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鍵零件，主要用于模塊密封、真空和極限溫度等環境，要求產品具有高的氣密性、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，塑封產品很難保證高的氣密性、耐溫較差，且長時間使用后，產品容易老化導致性能顯著劣化。陶瓷金屬封接產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要求。

矩形密封連接器經過高溫燒結后，還需進行磨削及電鍍，產品加工工序多，且涉及到兩個特殊過程，產品合格率較低，僅80%。因此，本文針對矩形密封連接器制備過程的常見問題進行分析，并采取針對性措施，對提升產品合格率，減低成本，增強市場競爭力，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，包括金屬零件的預處理，模具的處理，玻璃珠的設計及購買，組裝燒結，標刻，磨削，溫沖，電鍍和性能檢測等幾個方面。涉及的工序較多，每道工序處理不當，都可能導致產品性能批次不合格。

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后的一個常見問題，如圖2所示。從產品的中心向兩端偏心程度逐漸增加，且芯數越大的產品，偏心越嚴重。導致偏心的原因較多，與材料的熱膨脹特性，模具設計，玻璃珠設計以及產品的結構特點等有關。

圖2 燒結后出現偏心

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

在模具設計時，為了減少封接應力，防止金屬粘接石墨，模具凸臺的設計尺寸比外殼內腔小，模具孔徑比引線直徑大，當模具孔徑設計尺寸過大或凸臺外形過小或引線尺寸走下極限時，組裝后外殼和引線在燒結過程中，會在燒結網帶抖動下發生移動，導致燒結后偏心。

為了避免封接氣泡，玻璃珠設計外徑尺寸比封接孔內徑小，玻珠內徑尺寸比引線大，當玻璃、引線和外殼孔徑都走極限時，燒結后會偏心。

產品芯數較多，外殼尺寸較長時(例如37芯)，燒結后往往偏心嚴重，因為外殼相對石墨模具的移動量與外殼的長度密切相關(近似正比關系)。

當以上條件都控制不當時，累計公差導致的偏心將會使產品報廢。產品結構原因導致的偏心，從工藝角度尚無有效的辦法可以解決，只能通過優化產品設計結構；模具和玻璃珠設計不合理導致的偏心，可以通過優化模具和玻璃珠尺寸，來減少或避免此類因素導致的偏心問題。

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，既有內部氣泡也有表面氣泡，如圖3所示。氣泡的產生與玻璃材質、玻璃珠的設計、封接結構、金屬零件的預處理、金屬零件的氧化等有關。

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行燒結，所選用的玻璃管有DM308、7052和RG47，其中DM308和7052封接后氣泡相對較多，RG47封接后氣泡較少。

當設計的玻璃珠內徑偏小或外徑偏大時，燒結后因加熱過程中，玻璃表面升溫快先熔化，與金屬封接后，堵塞了內部氣體排出的通道，從而在封接玻璃內部形成封閉的單個大氣泡或密集的連續的氣泡。

當產品設計的封接高度較高時，比如2mm或更高時，因密封連接器的外徑較小，玻璃管都比較薄，在高溫時軟化速度很快，而玻璃導熱系數差，表面玻璃先到位軟化后，阻礙內部氣體溢出，一般會導致貫穿的內部大氣泡。

玻璃金屬封接前需要對金屬零件進行預處理，包括除油和凈化。當金屬零件除油不徹底時，封接后往往出現黑色的大氣泡。凈化時一般采用氫氣保護，也可采用真空凈化，當保護氣體流量較低、水汽含量較高時或真空度不足時，封接后會產生大氣泡。

玻璃金屬封接前還需要對金屬進行氧化處理，采用不同氣氛氧化，會得到不同成分的氧化膜，當采用N2+H2O氧化時，氧化膜以四氧化三鐵為主，采用空氣氧化時，氧化膜以鐵的氧化物為主，為三層氧化膜，不同的氧化膜結構與玻璃的潤濕性不同，當四氧化三鐵含量越低，三氧化二鐵的含量越高時，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間有關，氧化溫度越高，氧化時間越長，氧化膜越厚。當氧化層表面為三氧化二鐵且氧化膜較厚時，會導致封接界面產生大氣泡或密集的串狀氣泡。

