矩形密封连接器制备过程常见问题分析及控制措施

王 永，彭泽辉，孙雪松，胡明兴

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 前言

矩形密封连接器一般作为关键零件，主要用于模块密封、真空和极限温度等环境，要求产品具有高的气密性、高的电绝缘性能、高的可靠性、超微间距和较低的成本。

要满足高的电绝缘性能，可选的绝缘材料有塑料、玻璃和陶瓷，塑封产品很难保证高的气密性、耐温较差，且长时间使用后，产品容易老化导致性能显著劣化。陶瓷金属封接产品很难保证超微间距、且成本较高。采用玻璃金属封接可以较好的满足上述指标要求。

矩形密封连接器经过高温烧结后，还需进行磨削及电镀，产品加工工序多，且涉及到两个特殊过程，产品合格率较低，仅80%。因此，本文针对矩形密封连接器制备过程的常见问题进行分析，并采取针对性措施，对提升产品合格率，减低成本，增强市场竞争力，具有重要意义。

2 制备流程

矩形密封连接器制备流程见图1，包括金属零件的预处理，模具的处理，玻璃珠的设计及购买，组装烧结，标刻，磨削，温冲，电镀和性能检测等几个方面。涉及的工序较多，每道工序处理不当，都可能导致产品性能批次不合格。

图1 矩形密封连接器制备流程图

3 常见问题及控制措施

矩形密封连接器常见的问题有偏心、气泡、玻璃飞溅、尺寸不良、石墨粘附、标刻不良、磨削、电性能不良、镀后外观不良和密封性不良等。

3.1 偏心

偏心是矩形密封连接器烧结后的一个常见问题，如图2所示。从产品的中心向两端偏心程度逐渐增加，且芯数越大的产品，偏心越严重。导致偏心的原因较多，与材料的热膨胀特性，模具设计，玻璃珠设计以及产品的结构特点等有关。

图2 烧结后出现偏心

在升温至高温的过程中，由于外壳金属材料的线膨胀系数增加速率比石墨模具快，导致外壳尺寸膨胀增加量比石墨材料大，使外壳与引线发生相对移动，在高温时由于玻璃处于熔融状态，外壳属于相对自由膨胀，随后冷却时，由于玻璃冷却固化，外壳收缩受到阻碍，导致烧结后偏心。

在模具设计时，为了减少封接应力，防止金属粘接石墨，模具凸台的设计尺寸比外壳内腔小，模具孔径比引线直径大，当模具孔径设计尺寸过大或凸台外形过小或引线尺寸走下极限时，组装后外壳和引线在烧结过程中，会在烧结网带抖动下发生移动，导致烧结后偏心。

为了避免封接气泡，玻璃珠设计外径尺寸比封接孔内径小，玻珠内径尺寸比引线大，当玻璃、引线和外壳孔径都走极限时，烧结后会偏心。

产品芯数较多，外壳尺寸较长时(例如37芯)，烧结后往往偏心严重，因为外壳相对石墨模具的移动量与外壳的长度密切相关(近似正比关系)。

当以上条件都控制不当时，累计公差导致的偏心将会使产品报废。产品结构原因导致的偏心，从工艺角度尚无有效的办法可以解决，只能通过优化产品设计结构；模具和玻璃珠设计不合理导致的偏心，可以通过优化模具和玻璃珠尺寸，来减少或避免此类因素导致的偏心问题。

3.2 气泡

气泡也是矩形密封连接器常见的问题，气泡大小不一，位置不固定，既有内部气泡也有表面气泡，如图3所示。气泡的产生与玻璃材质、玻璃珠的设计、封接结构、金属零件的预处理、金属零件的氧化等有关。

图3 气泡

矩形密封连接器的单边封接厚度较小，仅0.25mm，一般采用透明的玻璃拉管进行烧结，所选用的玻璃管有DM308、7052和RG47，其中DM308和7052封接后气泡相对较多，RG47封接后气泡较少。

当设计的玻璃珠内径偏小或外径偏大时，烧结后因加热过程中，玻璃表面升温快先熔化，与金属封接后，堵塞了内部气体排出的通道，从而在封接玻璃内部形成封闭的单个大气泡或密集的连续的气泡。

当产品设计的封接高度较高时，比如2mm或更高时，因密封连接器的外径较小，玻璃管都比较薄，在高温时软化速度很快，而玻璃导热系数差，表面玻璃先到位软化后，阻碍内部气体溢出，一般会导致贯穿的内部大气泡。

玻璃金属封接前需要对金属零件进行预处理，包括除油和净化。当金属零件除油不彻底时，封接后往往出现黑色的大气泡。净化时一般采用氢气保护，也可采用真空净化，当保护气体流量较低、水汽含量较高时或真空度不足时，封接后会产生大气泡。

