矩形密封連接器制備過程常見問題分析及控制措施

王 永，彭澤輝，孫雪松，胡明興

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 前言

矩形密封連接器一般作為關(guān)鍵零件，主要用于模塊密封、真空和極限溫度等環(huán)境，要求產(chǎn)品具有高的氣密性、高的電絕緣性能、高的可靠性、超微間距和較低的成本。

要滿足高的電絕緣性能，可選的絕緣材料有塑料、玻璃和陶瓷，塑封產(chǎn)品很難保證高的氣密性、耐溫較差，且長時(shí)間使用后，產(chǎn)品容易老化導(dǎo)致性能顯著劣化。陶瓷金屬封接產(chǎn)品很難保證超微間距、且成本較高。采用玻璃金屬封接可以較好的滿足上述指標(biāo)要求。

矩形密封連接器經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后，還需進(jìn)行磨削及電鍍，產(chǎn)品加工工序多，且涉及到兩個(gè)特殊過程，產(chǎn)品合格率較低，僅80%。因此，本文針對(duì)矩形密封連接器制備過程的常見問題進(jìn)行分析，并采取針對(duì)性措施，對(duì)提升產(chǎn)品合格率，減低成本，增強(qiáng)市場競爭力，具有重要意義。

2 制備流程

矩形密封連接器制備流程見圖1，包括金屬零件的預(yù)處理，模具的處理，玻璃珠的設(shè)計(jì)及購買，組裝燒結(jié)，標(biāo)刻，磨削，溫沖，電鍍和性能檢測等幾個(gè)方面。涉及的工序較多，每道工序處理不當(dāng)，都可能導(dǎo)致產(chǎn)品性能批次不合格。

圖1 矩形密封連接器制備流程圖

3 常見問題及控制措施

矩形密封連接器常見的問題有偏心、氣泡、玻璃飛濺、尺寸不良、石墨粘附、標(biāo)刻不良、磨削、電性能不良、鍍后外觀不良和密封性不良等。

3.1 偏心

偏心是矩形密封連接器燒結(jié)后的一個(gè)常見問題，如圖2所示。從產(chǎn)品的中心向兩端偏心程度逐漸增加，且芯數(shù)越大的產(chǎn)品，偏心越嚴(yán)重。導(dǎo)致偏心的原因較多，與材料的熱膨脹特性，模具設(shè)計(jì)，玻璃珠設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等有關(guān)。

圖2 燒結(jié)后出現(xiàn)偏心

在升溫至高溫的過程中，由于外殼金屬材料的線膨脹系數(shù)增加速率比石墨模具快，導(dǎo)致外殼尺寸膨脹增加量比石墨材料大，使外殼與引線發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，在高溫時(shí)由于玻璃處于熔融狀態(tài)，外殼屬于相對(duì)自由膨脹，隨后冷卻時(shí)，由于玻璃冷卻固化，外殼收縮受到阻礙，導(dǎo)致燒結(jié)后偏心。

在模具設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少封接應(yīng)力，防止金屬粘接石墨，模具凸臺(tái)的設(shè)計(jì)尺寸比外殼內(nèi)腔小，模具孔徑比引線直徑大，當(dāng)模具孔徑設(shè)計(jì)尺寸過大或凸臺(tái)外形過小或引線尺寸走下極限時(shí)，組裝后外殼和引線在燒結(jié)過程中，會(huì)在燒結(jié)網(wǎng)帶抖動(dòng)下發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致燒結(jié)后偏心。

為了避免封接氣泡，玻璃珠設(shè)計(jì)外徑尺寸比封接孔內(nèi)徑小，玻珠內(nèi)徑尺寸比引線大，當(dāng)玻璃、引線和外殼孔徑都走極限時(shí)，燒結(jié)后會(huì)偏心。

產(chǎn)品芯數(shù)較多，外殼尺寸較長時(shí)(例如37芯)，燒結(jié)后往往偏心嚴(yán)重，因?yàn)橥鈿は鄬?duì)石墨模具的移動(dòng)量與外殼的長度密切相關(guān)(近似正比關(guān)系)。

