Ni-Ti基合金機械氣密封裝方法研究

海 洋

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

研究與試制

Ni-Ti基合金機械氣密封裝方法研究

海 洋

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

研究發現Ni-Ti合金能夠在電子組件機械氣密封裝領域發揮重要作用。為此，開展了某型Ni-Ti基合金機械氣密封裝方法研究，并在行業內首次設計了Ni-Ti基合金機械氣密封裝結構，該結構包含某型Ni-Ti基合金環、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境試驗驗證后，表明：基于Ni-Ti基合金的機械氣密封裝方法切實可行，工藝實現難度不大。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的驗收要求，且成品率可達100%。

Ni-Ti基合金；機械氣密封裝；合金環；方法；熱處理；電子封裝

迄今為止，已發現具有“熱縮冷脹”效應的合金有數十種之多，其中具有應用前景的主要有：Ni-Ti基合金、銅基合金、Fe-Mn-Si基合金。Ni-Ti基合金兼具強度高、耐腐蝕、耐疲勞、和生物相容性優良、恢復加熱溫度低于100 ℃等優點，因此在機械、化工、交通運輸、日常生活品等多個領域已得到應用[1-4]，例如工作壓力34.3 MPa以下的管路系統[5-9]、自適應技術研究[10-14]等。

工程上，微波組件的設計和工藝除了要實現接插件和腔體氣密外，還需要解決螺釘裝配后的密封問題。而現有在螺釘四周加密封墊圈或灌封膠等方式，只能在短期內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，進而威脅軍用電子產品的可靠性。這一突出的技術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，以解決諸如螺釘等機械氣密封裝難題。為此，本文應用了一種新材料—Ni-Ti基合金，并創新性地設計了一種機械密封結構，利用“熱縮冷脹”原理，通過Ni-Ti基合金環擠壓銷釘柱以實現氣密封裝。該研究在行業內尚屬首次。

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

1 設計方案

根據銷釘柱密封的基本原理，以及實際密封的腔體熱膨脹系數與Ni-Ti基合金之間的關系，設計了兩種連接方案。

1）腔體材料熱膨脹系數大于等于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，使腔體產生彈性變形，實現機械密封。當腔體熱膨脹系數大于Ni-Ti基合金時，加熱后冷卻時腔體的收縮大于脹柱，密封性能會增加。當溫度再次升高到某一溫度時，密封恢復到加熱后的水平。考慮循環時可能會引入塑性變形，密封會有降低，需要做多次循環后的密封性能測試。

圖1 腔體熱膨脹系數大于等于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小于Ni-Ti基合金的方案。

當腔體熱膨脹系數小于Ni-Ti基合金時，加熱后冷卻時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、機械特性相近的材料。冷熱循環過程中，銷釘柱與腔體的收縮和膨脹一致，密封性能不發生改變。

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

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

2 樣件設計及加工

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現的，所以要求Ni-Ti基合金封裝結構設計必須合理，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，實現了圖3所示的Ni-Ti基合金的氣密封裝結構設計，而該封裝結構的尺寸具體是由Ni-Ti合金環的尺寸來決定的，如圖4所示。

圖3 Ni-Ti基合金氣密封裝結構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

3.1 封裝

試驗目的：探索合金環、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到GJB548B的要求。

工藝條件：安裝 Ni-Ti基合金環和銷釘柱到圖 5中指定位置，然后將樣件放入烘箱內，設定某一溫度值。當溫度達到該溫度值時，Ni-Ti基合金環收縮，壓縮圖中腔體壁，從而擠壓銷釘柱，最終實現氣密封裝。

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

經過多次試驗，最終確定了合金環和銷釘柱的尺寸。通過優化腔體壁厚，找出了最合理的氣密封裝結構，隨后進行了相關密封試驗，并參照GJB548B—2005方法1014.2《密封》3.2.5失效判據（漏率＜10–7(Pa·m3)/s視為滿足要求），對封裝后的樣件進行氦質譜檢漏（充氦加壓時間：4 h，壓力0.3 MPa），檢漏合格的即滿足成品率要求。試驗結果如表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

試驗結果顯示：腔體壁厚度為2 mm的封裝樣件氣密均達不到GJB548B的要求，即成品率為0，這是因為當腔體壁厚為2 mm時，Ni-Ti合金環收縮產生的壓力不足以使腔體壁產生足夠的形變，從而將銷釘柱緊緊擠壓以實現氣密。因此，這意味著：當腔體壁厚大于等于2 mm時，是不能滿足氣密封裝要求的。而當壁厚為1.5 mm和1 mm時，Ni-Ti合金環收縮產生的壓力會隨機性地滿足氣密封裝要求，因而成品率極低，僅有 25%。這種隨機性的結果很可能跟腔體壁面和 Ni-Ti合金環的表面加工精度有較大的關系。當腔體壁厚分別為0.5 mm和0.25 mm時，Ni-Ti合金環收縮產生的壓力足以使腔體壁產生足夠的變形，并將銷釘柱強烈擠壓，從而實現氣密。因此，這兩種尺寸的樣件成品率可達100%。實際使用時，推薦腔體壁厚分別為 0.5 mm和 0.25 mm兩種尺寸的設計結構。

3.2 驗證試驗

試驗樣件：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 環境試驗樣件Fig.6 Test samples of evironment

(a) 溫度沖擊試驗

試驗溫度：–55～ +85 ℃；

試驗溫度保持時間：1 h或直至試驗樣品達到溫度穩定；

轉換時間：不大于5 min；

循環次數：10次

試驗方法按GJB150.5A—2009規定執行

(b) 機載振動試驗

試驗條件：x、y、z方向各1 h。

振動試驗譜值見表2所示。

試驗方法按GJB150.16A—2009規定執行。

環境試驗后的檢漏結果顯示：經過溫沖和振動試驗后的樣件，參照GJB548B—2005標準中方法第1014.2《密封》，3.2.5的失效判據，測得樣件的氣密指標沒有實質性變化，仍能滿足上述漏率＜10–7（Pa·m3）/s的要求，說明該機械氣密封裝方法穩定可靠，能夠滿足環境適應性要求。

表2 振動試驗譜值Tab.2 Vibration test spectrum values

4 結論

將 Ni-Ti基合金材料用于組件的氣密封裝結構中，并創新性地設計了某型Ni-Ti基合金機械氣密封裝結構，通過各項試驗證明了該Ni-Ti基合金機械氣密封裝方法切實可行，工藝實現難度不大，且能夠滿足特定環境的使用要求。

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，表明在Ni-Ti基合金環的強收縮下，腔體壁必須足夠薄，才能被收緊，從而達到氣密效果。但腔體壁不能太薄，以免強度不夠而造成失效，所以腔體壁厚和 Ni-Ti基合金環尺寸配比是技術能否成功實現的關鍵。因此，推薦腔體壁厚度分別為0.5 mm和0.25 mm的兩種結構形式。

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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研究，E-mail: hylx007@163.com 。

時間：2017-08-28 11:08

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