楊 拓，江德鳳，王彬彬

（重慶聲光電有限公司外殼事業(yè)部，重慶 400060）

光窗封接工藝對光電外殼抗強沖擊影響的研究

楊 拓，江德鳳，王彬彬

（重慶聲光電有限公司外殼事業(yè)部，重慶 400060）

通過對三種光窗封接工藝的對比分析，探索了怎樣提高帶光窗光電外殼的抗強沖擊能力。運用有限元軟件ANSYS分析MBCY009-W8W的局部封接工藝、高溫封接工藝、低溫釬焊工藝及其存在微裂紋對抗強沖擊能力的影響。按GJB548B-2005方法2002.1對樣品進行機械沖擊試驗，結(jié)果表明低溫釬焊工藝很好地滿足抗強沖擊的要求，研究在有強沖擊載荷要求的光窗封接上有潛在的應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：局部封接工藝；高溫封接工藝；低溫釬焊工藝；抗強沖擊能力

1 引言

隨著激光光源或探測器在導(dǎo)彈上的應(yīng)用，其對帶光窗金屬外殼抗過載能力要求越來越高。如某款光電探測器MBCY009-W8W金屬外殼，其抗過載值要求軸向≥30000 g，氣密性≤1×10-9Pa·m3/s。本文主要從外殼材料和工藝進行分析研究，使之滿足MBCY009-W8W光電金屬外殼的過載和氣密性等技術(shù)要求[1]。

2 管帽材料分析

2.1 金屬材料

MBCY009-W8W管帽為帶光窗金屬外殼的氣密性封裝，考慮金屬帽與光窗材料的匹配性，金屬帽多采用 4J29 合金材料，其膨脹系數(shù)為（4.9±1.0）×10-6/℃（20～300℃），其抗拉強度高，滿足器件的高可靠要求。

2.2 光窗材料

光窗材料設(shè)計主要考慮與4J29合金金屬熱膨脹系數(shù)的匹配。根據(jù)光電探測器的抗高過載值、透過率、平面度等參數(shù)要求，光窗材料選定為DM305玻璃[2]，其性能參數(shù)見表1。

表1 DM305光窗材料性能參數(shù)

2.3 管帽結(jié)構(gòu)設(shè)計及理想狀態(tài)下的強度分析

本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)主要由底座和管帽組成。在設(shè)計時，應(yīng)考慮到產(chǎn)品的用途、技術(shù)要求、使用環(huán)境等因素，該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計難點在于沖擊載荷值≥30000 g。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，外殼抗過載失效主要集中在管帽上，這是因為底座和引線為金屬件，底座上的玻璃絕緣子外徑直徑為Φ1.40 mm，厚度為1.50 mm，對于小外徑和厚玻璃來說，其完全可承受比管帽上的光窗更大的載荷值，因此，底座的抗沖擊能力遠(yuǎn)大于管帽的抗過載能力，在抗過載設(shè)計時，一般只考慮管帽的抗過載能力。對于管帽來說，由于通光孔直徑不小于Ф3.00mm，結(jié)合工藝的焊接區(qū)域，光窗片直徑應(yīng)≥4.00 mm，因此，較大直徑的光窗是抗沖擊過程中的薄弱點。

在管帽設(shè)計時，為了更好地滿足抗沖擊的要求，需要對金屬帽進行“緩沖結(jié)構(gòu)”設(shè)計，其結(jié)構(gòu)見圖1。從圖1中可以看出，在金屬帽的頂面采用“傾角”設(shè)計，這樣在沖擊過程中可以起到分解力的作用，減少對光窗和焊接區(qū)域的沖擊，以滿足強沖擊載荷的要求。

以MBCY009-W8W抗30000 g沖擊載荷要求的產(chǎn)品為例，其光窗大小為Ф6.30 mm×0.8 mm。由于DM305具有制作工藝簡單、易于獲取、成本低等優(yōu)點，設(shè)計時優(yōu)先考慮DM305這種電真空玻璃。在三維軟件PROE中建立圖1中的光窗模型，將模型通過中間格式導(dǎo)入至ANSYS中，然后將DM305玻璃的材料參數(shù)賦予光窗上，同時假設(shè)DM305玻璃完全不受后續(xù)化學(xué)拋光工藝的影響，即光窗是一個完整的玻璃體，無任何缺損或者微裂紋，再將30000 g的載荷值加載至光窗上，分析其所承受的應(yīng)力，見圖2。

