Получение металлостеклянных спаев в конвейерных печах

пайка оплавлением в печах Hengli Eletek
Рис. 1
Металло-стеклянные спаи
Свойства стекла при определённых условиях позволяют получать качественные соединения с широким спектром различных металлов и их сплавов. Это позволяет применять такие соединения в различных современных и перспективных технологиях.

Среди таких технологий – получение металлостеклянных спаев (glass-to-metal seal, GTMS). В настоящее время металлостеклянные спаи широко используются в качестве недорого надёжного метода герметизации в производстве широкой номенклатуры изделий. Спаи формируются за счёт процесса сплавления - стекло нагревается до состояния расплава и формирует соединение с металлом. Соединение образуется через реакцию смачивания и химические процессы. Стекло в данном случае выступает в качестве изолятора между штыревыми контактами и корпусом.

Технология GTMS имеет множество преимуществ, среди которых, эффективная герметизация и хорошая стойкость к жестким условиям эксплуатации - стойкость к коррозии, вибрациям, большим флуктуациям температуры. Это позволяет надежно защитить компоненты, расположенные в подобных корпусах.

Применение металлостеклянных спаев:

  • Корпуса для электроники и фотоники
  • Корпуса для датчиков и медицинских изделий
  • Высоковакуумные корпуса
Существуют два основных метода получения герметичного металлостеклянного соединения – компрессионное уплотнение и согласованный спай.

Метод компрессионного уплотнения основан на приложении концентрического сжимающего усилия на стекло в определённом температурном диапазоне с учетом температурного коэффициента расширения металла и стекла.

Метод формирования согласованного спая, в основном, используется для получения герметичного соединения сплава Fe-Ni-Cr (Fe:54%, Ni:28%, Cr:18%), известного как ковар, со стеклом. Коэффициенты термического расширения ковара и стекла совпадают в широком диапазоне температур. Согласованный спай может использоваться для формирования разнообразных контактов, с относительно небольшими ограничениями по их форме. Такой спай обеспечивает высокую герметичность и эффективную электрическую изоляцию.

Таким образом, для большинства применений, от ламп накаливания, до корпусов для электроники, используется метод формирования согласованного спая для получения металлостеклянных соединений.
пайка оплавлением в печах Hengli Eletek
Рис. 2
Поперечное сечение GMTS
1. Процесс формирования металлостеклянного спая

Стандартный металлостеклянный спай состоит из следующих элементов:

  • металлическая заготовка с отверстием
  • штыревой проводник в центре отверстия металлической заготовки
  • предварительно формованный кусок стекла для заполнения пространства между проводником и металлической заготовкой

В процессе производства эти три компонента позиционируются в специальной оснастке, которая фиксирует их в необходимом положении. Далее они собираются вместе со стеклом в форме небольших частей. Собранные компоненты загружаются в конвейерную печь с поддержанием защитной атмосфере в рабочей зоне. Пока компоненты перемещаются по конвейеру в печи, они нагреваются до необходимых температур, при этом происходит размягчение стекла в необходимом объёме
пайка оплавлением в печах Hengli Eletek
Рис. 2
Загрузка собранных компонентов в конвейерную печь
При температуре формирования спая, стекло расплавляется и плавно растекается, заполняя пустоты между штыревым проводником и металлической заготовкой, и образует герметичную изоляцию. Затем сформированное соединение охлаждается.

Температура технологического процесса должна жестко контролироваться для получения продукции высокого качества. Важным моментом является сохранение оптимальной текучести стекла, стекло не должно стать слишком жидким или слишком густым.

Для обработки партий мелких деталей в одном технологическом цикле могут использоваться специальные поддоны (лотки). Данный процесс является практически непрерывным, продвигаясь по печи, температура постепенно изменяется.

2. Свойства стекла для процесса получения металлостеклянных спаев.

На качество полученных металлостеклянных спаев сильно влияет качество используемого в техпроцессе стекла. В данном случае две наиболее важные характеристики стекла – это механическая прочность и вязкость.

Истинная прочность стекла очень высока и это подкрепляется экспериментальными доказательствами. Стекло при комнатной температуре - это фактически вязкий материал, не имеющей точных температур плавления. С увеличением температуры вязкость стекла снижается и эта зависимость близка к экспоненциальной. Наиболее важный температурный интервал снижения вязкости находится между 500оС и комнатной температурой. В связи с такими свойствами стекла, прецизионный нагрев зон в конвейерной печи является очень важным фактором.

Объёмное удельное сопротивление стекла при комнатной температуре широко варьируется в диапазоне от 106 до 1017 Ом*м в зависимости от его состава. В течении процесса получения GTMS, удельное сопротивление стекла уменьшается с ростом температуры. Таким образом, это так же необходимо учитывать при настройке температурного режима в печи.

3. Улучшение качества металлостеклянных спаев посредством контроля техпроцесса в печи.

Главной целью производства металлостеклянных спаев является получения стабильного прочного изделия, которое будет сохранять свою герметичность в течении всего жизненного цикла. Герметичные и прочные металлостеклянные спаи обеспечивают надежность работы компонентов и помогают предотвратить их выход из строя. Достижение лучшей герметичности GMTS и получение изделий более высокого качества напрямую зависит от точности контроля рабочей атмосферы в печи.

Из проведенных ранее исследований рекомендуется формирование однородного остаточного окисла толщиной 2,0-6,5мкм на межфазной границе метал-стекло для дальнейшего получения качественного металлостеклянного соединения. Формирование этого окисного слоя зависит от процесса предварительного окисления, на который в свою очередь, особое влияние оказывает соотношение H2 и N2 в технологическом процессе. Поскольку, предварительное окисление важный фактор для процесса герметизации, в конвейерной печи должен быть реализован прецизионный контроль концентрации увлажненной газовой смеси H2 - N2. Такой контроль обеспечивает стабильное формирование оксидного слоя.

Схематическое изображение системы контроля рабочей атмосферы конвейерной печи показано на Рис. 3:
пайка оплавлением в печах Hengli Eletek
Рис. 3
Схема создания рабочей атмосферы H2 - N2 в конвейерной печи
Высокоточное смешивание газов в печи позволяет воспроизводимо формировать оксидную плёнку желаемой глубины в заданных пределах. Подобрав оптимальную смесь H2 и N2 можно добиться стабильного получения герметичных соединений.

Это основа производства высоконадежных согласованных спаев, удовлетворяющих современным технологическим требованиям.


пайка оплавлением в печах Hengli Eletek
Рис. 3
Конвейерная печь для получения металлостеклянных спаев в защитной атмосфере Hengli Eletek HSA1508-0611NH
4. Конвейерная печь для получения металлостеклянных спаев

Конвейерные печи с защитной атмосферой серии HSA разработаны для процессов получения металлостеклянных спаев. Печи комплектуются системой компьютерного управления и системой температурного профилирования. Высокоточная система контроля содержания кислорода и система контроля точки росы позволяют осуществлять прецизионный контроль рабочей атмосферы (водород, азот, кислород).

Для охлаждения изделий в печи используется водяное и воздушное охлаждение. В стандартной комплектации печь оснащена системой щеточной очистки конвейерной ленты, опционально возможна комплектация УЗ системой очистки.

Благодаря высокоточному контролю газовой атмосферы, высокой однородности рабочей температуры ±2оС, высокой стабильности поддержания температуры ±1оС и другим параметрам, печи Hengli Eletek серии HSA являются надёжным и проверенным Заказчиками по всему миру, решением для получения металлостеклянных спаев.