陸廣華，王 勻，張樂瑩，葉留芳，陳萬榮

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工藝條件對(duì)玻璃-金屬封接件性能影響分析

陸廣華1，王 勻2，張樂瑩1，葉留芳3，陳萬榮2

（1. 南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2. 江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3. 泰州市航宇電器有限公司，江蘇 泰州 225300）

研究了530℃退火時(shí)的保溫時(shí)間、降溫速率以及不同玻璃厚度與金屬外殼徑向厚度比對(duì)玻璃-金屬封接件內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響，通過ANSYS軟件進(jìn)行分析優(yōu)化并制作了樣品。結(jié)果表明，當(dāng)退火溫度為530℃、保溫40 min、然后以4℃/min降至室溫，玻璃厚度與外殼徑向厚度比為4時(shí)，測(cè)得封接件的殘余應(yīng)力較小，并得到質(zhì)量較好的實(shí)物工件。

殘余應(yīng)力；數(shù)值分析；玻璃-金屬封接；溫度；電連接器；退火

玻璃-金屬封接件廣泛應(yīng)用于微電子金屬封裝、繼電器、接插件等有真空氣密性要求的場(chǎng)合[1-2]。玻璃-金屬連接的基本問題主要可歸納為玻璃-金屬連接的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力、玻璃表面的潤(rùn)濕和界面反應(yīng)兩類[3]。殘余應(yīng)力是影響玻璃封接電連接器使用性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，電連接器常使用在飛機(jī)、導(dǎo)彈這些振動(dòng)非常劇烈的機(jī)器上，玻璃體中如果有太大的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電連接器的玻璃絕緣子過早產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致電連接器的失效[2]。其次在民用行業(yè)中作為連接機(jī)構(gòu)的電連接器常要承受多次的插拔，在軸向上經(jīng)常處于被拉扯的狀態(tài)，當(dāng)軸向殘余應(yīng)力過大時(shí)，其引線和玻璃的結(jié)合處容易因插拔次數(shù)過多而萌生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致封接件失效，影響封接件的機(jī)械壽命[3-4]。鐘正軍等[4]通過有限元軟件，研究了結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)和成形工藝參數(shù)等因素對(duì)玻璃-可伐合金釬焊封接處玻璃側(cè)殘余應(yīng)力的影響。羅大為等[5]采用座滴法研究了玻璃在不同氧化膜可伐合金表面高溫下保溫不同時(shí)間的潤(rùn)濕規(guī)律。魏寶成等[6]基于薄殼理論，研究了結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)對(duì)玻璃-金屬熔封結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的影響。Hsu等[7]研究了固體氧化燃料電池工藝條件下，玻璃-金屬封接界面間的相互作用。Susan等[8]研究了金屬預(yù)氧化對(duì)玻璃-金屬封接性能的影響。但玻璃厚度與金屬外殼徑向厚度比對(duì)玻璃-金屬封接件殘余應(yīng)力的影響研究鮮見報(bào)道。本文運(yùn)用有限元軟件分析相關(guān)參數(shù)對(duì)玻璃-金屬封接性能的影響，并根據(jù)優(yōu)化后的工藝參數(shù)制出了合格產(chǎn)品。

1 熱力學(xué)模型建立和網(wǎng)格劃分

玻璃封接電連接器主要由DM305玻璃絕緣子、殼體、引線這三部分組成。其主要形狀有圓形和矩形這兩種，本文研究的電連接器，其殼體的內(nèi)徑為25 mm、外徑為29 mm、長(zhǎng)度為32 mm；玻璃絕緣子的直徑為25 mm、長(zhǎng)度為8 mm，其中間有34個(gè)直徑為1 mm的通孔；引線的直徑為1 mm，長(zhǎng)度為24 mm。在本模型的網(wǎng)格劃分中，首先采用默認(rèn)自動(dòng)生成的網(wǎng)格，進(jìn)行網(wǎng)格預(yù)覽，檢查有限元模型是否滿足要求，然后進(jìn)行具體的局部細(xì)化，結(jié)果如圖1所示。