玻璃金属封接前还需要对金属进行氧化处理，采用不同气氛氧化，会得到不同成分的氧化膜，当采用N2+H2O氧化时，氧化膜以四氧化三铁为主，采用空气氧化时，氧化膜以铁的氧化物为主，为三层氧化膜，不同的氧化膜结构与玻璃的润湿性不同，当四氧化三铁含量越低，三氧化二铁的含量越高时，玻璃与金属的润湿角就越小，反之则越大[1]；氧化膜厚度与氧化温度和氧化时间有关，氧化温度越高，氧化时间越长，氧化膜越厚。当氧化层表面为三氧化二铁且氧化膜较厚时，会导致封接界面产生大气泡或密集的串状气泡。

要减少或避免气泡，就要保证产品结构和玻璃珠设计合理，玻璃珠选材适当，要严格控制金属零件的氧化，特别是对氧化增重的监控，Thomas,Ⅲ[2]认为最佳的氧化增重为0.02～0.07 mg/cm2。因影响氧化质量的因素较多，包括来料质量、氧化温度、氧化时间、氧化气氛和装载量等，在参数固定的情况下，主要控制来料质量和装载量来保证单位氧化增重。

3.3 玻璃飞溅

玻璃飞溅是指烧结后附着在引线根部或外壳表面的玻璃细小玻璃珠，其大小和数量不固定，如图4所示。玻璃飞溅与氧化、金属零件表面状态和熔封气氛等有关。

图4 烧结后附着的玻璃珠

金属零件氧化越重，玻璃与金属零件的润湿就越好，就越容易产生飞溅。在高温时，玻璃软化，有的沿着金属表面铺展、反应，冷却后玻璃珠留在金属表面，形成飞溅，有的因气泡破裂，导致玻璃子飞溅至金属表面形成孤立的玻璃子。

金属表面越粗糙和熔封气氛氧含量较高时，封接后容易产生飞溅，这是因为表面越粗糙，熔封气氛氧含量越高，金属表面在封接前氧化就越重，与玻璃润湿性就越好，从而导致玻璃飞溅。

要避免或减少玻璃飞溅，就要严格控制氧化质量，金属零件的表面状态和熔封气氛。首检烧结若飞溅严重，应分析导致飞溅产生的原因，当为氧化过重时，应酸洗净化后重新氧化；当为金属表面粗糙时，应重新投料；当为熔封气氛不当时，应检查并调整熔封气氛。

3.4 尺寸不良

密封连接器烧结后有时会出现尺寸不良，主要是定位端尺寸不良，导致密封连接器尺寸不良的原因包括模具设计及加工不合理、模具孔堵塞和网带抖动等。

模具孔径设计或加工过小时，会导致组装时，插孔装不到底，从而导致烧结后，尺寸高低不平，不满足图纸要求；若有石墨颗粒、玻璃子或其他异物掉落在模具孔内，会导致烧结后个别尺寸不合格；若烧结过程中，网带发生故障而异常抖动时，也会导致烧结后产品尺寸不合格。

要避免或减少尺寸不良，模具应设计合理，保证孔径的最小值大于插孔上极限值，在加工模具的过程中，要及时更换钻头，防止因钻头磨损导致模具孔径加工超下限值；在组装前，应先清理模具，对孔内异物进行清理或标记不使用；在烧结过程中要随时观察网带运行的状态，防止因网带异常，导致尺寸批次性不合格。

3.5 石墨粘附

密封连接器烧结后有时石墨粘接严重，如图3-4所示。石墨粘接主要与模具设计和模具处理有关。

图3-4 石墨粘接

玻璃在高温下为软化的熔体，在表面张力和润湿力的作用下发生流动，填充插孔和外壳之间的缝隙从而实现封接，在流动过程中会与石墨模具表面接触，将石墨表面的浮动杂质包裹在玻璃表面，导致烧结后观察到明显的石墨粘接层。在模具设计时，若在模具表面增加一个小沉孔，则可以明显减少石墨粘接；新加工的模具目测表面很光滑，烧结后石墨往往粘接严重，应对模具表面进行处理，去除表面疏松层，适当增加模具粗糙度，以减少石墨的粘接。因此，要减少或避免石墨粘接，应优化模具设计，加强模具的预处理。

3.6 标刻不良

矩形密封连接器标刻不良包括标刻浅、标刻深、标刻断字等，主要与零件表面状态、操作方法、操作设备等有关。

金属零件表面有油污或杂质、设置功率较小时，会导致标刻浅或表刻断字等问题，设置功率较大或多次标刻会导致标刻深，当设备故障时，常出现标刻断字。针对标刻浅或断字的产品需要用砂纸打磨后，重新标刻，当标刻深时，只能重新投料。

