摘要：

玻璃烧结密封连接器是高温、高压、密封等场合必不可少的连接器。这种连接器机械强度良好，密封性能优异，耐高温性、耐腐蚀性较强，电性能参数良好，适合在各种特殊严酷的环境下使用。 随着我国航空、航天、船舶、勘探等工业、农业、军工事业的突飞猛进，各种高温、高压、腐蚀等工作环境、工作设备的增多，玻璃烧结密封连接器的需求也在与日俱增，本文将对电连接器的封接技术进行简要阐述。

1前言

密封电连接器是保障电气系统在极端环境下可靠连接的核心组件，具有高密封性能的电连接器主要应用于航空、航天、航海及其它密封容器中电子设备与电源连接，电器间连接，导线与电缆间电气连接使用。

现阶段，高密封性能连接器主要采用“玻璃+金属”封接工艺实现，进而提高电连接器密封性能的目的。与常规电连接器相比，“玻璃+金属”密封连接器具有较明显的优越性，这种连接器兼具体积小、重量轻、密封性能优良等特点。它们经常用于需要有效地防止潮气、大气污染物或其他污染性物质进入其所连接的装置的各种场合。这些场合包括军用、高可靠性商用电子、光电、机电和液压装置，也用于真空和高压装置的电连接，以及充有惰性气体以及其成份应保持不变的其他气体的装置中的电连接。随着我国航空、航天、船舶、勘探等工业、农业、军工事业的突飞猛进，各种高温、高压、腐蚀等工作环境、工作设备的增多，玻璃烧结密封连接器的需求也变得日益增多。

图1 烧结产品图示

2 玻璃烧结电连接器技术浅析

玻璃烧结密封连接器对封接技术要求很高，不仅要求具有一定的机械强度，而且要求在高真空的情况下，具有极好的气密性和导电性。密封电连接器产品的密封性能主要与产品材料、结构及制造工艺有关，材料选择及制造工艺主要影响产品封接质量，而设计方法主要考虑从改变产品结构、封接面积等方面提高封接质量。

2.1 玻璃封接相关理论

1)润湿问题

通常情况下，玻璃和纯金属表面几乎不浸润。形成可靠的玻璃金属封接的首要条件是熔化的玻璃必须能够润湿金属表面并在其上面铺展，液体和固体接触时，在它们之间形成一个新界面。按照经典的热力学理论，如果铺展后形成的新的固液界面的能量低于相应的固气界面的能量的话，液体将会铺展。润湿问题关系到玻璃与金属的结合力问题，要达到玻璃与金属的良好密封，必须使两者具有良好的润湿性。玻璃与金属的润湿和液体对固体表面的润湿道理一样，如果水滴在平面上呈圆球形，其润湿角θ接近180°，这种润湿效果显然是不好的;另一种是水滴落在平面上呈扁平形，其θ角近似于0°，这样就是较好的润湿效果。

图3 润湿效果较好图示

2)电力结合理论

金属表面形成低价氧化物时，金属内层价电子并不参加化合作用，而形成高价氧化物时，金属内层价电子将参加化合作用。因此，金属氧化物的离子半径大小是随金属化合价的高低而不同。在高价氧化物时， 由于金属离子半径小，被氧离子紧密包围，使金属离子不能与玻璃中的正负离子很好地结合。当形成低价氧化物时，由于金属离子和周围的氧离子之间形成较大的空隙，其电力线可以延伸出来，与玻璃中的正负离子获得最大的结合力和最小的排斥力，从而得到较好的封接。

图4 电力结合图示

2.2玻璃烧结电连接器材料

玻璃烧结电连接器使用环境包括强酸、强碱等强腐蚀环境在内的各种极端环境，因此，产品与外界接触的部分零件材料必须为抗腐蚀性较强的材料，同时必须满足能够与对应玻璃封接材料进行较好的封接。常用的外壳材料有不锈钢(304、316L)、可伐合金(加金属镀层)等，“玻璃绝缘子”一般用13#、14#玻璃粉等，接触体一般采用可伐合金4J29、4J50或无氧铜TU系列等。

可伐合金在一定的温度范围内具有与硬玻璃相近的线膨胀系数，能更好地进行匹配封接，可伐合金的氧化膜致密，容易焊接，具有良好的可塑性和可加工性。同时可伐合金因为含钴成分，产品比较耐磨，且具有较好的电气传输性能，因此被作为高密封性能连接器接触件的理想材料。

2.3 玻璃烧结电连接器结构

玻璃烧结密封连接器的结构设计颇多，常用的玻璃封接结构主要有单孔烧结(玻璃珠)结构和整体烧结(玻璃饼)结构。玻璃珠结构相当于把接触件的孔位设置在金属壳体上，然后在烧结时每个孔位单独放入玻璃珠进行烧结。玻璃饼烧结相当于把接触件的孔位设置在玻璃绝缘体上，烧结时将接触件放入玻璃饼的孔腔内进行烧结。

玻璃珠/玻璃饼的制作是在璃粉中掺入一定量的高纯石蜡切片、粉后干压成型，成型后经排蜡玻化制作而成。

玻璃饼在压制成型的过程中，将连接器的孔组排列通过模具一同压制成型，便于在后续整体玻璃封接过程中连接器内接触体的位置度及密封性。 由于在烧结过程中既要保证玻璃饼的强度，又要保证烧结封接的密封性，也需要保证所有内部烧结接触件的位置度及垂直度，所以玻璃饼在设计及压制成型的过程中要保证玻璃饼孔位的垂直度及位置度。玻璃饼烧结结构的特点是压制玻璃饼工艺成熟，壳体加工工艺简单，适合企业大规模生产，但烧结后产品的成品率不是很稳定，容易出现批量报废现象。玻璃珠烧结结构的特点是该产品的结构较复杂，壳体加工精度要求高，需要较好的机加设备，工时较长，产品烧结后成品率较高，产品性能稳定，适合企业批量规模生产，但不适用于高密度产品的烧结制作。

