海 洋

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

研究與試制

Ni-Ti基合金機(jī)械氣密封裝方法研究

海 洋

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

研究發(fā)現(xiàn)Ni-Ti合金能夠在電子組件機(jī)械氣密封裝領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。為此，開展了某型Ni-Ti基合金機(jī)械氣密封裝方法研究，并在行業(yè)內(nèi)首次設(shè)計(jì)了Ni-Ti基合金機(jī)械氣密封裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含某型Ni-Ti基合金環(huán)、銷釘柱和腔體壁。通過開展厚度分別為2.0，1.5，1.0，0.5和0.25 mm腔體壁的Ni-Ti基合金樣件氣密封裝和環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證后，表明：基于Ni-Ti基合金的機(jī)械氣密封裝方法切實(shí)可行，工藝實(shí)現(xiàn)難度不大。其中，腔體壁厚為0.5 mm和0.25 mm的銷釘柱氣密性最容易滿足GJB548B—2005的驗(yàn)收要求，且成品率可達(dá)100%。

Ni-Ti基合金；機(jī)械氣密封裝；合金環(huán)；方法；熱處理；電子封裝

迄今為止，已發(fā)現(xiàn)具有“熱縮冷脹”效應(yīng)的合金有數(shù)十種之多，其中具有應(yīng)用前景的主要有：Ni-Ti基合金、銅基合金、Fe-Mn-Si基合金。Ni-Ti基合金兼具強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐疲勞、和生物相容性優(yōu)良、恢復(fù)加熱溫度低于100 ℃等優(yōu)點(diǎn)，因此在機(jī)械、化工、交通運(yùn)輸、日常生活品等多個領(lǐng)域已得到應(yīng)用[1-4]，例如工作壓力34.3 MPa以下的管路系統(tǒng)[5-9]、自適應(yīng)技術(shù)研究[10-14]等。

工程上，微波組件的設(shè)計(jì)和工藝除了要實(shí)現(xiàn)接插件和腔體氣密外，還需要解決螺釘裝配后的密封問題。而現(xiàn)有在螺釘四周加密封墊圈或灌封膠等方式，只能在短期內(nèi)保障組件的水密或氣密，但在高溫高濕的作用下，組件的長期密封性能得不到保障，進(jìn)而威脅軍用電子產(chǎn)品的可靠性。這一突出的技術(shù)問題目前已成為制約微波組件氣密封裝的瓶頸。因此，必須找出有效的方法，以解決諸如螺釘?shù)葯C(jī)械氣密封裝難題。為此，本文應(yīng)用了一種新材料—Ni-Ti基合金，并創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，利用“熱縮冷脹”原理，通過Ni-Ti基合金環(huán)擠壓銷釘柱以實(shí)現(xiàn)氣密封裝。該研究在行業(yè)內(nèi)尚屬首次。

選用Ni-Ti基合金作為研究對象，通過機(jī)械加工成型，開展厚度分別為2.0，1.5，1.0，0.5和0.25 mm腔體壁的 Ni-Ti基合金樣件氣密封裝試驗(yàn)，結(jié)果表明：在Ni-Ti基合金環(huán)的強(qiáng)收縮下，腔體壁必須足夠薄，才能被合金環(huán)收緊，從而達(dá)到氣密效果。但腔體壁不能太薄，以免強(qiáng)度不夠而造成失效。所以腔體壁厚和合金環(huán)尺寸配比是技術(shù)能否成功的關(guān)鍵。參照GJB150.5A—2009和GJB150.16A—2009，對封裝好的樣件做了溫沖和振動環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：壁厚分別為0.5 mm和0.25 mm腔體壁的Ni-Ti基合金樣件滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)參照GJB548B—2005對樣件進(jìn)行氣密檢測，檢測結(jié)果滿足GJB548B—2005關(guān)于特定密封體積漏率＜10–7(Pa·m3)/s的要求，說明該機(jī)械氣密封裝方法切實(shí)可行，且成品率可達(dá)100%。

1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)銷釘柱密封的基本原理，以及實(shí)際密封的腔體熱膨脹系數(shù)與Ni-Ti基合金之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了兩種連接方案。

1）腔體材料熱膨脹系數(shù)大于等于Ni-Ti基合金的方案。

簡單的方案是直接采用單一的脹柱，即圖1的方式。加熱后，脹柱恢復(fù)，使腔體產(chǎn)生彈性變形，實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封。當(dāng)腔體熱膨脹系數(shù)大于Ni-Ti基合金時(shí)，加熱后冷卻時(shí)腔體的收縮大于脹柱，密封性能會增加。當(dāng)溫度再次升高到某一溫度時(shí)，密封恢復(fù)到加熱后的水平?？紤]循環(huán)時(shí)可能會引入塑性變形，密封會有降低，需要做多次循環(huán)后的密封性能測試。