要減少或避免氣泡，就要保證產品結構和玻璃珠設計合理，玻璃珠選材適當，要嚴格控制金屬零件的氧化，特別是對氧化增重的監控，Thomas,Ⅲ[2]認為最佳的氧化增重為0.02～0.07 mg/cm2。因影響氧化質量的因素較多，包括來料質量、氧化溫度、氧化時間、氧化氣氛和裝載量等，在參數固定的情況下，主要控制來料質量和裝載量來保證單位氧化增重。

3.3 玻璃飛濺

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

圖4 燒結后附著的玻璃珠

金屬零件氧化越重，玻璃與金屬零件的潤濕就越好，就越容易產生飛濺。在高溫時，玻璃軟化，有的沿著金屬表面鋪展、反應，冷卻后玻璃珠留在金屬表面，形成飛濺，有的因氣泡破裂，導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，封接后容易產生飛濺，這是因為表面越粗糙，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，從而導致玻璃飛濺。

要避免或減少玻璃飛濺，就要嚴格控制氧化質量，金屬零件的表面狀態和熔封氣氛。首檢燒結若飛濺嚴重，應分析導致飛濺產生的原因，當為氧化過重時，應酸洗凈化后重新氧化；當為金屬表面粗糙時，應重新投料；當為熔封氣氛不當時，應檢查并調整熔封氣氛。

3.4 尺寸不良

密封連接器燒結后有時會出現尺寸不良，主要是定位端尺寸不良，導致密封連接器尺寸不良的原因包括模具設計及加工不合理、模具孔堵塞和網帶抖動等。

模具孔徑設計或加工過小時，會導致組裝時，插孔裝不到底，從而導致燒結后，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，會導致燒結后個別尺寸不合格；若燒結過程中，網帶發生故障而異常抖動時，也會導致燒結后產品尺寸不合格。

要避免或減少尺寸不良，模具應設計合理，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，要及時更換鉆頭，防止因鉆頭磨損導致模具孔徑加工超下限值；在組裝前，應先清理模具，對孔內異物進行清理或標記不使用；在燒結過程中要隨時觀察網帶運行的狀態，防止因網帶異常，導致尺寸批次性不合格。

3.5 石墨粘附

密封連接器燒結后有時石墨粘接嚴重，如圖3-4所示。石墨粘接主要與模具設計和模具處理有關。

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生流動，填充插孔和外殼之間的縫隙從而實現封接，在流動過程中會與石墨模具表面接觸，將石墨表面的浮動雜質包裹在玻璃表面，導致燒結后觀察到明顯的石墨粘接層。在模具設計時，若在模具表面增加一個小沉孔，則可以明顯減少石墨粘接；新加工的模具目測表面很光滑，燒結后石墨往往粘接嚴重，應對模具表面進行處理，去除表面疏松層，適當增加模具粗糙度，以減少石墨的粘接。因此，要減少或避免石墨粘接，應優化模具設計，加強模具的預處理。

3.6 標刻不良

矩形密封連接器標刻不良包括標刻淺、標刻深、標刻斷字等，主要與零件表面狀態、操作方法、操作設備等有關。

金屬零件表面有油污或雜質、設置功率較小時，會導致標刻淺或表刻斷字等問題，設置功率較大或多次標刻會導致標刻深，當設備故障時，常出現標刻斷字。針對標刻淺或斷字的產品需要用砂紙打磨后，重新標刻，當標刻深時，只能重新投料。

要避免或減少標刻不良，應加強來料檢驗，對操作人員進行培訓，加強首檢檢驗和過程抽檢，防止產品批次性不良。

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，這與燒結定位尺寸、同軸度、砂輪表面狀態、磨削進給量和磨削速度等有關。