2 熱應(yīng)力模擬與結(jié)果分析

2.1 不同保溫時(shí)間

530℃是DM305玻璃的退火點(diǎn)，在該溫度下進(jìn)行保溫處理有利于玻璃體依靠其內(nèi)部殘存的玻璃粘滯性來消除玻璃體因溫差引起的永久應(yīng)力，從而減少封接件的殘余應(yīng)力。通過模擬對(duì)比530℃不保溫與保溫40 min后等效應(yīng)力、應(yīng)力集中、軸向應(yīng)力的變化，具體方法為：從燒結(jié)溫度960℃開始，以16℃/min的速率降溫到530℃，再?gòu)?30℃處以10℃/min的速率降到室溫；從960℃以16℃/min的速率進(jìn)行降溫降到530℃，在530℃處保溫40 min后再以10℃/min的速率降到室溫；從960℃以16℃/min的速率進(jìn)行降溫降到530℃，在530℃處保溫60 min后再以10℃/min的速率降到室溫，分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在530℃處保溫40 min后冷卻至室溫的封接件內(nèi)殘余應(yīng)力比在530℃處不進(jìn)行保溫時(shí)有大幅度的減少，玻璃體內(nèi)主要呈拉應(yīng)力狀態(tài)，但保溫時(shí)間延長(zhǎng)為60 min后，相對(duì)保溫40 min殘余應(yīng)力的變化不明顯，因此從降低封接件殘余應(yīng)力、有效提高生產(chǎn)效率、降低能耗等角度考慮，在530℃處保溫40 min后冷卻至室溫的方法最佳。

2.2 不同降溫速率

玻璃體溫度低于530℃后，玻璃體開始凝固，流動(dòng)性能喪失。較低的降溫速率使金屬的收縮速度減慢、幅度變小，減小了玻璃體收縮速率、被拉伸的幅度和最終殘余應(yīng)力。在530℃處保溫40 min后，分別以5，4，3℃/min速率降溫，其結(jié)果如表1所示，為了更直觀表示不同降溫速率對(duì)殘余應(yīng)力的影響，根據(jù)表1作出圖3。

表1 不同降溫速率下封接件殘余應(yīng)力對(duì)比

Tab.1 The residual stress of sealing pieces comparison under different temperature descending rate

序號(hào)降溫速率/(℃·min–1)等效應(yīng)力/MPa集中應(yīng)力/ MPa軸向應(yīng)力/MPa引線結(jié)合處軸向應(yīng)力/MPa 158.649.454.262.42 247.187.863.542.01 336.106.683.001.70

由圖3可知，隨著降溫速率的降低，封接件內(nèi)部殘余應(yīng)力相應(yīng)降低，電連接器的主要工作部位在引線處一般要承受500~1 000次的插拔，其與玻璃結(jié)合處的玻璃體將承受主要的機(jī)械拉力，所以該處往往成為玻璃體破裂的起源地，該處的拉應(yīng)力值應(yīng)當(dāng)盡量小。由圖3可知，在530℃處保溫40 min后，以4℃/min的降溫速率降至室溫后，玻璃體的最大拉應(yīng)力為3.54 MPa，屬于安全范圍以內(nèi)，最終玻璃體與引線的接觸部位的玻璃體殘余拉應(yīng)力值小于2.5 MPa，也屬于可靠的安全范圍內(nèi)。雖然在以3℃/min的速率下玻璃體內(nèi)的拉應(yīng)力值可以達(dá)到3 MPa以下，但以3℃/min的降溫速率從530℃降到室溫需要170 min，而以5℃/min的速率從530℃降到室溫需要102 min，相比3℃/min下可以節(jié)省68 min的時(shí)間，為了安全起見選擇4℃/min的降溫速率。

經(jīng)工藝優(yōu)化后制出的34只引線電連接器實(shí)體如圖4所示。

3 封接件尺寸對(duì)殘余應(yīng)力的影響

根據(jù)上節(jié)論述，530℃以后的降溫速率對(duì)封接件內(nèi)部的殘余應(yīng)力的控制起著關(guān)鍵作用，通過模擬表明其降溫速率為4℃/min時(shí)，可獲得良好的封接效果。降溫速率對(duì)玻璃體內(nèi)的殘余應(yīng)力的影響還與電連接器的形狀和尺寸有著重要的聯(lián)系[9-10]。因此在其他條件不變的情況下，選擇外殼外徑為25 mm，內(nèi)徑為15 mm，玻璃體為直徑15 mm，引線為直徑3 mm的模型作為研究對(duì)象，以4℃/min的降溫速率進(jìn)行降溫，其結(jié)果如圖5，圖6所示。

