工艺条件对玻璃-金属封接件性能影响分析

陆广华，王 匀，张乐莹，叶留芳，陈万荣



工艺条件对玻璃-金属封接件性能影响分析

陆广华1，王 匀2，张乐莹1，叶留芳3，陈万荣2

（1. 南京理工大学 泰州科技学院，江苏 泰州 225300；2. 江苏大学，江苏 镇江 212000；3. 泰州市航宇电器有限公司，江苏 泰州 225300）

研究了530℃退火时的保温时间、降温速率以及不同玻璃厚度与金属外壳径向厚度比对玻璃-金属封接件内部残余应力的影响，通过ANSYS软件进行分析优化并制作了样品。结果表明，当退火温度为530℃、保温40 min、然后以4℃/min降至室温，玻璃厚度与外壳径向厚度比为4时，测得封接件的残余应力较小，并得到质量较好的实物工件。

残余应力；数值分析；玻璃-金属封接；温度；电连接器；退火

玻璃-金属封接件广泛应用于微电子金属封装、继电器、接插件等有真空气密性要求的场合[1-2]。玻璃-金属连接的基本问题主要可归纳为玻璃-金属连接的热应力和残余应力、玻璃表面的润湿和界面反应两类[3]。残余应力是影响玻璃封接电连接器使用性能的一个关键因素，电连接器常使用在飞机、导弹这些振动非常剧烈的机器上，玻璃体中如果有太大的残余应力会导致电连接器的玻璃绝缘子过早产生裂纹，导致电连接器的失效[2]。其次在民用行业中作为连接机构的电连接器常要承受多次的插拔，在轴向上经常处于被拉扯的状态，当轴向残余应力过大时，其引线和玻璃的结合处容易因插拔次数过多而萌生裂纹，进而导致封接件失效，影响封接件的机械寿命[3-4]。钟正军等[4]通过有限元软件，研究了结构工艺参数和成形工艺参数等因素对玻璃-可伐合金钎焊封接处玻璃侧残余应力的影响。罗大为等[5]采用座滴法研究了玻璃在不同氧化膜可伐合金表面高温下保温不同时间的润湿规律。魏宝成等[6]基于薄壳理论，研究了结构工艺参数对玻璃-金属熔封结构的残余应力的影响。Hsu等[7]研究了固体氧化燃料电池工艺条件下，玻璃-金属封接界面间的相互作用。Susan等[8]研究了金属预氧化对玻璃-金属封接性能的影响。但玻璃厚度与金属外壳径向厚度比对玻璃-金属封接件残余应力的影响研究鲜见报道。本文运用有限元软件分析相关参数对玻璃-金属封接性能的影响，并根据优化后的工艺参数制出了合格产品。

1 热力学模型建立和网格划分

玻璃封接电连接器主要由DM305玻璃绝缘子、壳体、引线这三部分组成。其主要形状有圆形和矩形这两种，本文研究的电连接器，其壳体的内径为25 mm、外径为29 mm、长度为32 mm；玻璃绝缘子的直径为25 mm、长度为8 mm，其中间有34个直径为1 mm的通孔；引线的直径为1 mm，长度为24 mm。在本模型的网格划分中，首先采用默认自动生成的网格，进行网格预览，检查有限元模型是否满足要求，然后进行具体的局部细化，结果如图1所示。

2 热应力模拟与结果分析

2.1 不同保温时间

530℃是DM305玻璃的退火点，在该温度下进行保温处理有利于玻璃体依靠其内部残存的玻璃粘滞性来消除玻璃体因温差引起的永久应力，从而减少封接件的残余应力。通过模拟对比530℃不保温与保温40 min后等效应力、应力集中、轴向应力的变化，具体方法为：从烧结温度960℃开始，以16℃/min的速率降温到530℃，再从530℃处以10℃/min的速率降到室温；从960℃以16℃/min的速率进行降温降到530℃，在530℃处保温40 min后再以10℃/min的速率降到室温；从960℃以16℃/min的速率进行降温降到530℃，在530℃处保温60 min后再以10℃/min的速率降到室温，分析结果如图2所示。