图5单孔(玻璃珠)烧结和整体(玻璃饼)烧结结构图示

2.4玻璃烧结连接器工艺

玻璃烧结连接器制造通常分为机加、烧结、电镀三大工艺，其中直接决定产品密封性能的工艺为烧结工艺。

以采用可伐合金作为基体的连接器为例，气密封接是通过可伐合金与硬玻璃匹配封接实现的。一般的氧化物玻璃的化学键为离子-共价混合型化学键，根据同类化学键或相近化学键物质互相亲和的原理，玻璃材料同玻璃(包括微晶玻璃)、陶瓷、人工晶体等材料具有良好的粘附性能，容易形成真空密封。但金属材料是以金属键为主的物质，与玻璃的化学键键性相差很远，因此，彼此之间很难形成牢固气密封接。想要使它们从化学结构上消除这种“距离”，就需要对金属进行预氧化，即在金属表面生成以低价氧化物为主的过渡层，作为玻璃和金属之间结合的桥梁。因为金属的低价氧化物从化学键类型角度来看更接近于金属，因此能与金属牢固地结合;而靠近外层的高价氧化物的化学键键性与玻璃类似，故能与玻璃牢固地结合。由此可见，氧化物过渡层对于玻璃-金属封接是至关重要的，即先要将可伐合金预氧化，然后在高温下实现可伐合金的氧化膜与玻璃的浸润融合。

对于金属和玻璃的匹配封接，氧化膜需要具备以下条件：

1)金属氧化物必须是致密的;

2)氧化物层与金属之间的附着性良好;

3)氧化层的厚度适当，厚度均匀，组成均匀;

4)氧化物与玻璃之间具有良好的浸润性，能生成固溶体。

3 密封性能试验

常规密封性能检测采用氦质谱检漏仪测试， 即将产品装夹于氦质谱检漏仪上后，将产品与氦质谱检漏仪连接端进行抽真空处理(即保持内环境真空)， 产品外环境通过喷头向产品封接面喷氦气，此时若产品内有裂纹或者其他缺陷，氦气即可从外环境进入内环境，进一步被氦质谱检漏仪检测出来，从而完成对产品密封性能的检测。 采用此种测试方法可以检测产品密封性能，且操作简便，可操作性较强。

图6 氦质谱检漏仪密封性检测图示

4 烧结模具设计

4.1 模具材料选择

玻璃烧结连接器模具的选材是基础，石墨材料以其优异的导热性、耐高温性和化学稳定性而备受设计师们的青睐。石墨有很多优点，它的热稳定很高，耐高温，熔点可达3000℃。热膨胀系数小，在高温烧结时基本不变形，就算经过几十次的高温过炉，在保护气氛下外形尺寸基本不变，而金属壳体经过几次高温烧结后，外形和性能都会发生明显变化。

石墨性能稳定，在高温下不和金属反应、粘接，不会污染玻璃内部，有足够的机械强度，且易于机械加工。但石墨模具也存在几点不足之处：石墨的加工精度与金属相比较低，而且石墨材料易磨损，部分配合尺寸如孔径尺寸、外形尺寸均会在多次使用后磨损，对于精度要求较高的产品，需要规定模具的使用寿命。石墨模具存在掉灰的现象，掉落的石墨灰通常会浮于玻璃表面，因此在电镀之前需要增加预处理工序。否则会影响到产品的电性能，导致产品电性能不良。

图7 石墨模具图示

4.2模具设计

结合玻璃烧结密封连接器的特点，模具设计时需要考虑以下几点：

1)模具要分上、下模具，下模具需要考虑接触件尺寸及垂直度，保证接触件伸出长度及其孔位间距，上模具要保证接触件上端面高度平齐;

2)对于产品整体外形尺寸较小的连接器，设计模具时可以考虑在一块模具上装配多只产品，每个产品的位置分布要合理，保证相互之间不干涉，这样的设计可以降低石墨模具的制作成本，同时提高生产效率;

3)匹配封接的内应力非常小，不会出现玻璃珠/玻璃饼开裂现象。因此，设计模具时，石墨模具与外壳、插孔的配合间隙越小越好，可以有效地防止烧结后出现接触件偏斜现象;

4)玻璃珠/玻璃饼表面要求平整、光滑。要保证玻璃珠/玻璃饼表面平整、光滑，意味着石墨模具与玻璃珠/玻璃饼不能完全直接接触。既要用模具控制高度，又要保证表面状态。因此，设计盖模时需要控制好孔的深度。

5 结语

早在十九世纪二十年代，就有人用铂和软玻璃进行了封接试验。后面随着白炽灯和电子管的相继出现，气密封接技术逐渐受到了人们的重视。电子器件的应用也在人们的日常生活中愈来愈广，从老式电灯泡到当今的密封电连接器，它们都离不开玻璃封接技术。

随着近代科学技术的快速发展，玻璃封接技术已经成为制造各种高质量的电子元器件以及其它电真空器件必不可少的技术。同时，随着电子器件的小型化和结构元件的精密化，对封接制品的气密性和可靠性的要求也日益提高，封接技术和封接理论也随之得到了进一步发展。相信在未来，新型密封连接器的封接结构及封接技术也会随着现代工业的发展而日新月异。

参考文献：

[1] 李海峰等.烧结密封连接器的结构设计及工艺实现[J].机电元件2016-4.

[2] 朱禄利、谭庆云.石墨烧结模具及其石墨材料[J].北 京：电子工业出版社，1997.