蒙高安，劉 彬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第40研究所，安徽 蚌埠 233010）

1 引言

隨著現(xiàn)代軍事裝備和各行業(yè)精密控制系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)元器件提出了更高的要求，壽命長(zhǎng)、體積小、安裝方便等。而微型恒溫繼電器具有體積小、重量輕、氣密性高等優(yōu)點(diǎn)，更適用于需要考慮重量和體積應(yīng)用的高端技術(shù)場(chǎng)所。國(guó)內(nèi)微型恒溫繼電器多家單位已形成多型號(hào)、批量化的研制生產(chǎn)平臺(tái)，基本完成替代進(jìn)口，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在火箭、衛(wèi)星、飛機(jī)、機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)療器械等需要溫度檢測(cè)、溫度控制等軍、民領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)需求。繼電器底座組件（以下簡(jiǎn)稱組件）是微型恒溫繼電器的關(guān)鍵部件，本文介紹的是一種JUW-3M系列通用組件，其剖面結(jié)構(gòu)見圖1。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)該件進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，最終形成一套可靠、高效、典型的生產(chǎn)工藝。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

該組件主要技術(shù)指標(biāo)為：外形結(jié)構(gòu)尺寸Φ 6 mm×7.1 mm；觸點(diǎn)位置尺寸為0.50±0.01 mm；泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s；絕緣電阻≥5 000 MΩ。

3 結(jié)構(gòu)與制造工藝

3.1 結(jié)構(gòu)

組件主要由引線、支架、靜觸點(diǎn)3個(gè)零件組成。引線和支架之間采用玻璃絕緣子連接，起絕緣、密封、固定作用，引線、支架材料采用柯伐4J29，玻璃粉采用DM305，二者線形膨脹系數(shù)為5.0×10-6/℃和4.9×10-6/℃，符合匹配封接要求。靜觸點(diǎn)和引線之間焊料釬焊連接，考慮電性能及耐磨性，觸點(diǎn)材料熔點(diǎn)980 ℃。

圖1 微型恒溫繼電器底座組件剖面圖

3.2 制造工藝

工藝流程為：金屬零件加工→清洗→真空處理→氧化→封接→焊觸點(diǎn)→加工引線頭部→與外殼體焊接。

主要工序說明：（1）引線和支架用玻璃絕緣子高溫封接在一起，主要考慮封接的密封性、牢固性；（2）將靜觸點(diǎn)釬焊到引線端面，需要考慮焊接后的牢固性及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸0.5±0.01 mm；（3）用專用工裝壓扁引線頭部，形成帶孔扁頭結(jié)構(gòu)；（4）內(nèi)部器件安裝完成后與外殼激光縫焊。

4 制造工藝研究

4.1 材料及零件加工工藝

零件材料應(yīng)選用較高等級(jí)材料，特別是引線絲材表面狀態(tài)直接影響到封接質(zhì)量，應(yīng)在40倍放大鏡下觀察，不能有可見深度的拉絲紋路和開裂，最好選用徑向紋路的磨光料。支架經(jīng)車削加工成形，整體尺寸公差較嚴(yán)，邊緣部分厚度只有0.2 mm，加工、周轉(zhuǎn)很容易變形，且內(nèi)孔的表面粗糙度影響封接質(zhì)量，需采用高精密數(shù)控車加工完成。

引線切割按工藝尺寸切割而成，考慮靜觸點(diǎn)釬焊工序，需去除線切割加工形成的表面氧化層，端面磨光。

4.2 玻璃絕緣子封接工藝

高溫玻璃坯融化時(shí)，在重力作用下向下流動(dòng)，同時(shí)沿金屬氧化層表面浸潤(rùn)延伸，而為了封接后玻璃不沿引線表面爬高，表面形成平整半彎月形，應(yīng)適當(dāng)減少引線氧化程度，玻坯重量在理論計(jì)算數(shù)值的基礎(chǔ)上適當(dāng)減少約5%~10%[1]。