當(dāng)以上條件都控制不當(dāng)時(shí)，累計(jì)公差導(dǎo)致的偏心將會(huì)使產(chǎn)品報(bào)廢。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原因?qū)е碌钠?，從工藝角度尚無有效的辦法可以解決，只能通過優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；模具和玻璃珠設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的偏心，可以通過優(yōu)化模具和玻璃珠尺寸，來減少或避免此類因素導(dǎo)致的偏心問題。

3.2 氣泡

氣泡也是矩形密封連接器常見的問題，氣泡大小不一，位置不固定，既有內(nèi)部氣泡也有表面氣泡，如圖3所示。氣泡的產(chǎn)生與玻璃材質(zhì)、玻璃珠的設(shè)計(jì)、封接結(jié)構(gòu)、金屬零件的預(yù)處理、金屬零件的氧化等有關(guān)。

圖3 氣泡

矩形密封連接器的單邊封接厚度較小，僅0.25mm，一般采用透明的玻璃拉管進(jìn)行燒結(jié)，所選用的玻璃管有DM308、7052和RG47，其中DM308和7052封接后氣泡相對(duì)較多，RG47封接后氣泡較少。

當(dāng)設(shè)計(jì)的玻璃珠內(nèi)徑偏小或外徑偏大時(shí)，燒結(jié)后因加熱過程中，玻璃表面升溫快先熔化，與金屬封接后，堵塞了內(nèi)部氣體排出的通道，從而在封接玻璃內(nèi)部形成封閉的單個(gè)大氣泡或密集的連續(xù)的氣泡。

當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的封接高度較高時(shí)，比如2mm或更高時(shí)，因密封連接器的外徑較小，玻璃管都比較薄，在高溫時(shí)軟化速度很快，而玻璃導(dǎo)熱系數(shù)差，表面玻璃先到位軟化后，阻礙內(nèi)部氣體溢出，一般會(huì)導(dǎo)致貫穿的內(nèi)部大氣泡。

玻璃金屬封接前需要對(duì)金屬零件進(jìn)行預(yù)處理，包括除油和凈化。當(dāng)金屬零件除油不徹底時(shí)，封接后往往出現(xiàn)黑色的大氣泡。凈化時(shí)一般采用氫氣保護(hù)，也可采用真空凈化，當(dāng)保護(hù)氣體流量較低、水汽含量較高時(shí)或真空度不足時(shí)，封接后會(huì)產(chǎn)生大氣泡。

玻璃金屬封接前還需要對(duì)金屬進(jìn)行氧化處理，采用不同氣氛氧化，會(huì)得到不同成分的氧化膜，當(dāng)采用N2+H2O氧化時(shí)，氧化膜以四氧化三鐵為主，采用空氣氧化時(shí)，氧化膜以鐵的氧化物為主，為三層氧化膜，不同的氧化膜結(jié)構(gòu)與玻璃的潤濕性不同，當(dāng)四氧化三鐵含量越低，三氧化二鐵的含量越高時(shí)，玻璃與金屬的潤濕角就越小，反之則越大[1]；氧化膜厚度與氧化溫度和氧化時(shí)間有關(guān)，氧化溫度越高，氧化時(shí)間越長，氧化膜越厚。當(dāng)氧化層表面為三氧化二鐵且氧化膜較厚時(shí)，會(huì)導(dǎo)致封接界面產(chǎn)生大氣泡或密集的串狀氣泡。

要減少或避免氣泡，就要保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和玻璃珠設(shè)計(jì)合理，玻璃珠選材適當(dāng)，要嚴(yán)格控制金屬零件的氧化，特別是對(duì)氧化增重的監(jiān)控，Thomas,Ⅲ[2]認(rèn)為最佳的氧化增重為0.02～0.07 mg/cm2。因影響氧化質(zhì)量的因素較多，包括來料質(zhì)量、氧化溫度、氧化時(shí)間、氧化氣氛和裝載量等，在參數(shù)固定的情況下，主要控制來料質(zhì)量和裝載量來保證單位氧化增重。