砂輪粗糙、或磨削進給量過大或磨削速度過快，往往會導致扁傷和凹坑缺陷等缺陷，燒結偏心時，會導致扁厚薄、長短不一致等問題。

因此，要提高產品的磨削質量，降低磨削不良，一方面要保證燒結產品的尺寸和同軸度的一致性，另一方面，要控制好磨削參數，并及時修理砂輪。

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。電性能不良與設計結構、燒結和電鍍有關。

實踐表明，封接厚度為2mm的產品電性能較差，封接厚度為1.4mm產品電性能相對較好；當設計的產品單邊封接厚度較薄時，往往會發生批次性的電性能不良或需要嚴格的清洗。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系列產品由于單邊理論封接厚度只有0.25mm，鍍后容易出現電性能不良問題，J63產品因單邊封接厚度只有0.1mm，鍍后電性能問題更加凸出。

燒結后若有貫穿氣泡或嚴重的石墨粘接，往往容易導致耐壓不良，當產品設計外形較長時，封接后本身應力較大，玻璃表面會產生微裂紋，鍍后容易導致性能不穩定；鍍后清洗不干凈，往往會導致絕緣批次性不合格，絕緣不穩定；若有爬金等缺陷，往往會導致耐壓不良。

要保證和提高產品的電性能，在設計方面應優化結構設計，保證合適的封接高度、封接厚度和封接長度；燒結后應避免內部貫穿大氣泡和嚴重的石墨粘接；鍍后加強清洗和酒精煮，以保證產品微縫殘留的鍍液能有效的清除，從而保證產品電性能的問題。

3.9 鍍后外觀不良

矩形密封連接器鍍后外觀不良包括內腔缺鍍，起皮，孔黑，鍍層粗糙，金層發紅和爬金等，這與設計結構，來料質量、前處理和電鍍工藝參數控制不當等有關。

內腔及插孔(深盲孔)因電磁屏蔽效應，電鍍質量相對較差，鍍后容易出現缺鍍或起皮，若來料有高溫燒結后碳化的油污，在前處理時未清理干凈，或在電鍍過程中陰極不移動，電鍍后往往出現批次性不良；鍍層粗糙一方面與基體表面粗糙度有關，另一方面與電鍍參數的控制有關，電流密度過高，金濃度過高，溫度過高或雜質含量過高等，都會導致鍍層粗糙。

要提高鍍后外觀質量，要優化設計，避免不合理的深盲孔結構，加強來料檢驗，加強電鍍前處理，以及嚴格控制電鍍工藝參數等。

3.10 密封性不良

矩形密封連接器鍍后密封性不良，也時有發生。密封性與產品設計結構、玻璃珠、氧化和電鍍過程等有關。

實踐表明，產品芯數越多，鍍后越容易漏氣，這是因為芯數越多，封接后本身應力越大，這種應力無法通過去應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，當封接玻璃珠比較差時(因成分波動導致玻璃本身封接強度較低或與金屬的潤濕性較差時)容易導致批次性封接不良；當氧化不當時，也會導致產品氣密不良；電鍍前處理不當，例如噴砂壓力過大，噴砂時間過長，酸洗時間過長，清洗時間過長和鍍后過清洗，都會導致產品密封性不良。

要減少或避免鍍后密封性不良，應優化結構設計，比如在封接芯數較多時，應適當增加封接高度和厚度；針對玻璃珠來料不穩定的問題，內部應建立特種材料入庫檢驗標準，保證來料的一致性；燒結過程應嚴格控制預氧化；電鍍過程應在保證產品質量的情況下，最大限度的縮短電鍍流程。

4 結束語

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，包括產品結構的設計、玻璃珠的設計、玻璃的材料、模具的設計加工和處理、金屬材料的表面狀態及預處理、氧化、熔封氣氛、磨削速率和進給量、砂輪表面質量、電鍍前處理、電鍍的工藝參數和電鍍后處理等。

要保證產品質量的一致性和可靠性，在設計時，需要重點關注封接高度，封接厚度，封接材料，玻璃珠尺寸和封接芯數；燒結工藝重點關注模具設計、預氧化、封接參數和砂輪質量；電鍍工藝重點關注前處理、電鍍工藝參數和后處理。只有上述各個環節嚴格控制，才能保證產品的合格率、質量的穩定性和一致性。