根據(jù)有限元的分析結(jié)果，結(jié)合表1中材料的性能，對于此直徑和厚度的光窗來說，在30000 g機械沖擊載荷下，其最大應(yīng)力為2.6 MPa，遠(yuǎn)小于其自身的斷裂強度10 MPa，因此，對于DM305光窗材料來說，在本體未受到工藝影響的情況下，可以滿足該過載值的要求。

圖1 MBCY009-W8W結(jié)構(gòu)圖

圖2 DM305玻璃在沖擊載荷下產(chǎn)生的應(yīng)力

3 三種封接工藝對比分析

目前國內(nèi)已開發(fā)光電器件封裝用帶光窗金屬外殼主要有三種封接工藝，即光窗局部封接工藝、高溫封接工藝和低溫釬焊封接工藝[3]。

3.1 局部封接工藝

局部封接技術(shù)是將玻璃和金屬帽封接部位加熱到玻璃的軟化封接溫度狀態(tài)下，通過玻璃與金屬帽氧化層形成化合鍵而進行封接的一種工藝。光窗由于局部受熱，光窗中心區(qū)域仍保持原有的平面度，但與金屬帽交界面的光窗玻璃存在明顯的變形而出現(xiàn)“減薄”現(xiàn)象，如圖3所示。同時會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，應(yīng)力釋放以及后續(xù)的化學(xué)拋光工藝使得與金屬帽的交界面光窗產(chǎn)生大量的微裂紋，如圖4所示。

圖3 高頻封接工藝光窗形貌圖

圖4 高頻封接工藝光窗微觀形貌圖

根據(jù)格里菲斯的脆性斷裂理論[3]，玻璃破壞時是從表面微裂紋開始，隨著裂紋逐漸擴展，導(dǎo)致整個玻璃的破裂。本部分主要結(jié)合工藝，對裂紋形態(tài)進行建模，分析其對抗過載值的影響。

圖5為MBCY009-W8W局部封接工藝生產(chǎn)的管帽在拋光后產(chǎn)生的裂紋模型，其受熱區(qū)域在Ф3.00mm～Ф5.00 mm之間的區(qū)域，在通過孔的中心區(qū)域，光窗仍然保持原有的狀態(tài)，而后續(xù)經(jīng)過化學(xué)拋光后，假定其寬度為w，深度為h，將上述模型導(dǎo)入ANSYS的LS-DYNA中分析后，結(jié)果見表2和表3，圖6～9為裂紋對最大應(yīng)力及最大應(yīng)變的影響曲線。

圖5 裂紋簡化模型

表2 微裂紋寬度對最大應(yīng)力和應(yīng)變的影響

表3 微裂紋深度對最大應(yīng)力和應(yīng)變的影響

圖6 金屬帽的最大應(yīng)力圖

圖7 金屬帽的最大應(yīng)變圖

圖8 光窗的最大應(yīng)力圖

圖9 光窗最大應(yīng)變圖

從表2和圖8的結(jié)果來看，光窗的裂紋較深和較大時，其仿真結(jié)果的最大應(yīng)力可達11.942 MPa，超過DM305材料自身的斷裂強度10 MPa的極限值。裂紋的深度和寬度對最大應(yīng)力和最大應(yīng)變影響較明顯，且當(dāng)裂紋的深度和寬度達到一定值后，其最大應(yīng)力和最大應(yīng)變值呈指數(shù)式增長，這種情況非常不利于管帽的抗高過載沖擊過程，因此應(yīng)嚴(yán)格控制局部封接工藝過程中微裂紋的增長。