圖1 腔體熱膨脹系數(shù)大于等于Ni-Ti基合金的方案Fig.1 Scheme of cavity CTE greater than or equal to Ni-Ti alloys

2）腔體材料熱膨脹系數(shù)小于Ni-Ti基合金的方案。

當(dāng)腔體熱膨脹系數(shù)小于Ni-Ti基合金時(shí)，加熱后冷卻時(shí)腔體的收縮小于脹柱，密封性能會下降甚至在某個溫度以下失效，不能采用圖1的簡單方案。必須采用Ni-Ti基合金環(huán)和銷釘柱密封的組合方式，見圖2。銷釘柱可以選擇與蓋板相同或熱、機(jī)械特性相近的材料。冷熱循環(huán)過程中，銷釘柱與腔體的收縮和膨脹一致，密封性能不發(fā)生改變。

圖2 腔體熱膨脹系數(shù)小于Ni-Ti基合金的方案Fig.2 Scheme of Ni-Ti alloys greater than cavity CTE

根據(jù)以上兩種方案，并鑒于研究的對象為熱膨脹系數(shù)小于Ni-Ti基合金的鋁合金材料，所以確定第二方案實(shí)施研究。

2 樣件設(shè)計(jì)及加工

由于 Ni-Ti基合金氣密封裝主要依靠部件之間的壁面摩擦來實(shí)現(xiàn)的，所以要求Ni-Ti基合金封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須合理，且完成加工后的裝配精度要高，這無疑增加了研究難度。然而，通過探索和研究，實(shí)現(xiàn)了圖3所示的Ni-Ti基合金的氣密封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而該封裝結(jié)構(gòu)的尺寸具體是由Ni-Ti合金環(huán)的尺寸來決定的，如圖4所示。

圖3 Ni-Ti基合金氣密封裝結(jié)構(gòu)Fig.3 Hermetic packaging structure based on Ni-Ti alloys

圖4 封裝樣件（總體尺寸：34 mm×34 mm×20 mm）Fig.4 Package samples

3 試驗(yàn)

3.1 封裝

試驗(yàn)?zāi)康模禾剿骱辖瓠h(huán)、腔體壁與銷釘柱的尺寸配比，找出合適的尺寸，確保封裝后的氣密達(dá)到GJB548B的要求。

工藝條件：安裝 Ni-Ti基合金環(huán)和銷釘柱到圖 5中指定位置，然后將樣件放入烘箱內(nèi)，設(shè)定某一溫度值。當(dāng)溫度達(dá)到該溫度值時(shí)，Ni-Ti基合金環(huán)收縮，壓縮圖中腔體壁，從而擠壓銷釘柱，最終實(shí)現(xiàn)氣密封裝。

圖5 Ni-Ti基合金封裝樣件Fig.5 Package sample based on Ni-Ti alloy

經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定了合金環(huán)和銷釘柱的尺寸。通過優(yōu)化腔體壁厚，找出了最合理的氣密封裝結(jié)構(gòu)，隨后進(jìn)行了相關(guān)密封試驗(yàn)，并參照GJB548B—2005方法1014.2《密封》3.2.5失效判據(jù)（漏率＜10–7(Pa·m3)/s視為滿足要求），對封裝后的樣件進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏（充氦加壓時(shí)間：4 h，壓力0.3 MPa），檢漏合格的即滿足成品率要求。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 腔體不同壁厚樣件的成品率Tab.1 Yields of different cavity wall thicknesses

試驗(yàn)結(jié)果顯示：腔體壁厚度為2 mm的封裝樣件氣密均達(dá)不到GJB548B的要求，即成品率為0，這是因?yàn)楫?dāng)腔體壁厚為2 mm時(shí)，Ni-Ti合金環(huán)收縮產(chǎn)生的壓力不足以使腔體壁產(chǎn)生足夠的形變，從而將銷釘柱緊緊擠壓以實(shí)現(xiàn)氣密。因此，這意味著：當(dāng)腔體壁厚大于等于2 mm時(shí)，是不能滿足氣密封裝要求的。而當(dāng)壁厚為1.5 mm和1 mm時(shí)，Ni-Ti合金環(huán)收縮產(chǎn)生的壓力會隨機(jī)性地滿足氣密封裝要求，因而成品率極低，僅有 25%。這種隨機(jī)性的結(jié)果很可能跟腔體壁面和 Ni-Ti合金環(huán)的表面加工精度有較大的關(guān)系。當(dāng)腔體壁厚分別為0.5 mm和0.25 mm時(shí)，Ni-Ti合金環(huán)收縮產(chǎn)生的壓力足以使腔體壁產(chǎn)生足夠的變形，并將銷釘柱強(qiáng)烈擠壓，從而實(shí)現(xiàn)氣密。因此，這兩種尺寸的樣件成品率可達(dá)100%。實(shí)際使用時(shí)，推薦腔體壁厚分別為 0.5 mm和 0.25 mm兩種尺寸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)樣件：腔體壁厚分別為0.5 mm和0.25 mm的樣件各1套。如圖6所示。