3.3 玻璃飛濺

玻璃飛濺是指燒結(jié)后附著在引線根部或外殼表面的玻璃細(xì)小玻璃珠，其大小和數(shù)量不固定，如圖4所示。玻璃飛濺與氧化、金屬零件表面狀態(tài)和熔封氣氛等有關(guān)。

圖4 燒結(jié)后附著的玻璃珠

金屬零件氧化越重，玻璃與金屬零件的潤濕就越好，就越容易產(chǎn)生飛濺。在高溫時(shí)，玻璃軟化，有的沿著金屬表面鋪展、反應(yīng)，冷卻后玻璃珠留在金屬表面，形成飛濺，有的因氣泡破裂，導(dǎo)致玻璃子飛濺至金屬表面形成孤立的玻璃子。

金屬表面越粗糙和熔封氣氛氧含量較高時(shí)，封接后容易產(chǎn)生飛濺，這是因?yàn)楸砻嬖酱植?，熔封氣氛氧含量越高，金屬表面在封接前氧化就越重，與玻璃潤濕性就越好，從而導(dǎo)致玻璃飛濺。

要避免或減少玻璃飛濺，就要嚴(yán)格控制氧化質(zhì)量，金屬零件的表面狀態(tài)和熔封氣氛。首檢燒結(jié)若飛濺嚴(yán)重，應(yīng)分析導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生的原因，當(dāng)為氧化過重時(shí)，應(yīng)酸洗凈化后重新氧化；當(dāng)為金屬表面粗糙時(shí)，應(yīng)重新投料；當(dāng)為熔封氣氛不當(dāng)時(shí)，應(yīng)檢查并調(diào)整熔封氣氛。

3.4 尺寸不良

密封連接器燒結(jié)后有時(shí)會(huì)出現(xiàn)尺寸不良，主要是定位端尺寸不良，導(dǎo)致密封連接器尺寸不良的原因包括模具設(shè)計(jì)及加工不合理、模具孔堵塞和網(wǎng)帶抖動(dòng)等。

模具孔徑設(shè)計(jì)或加工過小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致組裝時(shí)，插孔裝不到底，從而導(dǎo)致燒結(jié)后，尺寸高低不平，不滿足圖紙要求；若有石墨顆粒、玻璃子或其他異物掉落在模具孔內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)后個(gè)別尺寸不合格；若燒結(jié)過程中，網(wǎng)帶發(fā)生故障而異常抖動(dòng)時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)后產(chǎn)品尺寸不合格。

要避免或減少尺寸不良，模具應(yīng)設(shè)計(jì)合理，保證孔徑的最小值大于插孔上極限值，在加工模具的過程中，要及時(shí)更換鉆頭，防止因鉆頭磨損導(dǎo)致模具孔徑加工超下限值；在組裝前，應(yīng)先清理模具，對(duì)孔內(nèi)異物進(jìn)行清理或標(biāo)記不使用；在燒結(jié)過程中要隨時(shí)觀察網(wǎng)帶運(yùn)行的狀態(tài)，防止因網(wǎng)帶異常，導(dǎo)致尺寸批次性不合格。

3.5 石墨粘附

密封連接器燒結(jié)后有時(shí)石墨粘接嚴(yán)重，如圖3-4所示。石墨粘接主要與模具設(shè)計(jì)和模具處理有關(guān)。

圖3-4 石墨粘接

玻璃在高溫下為軟化的熔體，在表面張力和潤濕力的作用下發(fā)生流動(dòng)，填充插孔和外殼之間的縫隙從而實(shí)現(xiàn)封接，在流動(dòng)過程中會(huì)與石墨模具表面接觸，將石墨表面的浮動(dòng)雜質(zhì)包裹在玻璃表面，導(dǎo)致燒結(jié)后觀察到明顯的石墨粘接層。在模具設(shè)計(jì)時(shí)，若在模具表面增加一個(gè)小沉孔，則可以明顯減少石墨粘接；新加工的模具目測表面很光滑，燒結(jié)后石墨往往粘接嚴(yán)重，應(yīng)對(duì)模具表面進(jìn)行處理，去除表面疏松層，適當(dāng)增加模具粗糙度，以減少石墨的粘接。因此，要減少或避免石墨粘接，應(yīng)優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，加強(qiáng)模具的預(yù)處理。