3.2 高溫封接工藝

高溫封接工藝是通過金屬氧化后與光窗玻璃在高溫下發(fā)生反應(yīng)實現(xiàn)氣密性封接。通常情況下，玻璃材料在升溫過程中邊角先受熱軟化，進而縮成球面。在高溫封接工藝過程中，玻璃光窗與管帽均是整體受熱升溫，在高溫下玻璃與管帽金屬的表面氧化物發(fā)生浸潤現(xiàn)象，形成一定的結(jié)合力，同時在表面張力和重力的合力作用下拉扯形成具有一定平面度的平窗管帽，其過程見圖10。由于高溫封接在鏈?zhǔn)綘t中進行，其溫度曲線見圖11，從圖11中可以看出，在降溫過程中有退火工藝，即600℃保溫15 min，后面降溫速率≤15℃/min，這樣去除了殘余應(yīng)力，且封接區(qū)域接觸良好，可保持較高的可靠性和耐沖擊性能。對光窗最終的形變進行建模，將模型導(dǎo)入ANSYS的LS-DYNA中分析后，結(jié)果見表4。

圖10 高溫封接光窗變化過程

圖11 高溫封接溫度曲線圖

表4 高溫封接對最大應(yīng)力和應(yīng)變的影響

從表4中可以看出，高溫封接對最大應(yīng)力和最大應(yīng)變值影響較小，這是因為在高溫封接過程中，玻璃雖然出現(xiàn)了“減薄”現(xiàn)象，強度下降，但是玻璃在冷加工過程中產(chǎn)生的微裂紋經(jīng)過高溫后二次融化結(jié)晶被消除，其抗沖擊強度恢復(fù)到玻璃本體的強度。因此，高溫封接工藝對光窗抗沖擊強度的影響低于局部封接工藝，其抗沖擊的強度較好。

3.3 低溫釬焊封接工藝

低溫釬焊封接工藝是靠金錫低溫金屬合金焊料為介質(zhì)的焊接封裝技術(shù)[4]，需要對金屬帽進行鍍鎳-金和光窗局部金屬化。金屬帽的鎳層厚度約5 μm，金層厚度約0.8 μm。光窗的金屬化是在光窗封接區(qū)域制作鉻-鎳-金的金屬化層來實現(xiàn)的，其中鉻厚度約200 nm，鎳約200 nm，金約100 nm，一般采用鉻作為底層，鎳作為過渡層，金作為焊接層。鉻的機械性能良好，蒸發(fā)在加熱的基底上的鉻膜與DM305玻璃結(jié)合得非常牢固，但鉻膜在空氣中非常容易氧化，形成致密的鈍化層，不利于金錫焊料的浸潤，因此鉻只能作為金屬化的基層，用于提高金屬化薄膜對基材的附著力；金的性質(zhì)特別穩(wěn)定，質(zhì)地較軟，對基底的附著力較差，但不易被氧化，且具有較強的擴散能力，在加熱狀態(tài)下可以與金錫焊料相互擴散，在較低的溫度下實現(xiàn)封接；為了提高金屬化層中金的穩(wěn)定性，抑制金向鉻中的擴散，消除金鉻膨脹系數(shù)巨大的差異，采用鎳作為金鉻之間的過渡層，減小應(yīng)力影響，提高金屬化層的牢固性，提高封接可靠性。

在低溫釬焊過程中，由于DM305光窗材料在整個工藝過程中僅承受400℃以下的溫度，光窗無形變，如圖12所示，在后續(xù)工藝過程中不會有應(yīng)力引入，且光窗材料本體也不受影響，其自身的強度和平面度不受工藝的影響。在低溫釬焊時，采用真空釬焊可以有效減少封接區(qū)域的孔洞率，增強結(jié)合力，見圖13。根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時考慮到過載值較高，因此金屬化的區(qū)域設(shè)計為單邊0.60 mm，將模型導(dǎo)入ANSYS的LS-DYNA中分析后，結(jié)果見表5。

圖12 低溫軟釬焊工藝光窗形貌圖

圖13 低溫軟釬焊工藝光窗微觀形貌

表5 低溫釬焊對最大應(yīng)力和應(yīng)變的影響

從表5中可以看出，低溫封接工藝最大應(yīng)力和最大應(yīng)變值影響最小。在低溫焊接時，焊接溫度為360℃，未達到DM305玻璃720℃的軟化點，焊接后光窗本體沒有變薄的現(xiàn)象，可達到加工時的“純平”狀態(tài)。在焊接時，金錫焊料與光窗表面的金屬化層采用離子鍵結(jié)合，其強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于共價鍵結(jié)合的方式，其抗沖擊載荷的能力較好。

