

1．4 课题研究意义

1．5 本文主要工作

1．6 本章小结

第二章 玻璃封接成形理论基础及模拟方法

2．1 引言

2．2 金属与玻璃的封接工艺及其主要影响因素

2．2．1 金属与玻璃的封接工艺

2．2．2 主要工艺影响参数

2．3 管式炉封接与隧道炉封接

2．4 玻璃与金属封接工艺

2．5 本章小节

第三章 高温熔封工艺研究及微观组织分析

3．1 引言

3．2 熔封温度的选择

3．2．1 模型参数

3．2．2 不同温度下的封接效果

3．2．3 结果分析

3．3．4 尺寸效应对玻璃封接的温升影响

3．3 两种温度下保温封接效果对比

3．3．1 微观组织实验

3．3．2 结合状态分析

3．4 本章小结

第四章 温降速率对封接性能的影响分析

4．1 引言

4．2 温降速率对封接性能的影响

4．2．1 粘度对玻璃封接的影响

4．2．2 封接件温降速率对封接性能的影响

4．3 从熔封温度到退火上限的温降速率对封接件内部气泡的影响

4．3．1 气泡对玻璃绝缘子电连接器性能的影响

4．3．2 温降速率对玻璃体内部气泡排逸的影响

4．3．2 温降速率对气泡含量影响对比实验的结论

4．4 本章小结

第五章 玻璃封接热应力数值分析

5．1 引言

5．2 温降速率对玻璃封接残余应力的影响分析

5．3 计算机辅助分析概述

5．4 ANSYS热分析理论

5．4．1 传热的基本方式

5．4．2 热传导

5．4．3 热对流

5．4．4 辐射传热

5．5 热力学模型的建立

5．5．1 几何模型

5．5．2 材料属性

5．5．3 接触处理

5．5．4 载荷与约束条件

5．5．5 网格划分

5．6 热应力模拟与结果分析

5．6．1 530℃处无保温条件下封接件内部应力状况

5．6．2 530℃处进行40min保温条件下封接件内部应力状况

5．6．3 530℃处进行60min保温条件下封接件内部应力状况

5．6．4 封接件内部应力状况

5．6．5 从530℃以4℃／min和以3℃／min的速率降温下封接件内部应力状况

5．7 封接件尺寸对残余应力的影响

5．8 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间参加的项目