3.6 標(biāo)刻不良

矩形密封連接器標(biāo)刻不良包括標(biāo)刻淺、標(biāo)刻深、標(biāo)刻斷字等，主要與零件表面狀態(tài)、操作方法、操作設(shè)備等有關(guān)。

金屬零件表面有油污或雜質(zhì)、設(shè)置功率較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致標(biāo)刻淺或表刻斷字等問題，設(shè)置功率較大或多次標(biāo)刻會(huì)導(dǎo)致標(biāo)刻深，當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，常出現(xiàn)標(biāo)刻斷字。針對(duì)標(biāo)刻淺或斷字的產(chǎn)品需要用砂紙打磨后，重新標(biāo)刻，當(dāng)標(biāo)刻深時(shí)，只能重新投料。

要避免或減少標(biāo)刻不良，應(yīng)加強(qiáng)來料檢驗(yàn)，對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，加強(qiáng)首檢檢驗(yàn)和過程抽檢，防止產(chǎn)品批次性不良。

3.7 磨削不良

矩形密封連接器磨削不良，主要有扁位拉傷、凹坑、扁厚、扁薄、扁長、扁短等，這與燒結(jié)定位尺寸、同軸度、砂輪表面狀態(tài)、磨削進(jìn)給量和磨削速度等有關(guān)。

砂輪粗糙、或磨削進(jìn)給量過大或磨削速度過快，往往會(huì)導(dǎo)致扁傷和凹坑缺陷等缺陷，燒結(jié)偏心時(shí)，會(huì)導(dǎo)致扁厚薄、長短不一致等問題。

因此，要提高產(chǎn)品的磨削質(zhì)量，降低磨削不良，一方面要保證燒結(jié)產(chǎn)品的尺寸和同軸度的一致性，另一方面，要控制好磨削參數(shù)，并及時(shí)修理砂輪。

3.8 電性能不良

矩形密封連接器電性能不良，包括絕緣不良和耐壓不良。電性能不良與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、燒結(jié)和電鍍有關(guān)。

實(shí)踐表明，封接厚度為2mm的產(chǎn)品電性能較差，封接厚度為1.4mm產(chǎn)品電性能相對(duì)較好；當(dāng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品單邊封接厚度較薄時(shí)，往往會(huì)發(fā)生批次性的電性能不良或需要嚴(yán)格的清洗。我公司矩形密封連接器有J30JM系列，J32H/J148系列和J63A系列等，J30JM系列和J32H/J148系列產(chǎn)品由于單邊理論封接厚度只有0.25mm，鍍后容易出現(xiàn)電性能不良問題，J63產(chǎn)品因單邊封接厚度只有0.1mm，鍍后電性能問題更加凸出。

燒結(jié)后若有貫穿氣泡或嚴(yán)重的石墨粘接，往往容易導(dǎo)致耐壓不良，當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)外形較長時(shí)，封接后本身應(yīng)力較大，玻璃表面會(huì)產(chǎn)生微裂紋，鍍后容易導(dǎo)致性能不穩(wěn)定；鍍后清洗不干凈，往往會(huì)導(dǎo)致絕緣批次性不合格，絕緣不穩(wěn)定；若有爬金等缺陷，往往會(huì)導(dǎo)致耐壓不良。

