趙 璨,楊 斌,劉 森,盧加濤,李 碩

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

引線環(huán)是制冷型紅外探測器(以下簡稱探測器)的電學(xué)接口[1],用于實現(xiàn)探測器與系統(tǒng)的電學(xué)輸入和輸出。目前國內(nèi)外探測器所用引線環(huán)主要有39 pin、41 pin、54 pin、64 pin及72 pin等多種規(guī)格型號,其主要結(jié)構(gòu)形式均為圓環(huán)形。

傳統(tǒng)引線環(huán)主要由上金屬環(huán)、下金屬環(huán)和陶瓷圓環(huán)三部分構(gòu)成(如圖1所示)。陶瓷圓環(huán)上下表面分別布置焊盤及插針;焊盤通過引線與探測器芯片連通,插針與外部的處理電路連通;陶瓷圓環(huán)內(nèi)部布置引線連通焊盤與插針,各引線之間通過陶瓷進行絕緣。上下金屬環(huán)與陶瓷圓環(huán)通常使用銀銅釬料在800 ℃以上高溫釬焊連接,釬焊完成后在金屬環(huán)表面鍍鎳處理,在陶瓷圓環(huán)的焊盤及插針表面鍍鎳-金處理。上下金屬環(huán)與探測器金屬零件焊接實現(xiàn)探測器芯片的封裝。

圖1 傳統(tǒng)引線環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

對于某些探測器,受到與整機耦合的限制,其引線環(huán)需兼具電學(xué)引出與機械定位兩種功能,且定位精度要求高。這類引線環(huán)(如圖2所示)的定位精度要求通常需要達到0.02 mm以內(nèi)。傳統(tǒng)的引線環(huán)在制備工藝過程中,金屬環(huán)經(jīng)過機械加工、高溫釬焊、電鍍等多道工藝。高溫釬焊過程中焊接熱應(yīng)力會導(dǎo)致母材發(fā)生形變,因此成為影響引線環(huán)尺寸精度的重要原因,其尺寸精度只能達到0.1 mm;其次先釬焊后電鍍的工藝順序使引線環(huán)的尺寸精度進一步降低。綜合上述兩個原因,傳統(tǒng)的引線環(huán)難以滿足探測器的高精度定位要求。

圖2 引線環(huán)定位方式示意圖

針對這類探測器,本文設(shè)計一種兼具電學(xué)引出與高精度定位兩種功能的引線環(huán)。改變了傳統(tǒng)引線環(huán)的焊接結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了電學(xué)接口位置的可調(diào)節(jié)。選用金錫釬料在350 ℃以下釬焊引線環(huán)的金屬件與陶瓷件,大幅度降低了高溫釬焊導(dǎo)致的焊接熱應(yīng)力。此外,本文通過研究釬焊溫度和保溫時間對焊縫表面形貌和引線環(huán)漏率的影響,成功制備出高精度引線環(huán)。在保證引線環(huán)電學(xué)性能、力學(xué)性能和密封性能的同時大幅度提高了機械尺寸精度,對探測器杜瓦的精密封裝具有指導(dǎo)意義。

2 引線環(huán)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的引線環(huán)由于其圓環(huán)形的結(jié)構(gòu),插針和焊盤的位置為固定值,難以進行探測器軸向方向的位置調(diào)節(jié)。如圖3所示,本文的引線環(huán)由金屬環(huán)與兩個矩形陶瓷構(gòu)成,金屬環(huán)設(shè)計為法蘭結(jié)構(gòu),用于探測器的安裝與定位,內(nèi)部設(shè)計兩個方形通孔,用于矩形陶瓷的裝配與焊接。矩形陶瓷插入到金屬環(huán)的方形孔中,構(gòu)成十字形焊接接頭。十字形焊接接頭可以通過調(diào)節(jié)矩形陶瓷的上下位置來改變插針和焊盤的位置,以適應(yīng)不同位置的電學(xué)接口。

圖3 引線環(huán)十字形焊接接頭示意圖

為保證釬料熔化后可以通過毛細(xì)作用充分填充到母材間隙之中,矩形陶瓷與金屬環(huán)之間設(shè)計合理的間隙值。

矩形陶瓷的一端為焊盤,側(cè)面設(shè)計為插針,兩者之間的夾角為90°。插針尺寸為標(biāo)準(zhǔn)尺寸,其排列形式為“品字形”分布,橫向間距與縱向間距均為標(biāo)準(zhǔn)間距。焊盤可以通過引線鍵合工藝與內(nèi)部電學(xué)零件連接,插針通過錫焊工藝與外部接插件連接。

綜上,本文的引線環(huán)兼具電學(xué)引出與高精度定位兩種功能,實現(xiàn)了電學(xué)接口位置的可調(diào)節(jié)。

2.2 材料選擇

氧化鋁陶瓷因其高強度、剛度以及良好的電絕緣性能而廣泛應(yīng)用于引線環(huán)的制作當(dāng)中。這種材料已經(jīng)在探測器上已經(jīng)得到過充分驗證,因此本文將矩形陶瓷的材料選定為氧化鋁陶瓷,其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 氧化鋁陶瓷的主要性能參數(shù)[2-3]

金屬環(huán)的可選材料主要有鈦合金、不銹鋼和可伐合金。鈦合金密度低,比強度高,耐腐蝕性好,但焊接性差,難以進行低溫釬焊;不銹鋼強度、剛度高,成本低廉,適用性廣泛;可伐合金具有與氧化鋁陶瓷相近的熱膨脹系數(shù),較高的強度、剛度等優(yōu)點。表2為鈦合金、不銹鋼和可伐合金的熱膨脹系數(shù)和彈性模量,對比幾種材料的熱膨脹系數(shù),可伐合金的熱膨脹系數(shù)與氧化鋁陶瓷極為接近,可以大幅度降低兩者焊接時的熱應(yīng)力,因此金屬環(huán)的材料選取可伐合金。此外,在可伐合金表面鍍鎳以提高引線環(huán)的耐腐蝕性。