圖6 環(huán)境試驗(yàn)樣件Fig.6 Test samples of evironment

(a) 溫度沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度：–55～ +85 ℃；

試驗(yàn)溫度保持時(shí)間：1 h或直至試驗(yàn)樣品達(dá)到溫度穩(wěn)定；

轉(zhuǎn)換時(shí)間：不大于5 min；

循環(huán)次數(shù)：10次

試驗(yàn)方法按GJB150.5A—2009規(guī)定執(zhí)行

(b) 機(jī)載振動試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：x、y、z方向各1 h。

振動試驗(yàn)譜值見表2所示。

試驗(yàn)方法按GJB150.16A—2009規(guī)定執(zhí)行。

環(huán)境試驗(yàn)后的檢漏結(jié)果顯示：經(jīng)過溫沖和振動試驗(yàn)后的樣件，參照GJB548B—2005標(biāo)準(zhǔn)中方法第1014.2《密封》，3.2.5的失效判據(jù)，測得樣件的氣密指標(biāo)沒有實(shí)質(zhì)性變化，仍能滿足上述漏率＜10–7（Pa·m3）/s的要求，說明該機(jī)械氣密封裝方法穩(wěn)定可靠，能夠滿足環(huán)境適應(yīng)性要求。

表2 振動試驗(yàn)譜值Tab.2 Vibration test spectrum values

4 結(jié)論

將 Ni-Ti基合金材料用于組件的氣密封裝結(jié)構(gòu)中，并創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了某型Ni-Ti基合金機(jī)械氣密封裝結(jié)構(gòu)，通過各項(xiàng)試驗(yàn)證明了該Ni-Ti基合金機(jī)械氣密封裝方法切實(shí)可行，工藝實(shí)現(xiàn)難度不大，且能夠滿足特定環(huán)境的使用要求。

另外，通過開展厚度分別為2.0，1.5，1.0，0.5和0.25 mm腔體壁的Ni-Ti基合金樣件氣密封裝試驗(yàn)，表明在Ni-Ti基合金環(huán)的強(qiáng)收縮下，腔體壁必須足夠薄，才能被收緊，從而達(dá)到氣密效果。但腔體壁不能太薄，以免強(qiáng)度不夠而造成失效，所以腔體壁厚和 Ni-Ti基合金環(huán)尺寸配比是技術(shù)能否成功實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。因此，推薦腔體壁厚度分別為0.5 mm和0.25 mm的兩種結(jié)構(gòu)形式。

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（編輯：陳渝生）

Study of mechanical hermetic encapsulation method of Ni-Ti alloys

HAI Yang
(No.10 Research Institute, China Electronic Technology Group Corporation, Chengdu 610036, China)

Recent studies show that Ni-Ti alloys play an important role in the field of electronic components mechanical hermetic packaging (MHP). For this purpose, the study of MHP method of Ni-Ti alloys was discussed. An innovative design based on a certain type of Ni-Ti alloys was proposed. It includes a certain type Ni-Ti alloy ring, stainless steel column and cavity wall. Process tests and environment tests on cavity wall samples of the thickness with 2.0, 1.5, 1.0, 0.5 and 0.25 mm were conducted. Results show that MHP method based on Ni-Ti alloy is feasible and the implement of this technology is not difficult. Thicknesses of 0.5 mm and 0.25 mm cavity hermeticity is be easily to meet the criteria of GJB548B—2005, and the rate of finished products can be reached 100%.

Ni-Ti alloys; mechanical hermetic encapsulation (MHP); alloy ring; method; heat-treatment; electronic package

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.005

TN605

A

1001-2028（2017）09-0022-04

2017-05-05

海洋（1984－），男，河南洛陽人，工程師，碩士，主要從事微波毫米波組件封裝技術(shù)研究，E-mail: hylx007@163.com 。

時(shí)間：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.005.html