要保證和提高產(chǎn)品的電性能，在設(shè)計(jì)方面應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證合適的封接高度、封接厚度和封接長度；燒結(jié)后應(yīng)避免內(nèi)部貫穿大氣泡和嚴(yán)重的石墨粘接；鍍后加強(qiáng)清洗和酒精煮，以保證產(chǎn)品微縫殘留的鍍液能有效的清除，從而保證產(chǎn)品電性能的問題。

3.9 鍍后外觀不良

矩形密封連接器鍍后外觀不良包括內(nèi)腔缺鍍，起皮，孔黑，鍍層粗糙，金層發(fā)紅和爬金等，這與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，來料質(zhì)量、前處理和電鍍工藝參數(shù)控制不當(dāng)?shù)扔嘘P(guān)。

內(nèi)腔及插孔(深盲孔)因電磁屏蔽效應(yīng)，電鍍質(zhì)量相對(duì)較差，鍍后容易出現(xiàn)缺鍍或起皮，若來料有高溫?zé)Y(jié)后碳化的油污，在前處理時(shí)未清理干凈，或在電鍍過程中陰極不移動(dòng)，電鍍后往往出現(xiàn)批次性不良；鍍層粗糙一方面與基體表面粗糙度有關(guān)，另一方面與電鍍參數(shù)的控制有關(guān)，電流密度過高，金濃度過高，溫度過高或雜質(zhì)含量過高等，都會(huì)導(dǎo)致鍍層粗糙。

要提高鍍后外觀質(zhì)量，要優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免不合理的深盲孔結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)來料檢驗(yàn)，加強(qiáng)電鍍前處理，以及嚴(yán)格控制電鍍工藝參數(shù)等。

3.10 密封性不良

矩形密封連接器鍍后密封性不良，也時(shí)有發(fā)生。密封性與產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、玻璃珠、氧化和電鍍過程等有關(guān)。

實(shí)踐表明，產(chǎn)品芯數(shù)越多，鍍后越容易漏氣，這是因?yàn)樾緮?shù)越多，封接后本身應(yīng)力越大，這種應(yīng)力無法通過去應(yīng)力等后處理方法去除；封接玻璃珠目前主要通過外購，存在批次性不一致的情況，當(dāng)封接玻璃珠比較差時(shí)(因成分波動(dòng)導(dǎo)致玻璃本身封接強(qiáng)度較低或與金屬的潤濕性較差時(shí))容易導(dǎo)致批次性封接不良；當(dāng)氧化不當(dāng)時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品氣密不良；電鍍前處理不當(dāng)，例如噴砂壓力過大，噴砂時(shí)間過長，酸洗時(shí)間過長，清洗時(shí)間過長和鍍后過清洗，都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品密封性不良。

要減少或避免鍍后密封性不良，應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如在封接芯數(shù)較多時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加封接高度和厚度；針對(duì)玻璃珠來料不穩(wěn)定的問題，內(nèi)部應(yīng)建立特種材料入庫檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，保證來料的一致性；燒結(jié)過程應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)氧化；電鍍過程應(yīng)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，最大限度的縮短電鍍流程。

4 結(jié)束語

矩形密封連接器制備過程中常見的問題較多，比如氣泡、飛濺、偏心、石墨粘接、電鍍外觀不良和性能不良等。造成上述缺陷的原因較多，包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、玻璃珠的設(shè)計(jì)、玻璃的材料、模具的設(shè)計(jì)加工和處理、金屬材料的表面狀態(tài)及預(yù)處理、氧化、熔封氣氛、磨削速率和進(jìn)給量、砂輪表面質(zhì)量、電鍍前處理、電鍍的工藝參數(shù)和電鍍后處理等。

要保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注封接高度，封接厚度，封接材料，玻璃珠尺寸和封接芯數(shù)；燒結(jié)工藝重點(diǎn)關(guān)注模具設(shè)計(jì)、預(yù)氧化、封接參數(shù)和砂輪質(zhì)量；電鍍工藝重點(diǎn)關(guān)注前處理、電鍍工藝參數(shù)和后處理。只有上述各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制，才能保證產(chǎn)品的合格率、質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。