金屬零件清洗工藝為：機(jī)械滾光除油、毛刺→純水超聲波清洗→酒精脫水；玻璃坯清洗工藝為：純水超聲波清洗→無水乙醇超聲波清洗→150 ℃以上焙烘。

金屬零件真空凈化處理，通過高溫真空處理，可以很好地去除金屬表面附著的氣體、有機(jī)物雜質(zhì)等，起到消除材料和零件加工中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、去除表面雜質(zhì)、凈化表面的作用，另外高溫處理使得材料組織均勻細(xì)化、穩(wěn)定一致[2]。4J29材料20%變形量后退火溫度晶粒度等級(jí)如表1[3]，晶粒尺寸越小，氧化速率越快，不利于控制金屬氧化過程，該金屬零件處理工藝為真空度1×10-3Pa，高溫1020 ℃，保溫15 min。

表1 各種溫度下4J29晶粒等級(jí)

氧化工藝是封接中的關(guān)鍵工藝。根據(jù)文獻(xiàn)資料，為保證良好的封接性和高封接強(qiáng)度，氧化時(shí)單位面積上氧化增量ΔW應(yīng)控制在0.03~0.08 mg·cm-2，氧化膜厚度y為0.5～1 μm[4]，推薦氧化氣氛為N2+1%H2O。

查得室溫下H2O汽飽和蒸汽壓為0.002 9 MPa，通過調(diào)節(jié)干N2和濕N2比例及水域溫度控制氧化氣氛為N2+1% H2O。還需控制通入N2氣的總量，防止空氣進(jìn)入爐膛。隨著氧化溫度的提高，氧化速度成倍增長(zhǎng)，多次摸索試驗(yàn)后該產(chǎn)品現(xiàn)行氧化工藝為在可控氣氛下700 ℃保溫12 min，可以根據(jù)零件大小和每次氧化數(shù)量適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度和時(shí)間，按此工藝氧化后零件表面顏色為均勻一致淺灰色，封接測(cè)試后泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s，引線封接強(qiáng)度良好。

影響封接質(zhì)量的因素主要有保護(hù)氣氛、溫度和時(shí)間。保護(hù)氣體N2氣流量要適中，過小的金屬表面氧化層封接時(shí)會(huì)再氧化，封接后和玻璃結(jié)合不完全，偏大會(huì)還原原有的氧化層，兩者都會(huì)降低封接強(qiáng)度[5~6]。封接溫度不易過高，過高時(shí)溶解在玻璃液中的氣體量大大增加，形成氣泡，過低時(shí)玻璃不能完全熔化，均會(huì)影響封接質(zhì)量，而保溫時(shí)間應(yīng)盡量減少。

零件前期清洗要徹底，否則高溫下處理雖然目測(cè)表面干凈，但實(shí)際上雜質(zhì)已經(jīng)滲透到金屬表面。定位用石墨模具也需要潔凈，封接前要在高于封接溫度下加H2處理，讓吸附的雜質(zhì)和氣體被還原后排放出來。

4.3 靜觸點(diǎn)釬焊工藝

釬焊工序，封接后需要把靜觸點(diǎn)釬焊到引線端面。需要保證關(guān)鍵尺寸0.5±0.01 mm，還要焊接牢固，一般焊接工藝很難保證。為達(dá)到前兩項(xiàng)要求，我們采用的工藝為：封接→焊接表面涂助焊劑→大電流電阻焊→清洗去除助焊劑→車削靜觸點(diǎn)表面到要求尺寸。但該工藝工序復(fù)雜，效率較低，制約批量生產(chǎn)；另外玻璃絕緣子要承受大電流約800 ℃以上的高溫沖擊，車削時(shí)會(huì)有很大的機(jī)械震動(dòng)，都會(huì)給玻璃絕緣子造成很大傷害，后期玻璃逐漸開裂，成品合格率不高，且一致性、可靠性都達(dá)不到要求。

采用階梯焊接方式，同一器件先焊接溫度高的部分，再焊接次高溫部分，依次多次降溫焊接。封接溫度比焊接溫度高約100 ℃，考慮在N2保護(hù)下先完成玻璃絕緣子封接工序，然后再在N2保護(hù)下用封接爐完成觸點(diǎn)釬焊工序。工藝為：封接→焊觸點(diǎn)。