表2 幾種材料的性能參數(shù)[3]

3 工藝研究

針對傳統(tǒng)引線環(huán)高溫釬焊過程中焊接熱應(yīng)力導(dǎo)致的形變以及電鍍導(dǎo)致的尺寸精度降低,本文改進引線環(huán)制備的工藝流程,焊接前完成金屬環(huán)的電鍍,之后通過低溫釬焊焊接矩形陶瓷。

金錫釬料是一種共晶釬料,具有對鍍金層無溶蝕、對鍍金層的潤濕性良好、焊接接頭強度高及較低的熔點等一系列優(yōu)點,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高可靠鍍金器件的無釬劑釬焊和氣密性封裝中,其性能參數(shù)如表3所示。本文使用金錫釬料焊接金屬環(huán)與矩形陶瓷,釬料采用的預(yù)成型焊料片。

表3 金錫釬料的主要性能參數(shù)[4]

為增加金錫釬料對母材的浸潤性,金屬環(huán)與矩形陶瓷的焊接接頭處局部鍍金處理。為保證引線環(huán)的定位精度,金屬環(huán)機械加工時預(yù)留出鍍層厚度,然后在金屬環(huán)表面電鍍。

釬焊溫度和保溫時間是影響釬焊焊縫質(zhì)量的重要參數(shù),本文將將釬焊溫度設(shè)為310 ℃和330 ℃,保溫時間設(shè)置在一定區(qū)間內(nèi)。將完成電鍍后的金屬環(huán)、矩形陶瓷和釬料裝配,通過專用夾具固定,放入真空釬焊爐中,焊接溫度曲線如圖4所示。

圖4 引線環(huán)釬焊溫度曲線

圖5為焊接完成后的引線環(huán)。測量引線環(huán)的電學(xué)性能,結(jié)果均滿足引線環(huán)電導(dǎo)通和電絕緣的性能指標(biāo);測量引線環(huán)定位面的尺寸,結(jié)果均滿足精度要求,后面不再贅述。使用光學(xué)顯微鏡拍攝引線環(huán)的釬焊焊縫,觀察焊縫表面形貌;使用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測引線環(huán)的漏率。

圖5 引線環(huán)實物圖

4 結(jié)果與分析

4.1 焊縫表面形貌

不同焊接參數(shù)下的焊縫表面形貌如圖6所示。如圖6(a)～(c)所示,310 ℃時在不同保溫時間下金錫釬料均未順利鋪展,焊縫區(qū)域均存在不同數(shù)量的氣孔。這是因為在真空釬焊爐中熔化釬料所需的熱量主要來源于引線環(huán)的熱傳導(dǎo),焊縫與真空釬焊爐之間存在一定的溫度梯度,在此釬焊溫度下與保溫時間,沒有足夠的熱量傳遞到焊縫處,導(dǎo)致釬料未完全熔化。

圖6 不同焊接參數(shù)下的焊縫表面形貌

330 ℃下保溫不同時間的焊縫表面形貌如圖6(d)～(f)所示,當(dāng)保溫時間不足時,釬料未順利鋪展,焊縫區(qū)域存在一定數(shù)量的氣孔;保溫時間延長一定時間后,焊縫區(qū)域的氣孔消失,釬料在焊縫區(qū)域鋪展均勻、填充飽滿,焊縫形貌良好;隨著保溫時間的繼續(xù)延長,釬料呈現(xiàn)出凝固堆積的現(xiàn)象。圖7為Au-Sn二元相圖,AuSn二元合金在在共晶點附近隨著Au成分的增加,熔點迅速提高。由于保溫時間的延長,鍍金層中的Au擴散至金錫釬料之中,導(dǎo)致釬料的熔點迅速升高凝固,因此保溫時間不宜過長。

圖7 Au-Sn二元合金相圖[5]

根據(jù)上述分析,可以得知在釬焊溫度為330 ℃,保溫時間適中時焊接的引線環(huán)焊縫形貌良好,釬料在焊縫區(qū)域鋪展均勻、填充飽滿,符合設(shè)計預(yù)期。

4.2 引線環(huán)的漏率分析

不同參數(shù)下制備的引線環(huán)的漏率如表4所示,其漏率隨著焊縫質(zhì)量的提高而減小。在釬焊溫度為330 ℃,保溫適當(dāng)時間時的漏率≤10-11atm·cc·s-1,可以滿足探測器的高真空、長壽命密封要求。

表4 引線環(huán)漏率

5 結(jié) 論

本文針對探測器的高精度定位需求設(shè)計了一種新型引線環(huán),并進行了工藝研究,得出以下結(jié)論:

(1)本文的引線環(huán)兼具電學(xué)引出與機械定位兩種功能,在焊接工藝過程中調(diào)節(jié)矩形陶瓷的位置實現(xiàn)電學(xué)接口的位移;

(2)選取具有高強度、低熔點的金錫釬料低溫釬焊引線環(huán)的金屬件與陶瓷件,大幅度降低了熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形;

(3)研究了釬焊溫度和保溫時間對焊縫表面形貌及引線環(huán)漏率的影響,在選擇合適的工藝參數(shù)時獲得表面形貌良好的焊縫,此時引線環(huán)的漏率≤10-11atm·cc·s-1,滿足探測器的密封要求。

(4)在保證引線環(huán)電學(xué)性能、力學(xué)性能和密封性能的同時將引線環(huán)的機械尺寸精度由0.1mm提升至0.02 mm,實現(xiàn)了引線環(huán)的高精度定位功能。