由图2可知，在530℃处保温40 min后冷却至室温的封接件内残余应力比在530℃处不进行保温时有大幅度的减少，玻璃体内主要呈拉应力状态，但保温时间延长为60 min后，相对保温40 min残余应力的变化不明显，因此从降低封接件残余应力、有效提高生产效率、降低能耗等角度考虑，在530℃处保温40 min后冷却至室温的方法最佳。

2.2 不同降温速率

玻璃体温度低于530℃后，玻璃体开始凝固，流动性能丧失。较低的降温速率使金属的收缩速度减慢、幅度变小，减小了玻璃体收缩速率、被拉伸的幅度和最终残余应力。在530℃处保温40 min后，分别以5，4，3℃/min速率降温，其结果如表1所示，为了更直观表示不同降温速率对残余应力的影响，根据表1作出图3。

表1 不同降温速率下封接件残余应力对比

Tab.1 The residual stress of sealing pieces comparison under different temperature descending rate

序号降温速率/(℃·min–1)等效应力/MPa集中应力/ MPa轴向应力/MPa引线结合处轴向应力/MPa 158.649.454.262.42 247.187.863.542.01 336.106.683.001.70

由图3可知，随着降温速率的降低，封接件内部残余应力相应降低，电连接器的主要工作部位在引线处一般要承受500~1 000次的插拔，其与玻璃结合处的玻璃体将承受主要的机械拉力，所以该处往往成为玻璃体破裂的起源地，该处的拉应力值应当尽量小。由图3可知，在530℃处保温40 min后，以4℃/min的降温速率降至室温后，玻璃体的最大拉应力为3.54 MPa，属于安全范围以内，最终玻璃体与引线的接触部位的玻璃体残余拉应力值小于2.5 MPa，也属于可靠的安全范围内。虽然在以3℃/min的速率下玻璃体内的拉应力值可以达到3 MPa以下，但以3℃/min的降温速率从530℃降到室温需要170 min，而以5℃/min的速率从530℃降到室温需要102 min，相比3℃/min下可以节省68 min的时间，为了安全起见选择4℃/min的降温速率。

经工艺优化后制出的34只引线电连接器实体如图4所示。

3 封接件尺寸对残余应力的影响

根据上节论述，530℃以后的降温速率对封接件内部的残余应力的控制起着关键作用，通过模拟表明其降温速率为4℃/min时，可获得良好的封接效果。降温速率对玻璃体内的残余应力的影响还与电连接器的形状和尺寸有着重要的联系[9-10]。因此在其他条件不变的情况下，选择外壳外径为25 mm，内径为15 mm，玻璃体为直径15 mm，引线为直径3 mm的模型作为研究对象，以4℃/min的降温速率进行降温，其结果如图5，图6所示。

由图5，图6可知，此单引线模型以4℃/min的降温速率从530℃降到室温，最终封接件内的残余应力比34只引线的模型只有小幅度的减少，玻璃体内的等效应力最大值由7.18 MPa降到6.74 MPa；轴向应力最大值由3.54 MPa降到3.2 MPa，这表明当封接件的尺寸减小和结构简化对残余应力影响不大。经对比两个模型的结构发现：34只引线的模型

其玻璃径向厚度为外壳径向厚度的6.25倍，而该单引线模型为1.5倍。所以可能玻璃厚度与外壳厚度比也是影响封接件残余应力的一个因素，为了验证该假设继续引入外壳径向厚度为4 mm，玻璃直径为15 mm，引线为1.5 mm的模型，其玻璃与外壳的径向厚度比约为4，仍以4℃/min从530℃降到室温，封接件内残余应力如图7，图8所示。

通过图7、图8，可以发现玻璃体与外壳径向尺寸比由1.5改为4时，其玻璃体内等效应力最大值由6.74 MPa降到3.32 MPa；轴向应力最大值由3.2 MPa降到1.7 MPa。封接效果有着明显的提高，可见封接件的玻璃与外壳的径向厚度比值也对封接件的残余应力有着很大的影响。当减小外壳径向尺寸，增加玻璃径向尺寸有利于减小封接件内残余应力值，并且相同的玻璃与外壳径向厚度比值下尺寸较小的模型在相同的降温速率下封接件内部的残余应力值更小，这也说明其可以适当加快降温速率来获得可靠的封接。