參照封接工裝改進(jìn)后的觸點(diǎn)焊接定位工裝剖面結(jié)構(gòu)如圖2，采用石墨、金屬共用復(fù)合模具，這是因?yàn)槭庸ぞ鹊?，還容易磨損，而金屬加工精度和磨損性都符合定位要求，因此選用金屬作為關(guān)鍵尺寸定位用，另外選用和零件膨脹系數(shù)一致的4J29材料，更能保證定位尺寸。玻璃絕緣子高溫軟化后引線和支架都能輕微移動(dòng)，利用上面壓塊的自身重力，把零件很好地壓貼到定位塊表面，消除了裝配間隙，且壓力作用下焊接更牢固。采用石墨和金屬混合的復(fù)合模具定位，N2氣保護(hù)下封接爐中釬焊的工藝很好地保證了觸點(diǎn)位置尺寸的精度和一致性，簡(jiǎn)化了工藝，極大地提高了生產(chǎn)效率。

圖2 觸點(diǎn)焊接定位工裝剖面圖

5 技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

玻璃絕緣子封接是該底座組件的關(guān)鍵工序之一，玻璃絕緣子封接是一種特種工藝，工序復(fù)雜、特殊，需從細(xì)節(jié)入手，從零件清洗到封接都應(yīng)嚴(yán)格按工藝操作。金屬零件表面氧化是關(guān)鍵工序，對(duì)多種氧化狀態(tài)進(jìn)行理化分析，然后做絕緣子燒結(jié)后的封接強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，制定出優(yōu)化的氧化工藝。封接工藝影響封接強(qiáng)度和密封性能，通過對(duì)比同一種氧化工藝后的零件在不同溫度、氣流量和保溫時(shí)間下的結(jié)合強(qiáng)度，優(yōu)選出工藝參數(shù)，為965 ℃、保溫15 min、氣體流量1.8 m2/h，按此工藝封接后玻璃致密、圓潤(rùn)，封接強(qiáng)度良好。

觸點(diǎn)的釬焊工藝是另一關(guān)鍵工序，對(duì)焊接質(zhì)量和焊接精度都提出了很高要求。而采用的石墨、金屬?gòu)?fù)合模具定位，保護(hù)氣氛封接爐焊接工藝保證了產(chǎn)品技術(shù)要求和產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量一致性，另外還對(duì)設(shè)計(jì)、工藝細(xì)節(jié)上做了優(yōu)化處理，如采用觸點(diǎn)比引線直徑略大，這樣焊料不會(huì)流到下面金屬定位工裝表面；焊料應(yīng)在焊接牢固性能達(dá)到要求的情況下使用量最少；使用前需要用精密測(cè)量工具篩選定位尺寸等，很好地保證了觸點(diǎn)焊接牢固性和焊接后的尺寸一致性。

6 結(jié)論

按上述工藝生產(chǎn)400只該底座組件試用，以引線為軸，對(duì)引線施加600 N·mm扭矩，引線無松動(dòng)，封接強(qiáng)度良好；對(duì)靜觸點(diǎn)施加2 kg力，無松動(dòng)脫落現(xiàn)象，觸點(diǎn)焊接牢固；測(cè)量觸點(diǎn)端面到支架口部尺寸，在0.5±0.01 mm范圍內(nèi)一致性較好；組裝后密封溫度繼電器整體密封性都在200×10-5Pa·cm3/s～500×10-6Pa·cm3/s之間[7]，達(dá)到國(guó)軍標(biāo)要求。底座組件的重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)、氧化、封接、釬焊，在研制過程中對(duì)關(guān)鍵工序做了大量試驗(yàn)，形成一套典型工藝，可為其他類似精密微型恒溫繼電器底座組件生產(chǎn)起到借鑒作用。

[1] 楊俊釗. 高可靠、高強(qiáng)度光電金屬外殼的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電元件，2008.

[2] 劉靜，李豐. 金屬外殼封接中的柯伐合金退火[J]. 半導(dǎo)體光電，2005，26（2）：121-123.

[3] 王以康. 4J29合金簡(jiǎn)介[J]. 上海鋼研所，2008.

[4] 冷文波，沈卓身. 柯伐合金氣密封接的預(yù)氧化[J]. 電子與封裝，2004，17（3）：33-41.

[5] 胡君遂，堵永國(guó). 封接工藝對(duì)玻璃與柯伐合金結(jié)合性能的影響[J]. 機(jī)電元件，2005：37-40.

[6] N Bandypodhyay, S Tamhankar, M Kirschner. Process Conditions for Hermetic Sealing of KOVAR to Borosilicate Glass [J]. Advance in Ceramics, 1988.

[7] 微電子器件試驗(yàn)方法和程序GJB548A－2005 [M]. 國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部. 48-56.