4 試驗結(jié)果

4.1 試樣制備及篩選

根據(jù)上述三種工藝，我們制作了三種工藝下的MBCY009-W8W產(chǎn)品各5只，外觀符合GJB548B-2005的相關(guān)要求，且氣密性≤1×10-9Pa·m3/s。在篩選外觀時，采用20倍顯微鏡下鏡檢，將有裂紋、氣泡的或者焊接區(qū)域有縫隙、空洞的篩選出來，采用外觀質(zhì)量較好的樣品來進行機械沖擊試驗。

4.2 試驗結(jié)果

根據(jù)光電器件外殼使用需求情況，參照GJB548B-2005中方法2002.1進行機械沖擊試驗。將三種工藝制作的各5只樣品裝夾至專用沖擊夾具中，分別進行軸向和徑向的機械沖擊試驗，脈沖寬度0.12ms，沖擊次數(shù)一次，機械沖擊臺為美國LAB設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SD-16型沖擊試驗機。試驗后以光窗是否碎裂以及氣密性是否滿足要求作為判斷依據(jù)。結(jié)果見表6。

根據(jù)表6的結(jié)果來看，采用局部封接工藝的樣品可承受20000 g的機械沖擊載荷，采用高溫封接工藝的樣品可承受25000 g的機械沖擊載荷，而采用低溫釬焊封接工藝的樣品可滿足30000 g的機械沖擊要求，因此，對于抗強沖擊的產(chǎn)品來說，低溫釬焊封接工藝較其他兩種工藝更有優(yōu)勢。

表6 機械沖擊試驗結(jié)果

5 結(jié)束語

本文針對局部封接工藝、高溫封接工藝、低溫釬焊封接工藝三種封接工藝對抗過載能力進行分析研究，通過試驗驗證得出：對于同種尺寸的DM305光窗材料來說，局部封接工藝由于“減薄”現(xiàn)象和微裂紋，其抗高過載能力較差；高溫封接工藝過程中，光窗自身的表面張力將光窗“拉平”，光窗變薄，但二次融化結(jié)晶又恢復(fù)了玻璃本體的原始狀態(tài)，其抗高過載能力較好；低溫封接工藝用金錫焊料將光窗和管帽結(jié)合，結(jié)合力較強，且未受工藝影響，即光窗玻璃本體未受到影響，沒有變形、缺損或者裂紋，因此其抗高過載能力最好。

[1]李成濤，沈卓身.光電光窗的封接技術(shù)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33(2):102-105.

[2]電真空玻璃牌號命名方法和主要技術(shù)數(shù)據(jù)[S].1984年10月.

[3]趙書華，宋春玲.金屬與玻璃封接工藝的研究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，(1):85-87.

[4]姚立華，吳禮群，蔡昱，等.采用金錫合金的氣密性封裝工藝研究[J].電子工藝技術(shù)，2010，31(5):267-270.

[5]郝清月.金屬材料缺陷金相檢測實例及金相檢測圖譜[M].北京:中國知識出版社，2006：1461-1462.

楊 拓（1984—），男，陜西渭南人，碩士學(xué)歷，工程師，現(xiàn)就職于中國電子科技集團重慶聲光電有限公司，主要從事光電子金屬外殼封裝的設(shè)計與工藝研究。

Research on Improving the Anti Shock Ability of Photoelectric Shell with Light Window

YANG Tuo,JIANG Defeng,WANG Binbin
（Chongqing Acoustic-Optic-Electronic Co.Ltd.,Chongqing 400060,China）

The paper explores how to improve the anti strong shock capability of the photoelectric shell with light window through the comparison of the three sealing technology.The finite element software ANSYS is used to analyze the influence of local sealing technology,high temperature sealing technology and low temperature brazing technologyof MBCY009-W8W and micro crack against strong shock.Combining the way 2002.1 of GJB548B-2005,the mechanical impact experiments on samples are conducted.The experiment results show the low temperature brazing process can well meet the requirements of strong shock.The research hasprovedofgreatuse andvalue inthe opticalwindowsealwithstrongimpactloadingrequirement.

localsealingtechnology;high temperature sealingtechnology;low temperature sealingtechnology;the antistrongshockcapability

TN305.94

A

1681-1070（2017）11-0001-05

2017-08-02