由圖5，圖6可知，此單引線模型以4℃/min的降溫速率從530℃降到室溫，最終封接件內(nèi)的殘余應(yīng)力比34只引線的模型只有小幅度的減少，玻璃體內(nèi)的等效應(yīng)力最大值由7.18 MPa降到6.74 MPa；軸向應(yīng)力最大值由3.54 MPa降到3.2 MPa，這表明當(dāng)封接件的尺寸減小和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化對(duì)殘余應(yīng)力影響不大。經(jīng)對(duì)比兩個(gè)模型的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：34只引線的模型

其玻璃徑向厚度為外殼徑向厚度的6.25倍，而該單引線模型為1.5倍。所以可能玻璃厚度與外殼厚度比也是影響封接件殘余應(yīng)力的一個(gè)因素，為了驗(yàn)證該假設(shè)繼續(xù)引入外殼徑向厚度為4 mm，玻璃直徑為15 mm，引線為1.5 mm的模型，其玻璃與外殼的徑向厚度比約為4，仍以4℃/min從530℃降到室溫，封接件內(nèi)殘余應(yīng)力如圖7，圖8所示。

通過圖7、圖8，可以發(fā)現(xiàn)玻璃體與外殼徑向尺寸比由1.5改為4時(shí)，其玻璃體內(nèi)等效應(yīng)力最大值由6.74 MPa降到3.32 MPa；軸向應(yīng)力最大值由3.2 MPa降到1.7 MPa。封接效果有著明顯的提高，可見封接件的玻璃與外殼的徑向厚度比值也對(duì)封接件的殘余應(yīng)力有著很大的影響。當(dāng)減小外殼徑向尺寸，增加玻璃徑向尺寸有利于減小封接件內(nèi)殘余應(yīng)力值，并且相同的玻璃與外殼徑向厚度比值下尺寸較小的模型在相同的降溫速率下封接件內(nèi)部的殘余應(yīng)力值更小，這也說明其可以適當(dāng)加快降溫速率來獲得可靠的封接。

4 結(jié)論

（1）在530℃處保溫40 min后再以10℃/min的降溫速率降到室溫時(shí)能有效減少封接件內(nèi)部殘余應(yīng)力，提高生產(chǎn)效率，而且降低能耗。

（2）以4℃/min的降溫速率從530℃降到室溫能快速將內(nèi)應(yīng)力降至安全值之內(nèi)，通過優(yōu)化后的工藝參數(shù)可得到合格制品。

（3）封接件的玻璃與金屬外殼的徑向厚度值越大，封接效果越好，且相同的玻璃與外殼徑向厚度比值下尺寸較小的模型在相同的降溫速率下封接件內(nèi)部的殘余應(yīng)力值更小。

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Effect analysis of process conditions on performance of electrical connector sealed by glass-metal

LU Guanghua1, WANG Yun2, ZHANG Leying1, YE Liufang3, CHEN Wanrong2

(1. Taizhou Institute of Science & Technology, Nanjing University of Science and Technology, Taizhou 225300, Jiangsu Province, China; 2. Jiangsu University, Zhenjiang 212000, Jiangsu Province, China; 3.Taizhou Hangyu Space Appliance Co., Ltd, Taizhou 225300, Jiangsu Province, China)

The influence of the holding time, temperature descending rate and the thickness ratio between the glass and the metal shell in radial direction on the residual stress of electrical connector was studied. All the above process parameters were in the condition of 530℃ annealing temperature. The process parameters were optimized by ANSYS. Finally the optimized product was obtained. It is shown that the final better product with minimal residual stress can be obtained in the following conditions: 530℃ of annealing temperature, 40 min of holding time, 4℃/min of temperature descending rate, 4 of the thickness ratio.

residual stress; numerical analysis; glass-metal sealing; temperature; electrical connector; anneal

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.004

TG496

A

1001-2028（2016）09-0020-04

2016-06-07 通訊作者：王勻

泰州市科技支撐（工業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)）項(xiàng)目資助（No. TG201419）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目資助（No. 14KJD460003）；江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助（No. SBE2016000575)

陸廣華（1980－），男，江蘇泰州人，講師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究，E-mail: 304853621@qq.com ；王勻（1975－），男，江蘇無錫人，教授，博士，主要從事材料加工技術(shù)和微塑性加工研究，E-mail: 13560503@qq.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-02 11:05:00 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.tn.20160902.1105.007.html

（編輯：陳渝生）