4 结论

（1）在530℃处保温40 min后再以10℃/min的降温速率降到室温时能有效减少封接件内部残余应力，提高生产效率，而且降低能耗。

（2）以4℃/min的降温速率从530℃降到室温能快速将内应力降至安全值之内，通过优化后的工艺参数可得到合格制品。

（3）封接件的玻璃与金属外壳的径向厚度值越大，封接效果越好，且相同的玻璃与外壳径向厚度比值下尺寸较小的模型在相同的降温速率下封接件内部的残余应力值更小。

[1] CHERN T S,TSAI H L.Wetting and sealing of interface between 7056 glass and Kovar alloy [J]. Mater Chen Phys, 2007, 104(2/3): 472-478.

[2] 陈万荣. 玻璃封接电连接器工艺研究及热力学分析 [D]. 镇江: 江苏大学, 2014.

[3] 李卓然, 徐晓龙. 玻璃与金属连接技术研究进展 [J]. 失效分析与预防, 2013(2): 123-130.

[4] 钟正军, 凌祥. 玻璃管和可伐合金钎焊接头残余应力的影响因素分析 [J]. 力学, 2011(2): 239-243.

[5] 罗大为, 沈卓身. 硅硼玻璃在可伐合金表面的润湿规律 [J]. 材料工程, 2009, 11: 80-83+87.

[6] 魏宝成, 殷志强, 王健, 等. 高温真空太阳集热管玻璃-金属熔封结构应力分析 [J]. 太阳能学报, 2014(5): 761-767.

[7] HSU J H, KIM C W, BROW R K. Interfacial interactions between an alkali-free borosilicate viscous sealing glass and aluminized ferritic stainless steel [J]. J Power Sources, 2014, 250: 236-241.

[8] SUSAN D F, VAN DEN A J A, MONROE S L, et al. The effects of pre-oxidation and alloy chemistry of austenitic stainless steels on glass/metal sealing [J]. Oxid Met, 2010(73): 311-335.

[9] 靳方建. 电连接器接触件可靠性分析与高温插拔试验 [D]. 杭州: 浙江理工大学, 2013.

[10] 许成彬, 潘骏, 陈文华, 等. 高温电连接器有限元热分析与接触件插拔试验 [J]. 工程设计学报, 2015(3): 250-255.

Effect analysis of process conditions on performance of electrical connector sealed by glass-metal

LU Guanghua1, WANG Yun2, ZHANG Leying1, YE Liufang3, CHEN Wanrong2

(1. Taizhou Institute of Science & Technology, Nanjing University of Science and Technology, Taizhou 225300, Jiangsu Province, China; 2. Jiangsu University, Zhenjiang 212000, Jiangsu Province, China; 3.Taizhou Hangyu Space Appliance Co., Ltd, Taizhou 225300, Jiangsu Province, China)

The influence of the holding time, temperature descending rate and the thickness ratio between the glass and the metal shell in radial direction on the residual stress of electrical connector was studied. All the above process parameters were in the condition of 530℃ annealing temperature. The process parameters were optimized by ANSYS. Finally the optimized product was obtained. It is shown that the final better product with minimal residual stress can be obtained in the following conditions: 530℃ of annealing temperature, 40 min of holding time, 4℃/min of temperature descending rate, 4 of the thickness ratio.

residual stress; numerical analysis; glass-metal sealing; temperature; electrical connector; anneal

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.004

TG496

A

1001-2028（2016）09-0020-04

2016-06-07 通讯作者：王匀

泰州市科技支撑（工业共性关键技术）项目资助（No. TG201419）；江苏省高校自然科学研究面上项目资助（No. 14KJD460003）；江苏省重点研发计划项目资助（No. SBE2016000575)

陆广华（1980－），男，江苏泰州人，讲师，硕士，主要从事机械设计与制造研究，E-mail: 304853621@qq.com ；王匀（1975－），男，江苏无锡人，教授，博士，主要从事材料加工技术和微塑性加工研究，E-mail: 13560503@qq.com 。

网络出版时间：2016-09-02 11:05:00 网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.tn.20160902.1105.007.html

（编辑：陈渝生）