要避免或减少标刻不良，应加强来料检验，对操作人员进行培训，加强首检检验和过程抽检，防止产品批次性不良。

3.7 磨削不良

矩形密封连接器磨削不良，主要有扁位拉伤、凹坑、扁厚、扁薄、扁长、扁短等，这与烧结定位尺寸、同轴度、砂轮表面状态、磨削进给量和磨削速度等有关。

砂轮粗糙、或磨削进给量过大或磨削速度过快，往往会导致扁伤和凹坑缺陷等缺陷，烧结偏心时，会导致扁厚薄、长短不一致等问题。

因此，要提高产品的磨削质量，降低磨削不良，一方面要保证烧结产品的尺寸和同轴度的一致性，另一方面，要控制好磨削参数，并及时修理砂轮。

3.8 电性能不良

矩形密封连接器电性能不良，包括绝缘不良和耐压不良。电性能不良与设计结构、烧结和电镀有关。

实践表明，封接厚度为2mm的产品电性能较差，封接厚度为1.4mm产品电性能相对较好；当设计的产品单边封接厚度较薄时，往往会发生批次性的电性能不良或需要严格的清洗。我公司矩形密封连接器有J30JM系列，J32H/J148系列和J63A系列等，J30JM系列和J32H/J148系列产品由于单边理论封接厚度只有0.25mm，镀后容易出现电性能不良问题，J63产品因单边封接厚度只有0.1mm，镀后电性能问题更加凸出。

烧结后若有贯穿气泡或严重的石墨粘接，往往容易导致耐压不良，当产品设计外形较长时，封接后本身应力较大，玻璃表面会产生微裂纹，镀后容易导致性能不稳定；镀后清洗不干净，往往会导致绝缘批次性不合格，绝缘不稳定；若有爬金等缺陷，往往会导致耐压不良。

要保证和提高产品的电性能，在设计方面应优化结构设计，保证合适的封接高度、封接厚度和封接长度；烧结后应避免内部贯穿大气泡和严重的石墨粘接；镀后加强清洗和酒精煮，以保证产品微缝残留的镀液能有效的清除，从而保证产品电性能的问题。

3.9 镀后外观不良

矩形密封连接器镀后外观不良包括内腔缺镀，起皮，孔黑，镀层粗糙，金层发红和爬金等，这与设计结构，来料质量、前处理和电镀工艺参数控制不当等有关。

内腔及插孔(深盲孔)因电磁屏蔽效应，电镀质量相对较差，镀后容易出现缺镀或起皮，若来料有高温烧结后碳化的油污，在前处理时未清理干净，或在电镀过程中阴极不移动，电镀后往往出现批次性不良；镀层粗糙一方面与基体表面粗糙度有关，另一方面与电镀参数的控制有关，电流密度过高，金浓度过高，温度过高或杂质含量过高等，都会导致镀层粗糙。

要提高镀后外观质量，要优化设计，避免不合理的深盲孔结构，加强来料检验，加强电镀前处理，以及严格控制电镀工艺参数等。

3.10 密封性不良

矩形密封连接器镀后密封性不良，也时有发生。密封性与产品设计结构、玻璃珠、氧化和电镀过程等有关。

实践表明，产品芯数越多，镀后越容易漏气，这是因为芯数越多，封接后本身应力越大，这种应力无法通过去应力等后处理方法去除；封接玻璃珠目前主要通过外购，存在批次性不一致的情况，当封接玻璃珠比较差时(因成分波动导致玻璃本身封接强度较低或与金属的润湿性较差时)容易导致批次性封接不良；当氧化不当时，也会导致产品气密不良；电镀前处理不当，例如喷砂压力过大，喷砂时间过长，酸洗时间过长，清洗时间过长和镀后过清洗，都会导致产品密封性不良。

要减少或避免镀后密封性不良，应优化结构设计，比如在封接芯数较多时，应适当增加封接高度和厚度；针对玻璃珠来料不稳定的问题，内部应建立特种材料入库检验标准，保证来料的一致性；烧结过程应严格控制预氧化；电镀过程应在保证产品质量的情况下，最大限度的缩短电镀流程。

4 结束语

矩形密封连接器制备过程中常见的问题较多，比如气泡、飞溅、偏心、石墨粘接、电镀外观不良和性能不良等。造成上述缺陷的原因较多，包括产品结构的设计、玻璃珠的设计、玻璃的材料、模具的设计加工和处理、金属材料的表面状态及预处理、氧化、熔封气氛、磨削速率和进给量、砂轮表面质量、电镀前处理、电镀的工艺参数和电镀后处理等。

要保证产品质量的一致性和可靠性，在设计时，需要重点关注封接高度，封接厚度，封接材料，玻璃珠尺寸和封接芯数；烧结工艺重点关注模具设计、预氧化、封接参数和砂轮质量；电镀工艺重点关注前处理、电镀工艺参数和后处理。只有上述各个环节严格控制，才能保证产品的合格率、质量的稳定性和一致性。