Типовой технологический процесс изготовления металлостеклянных спаев (МСС, GTMS, Glass-to-Metal Seal)

    При изготовлении изделий электронной техники (ИЭТ), работающих в условиях повышенных нагрузок и агрессивных внешних сред, предъявляют особые требования к технологическому процессу. Данные электронные компоненты должны отвечать ряду требований по обеспечению герметичности их внутреннего пространства. Поэтому необходимо соблюсти компромисс между показателями электрической прочности изоляции токопроводящих выводов, температурной стойкости, механических нагрузок и плотности соединений. В качестве изолятора может выступать керамика, стекло и другие материалы.

    12111

    АО «НПП «Старт» при производстве электромеханических реле в герметичном исполнении в качестве изолятора применяет электровакуумные стекла марок С48-2, С48-5, С52-1 или их смеси.

    Свойства стекла позволяют получать качественные соединения с различными металлами и сплавами, частности с широко используемым в технологии сплавом 29НК (ковар).

    Технология получения металлостеклянных спаев (МСС, GTMS, Glass-to-Metal Seals) представляет собой соединение, образующееся в результате реакции смачивания расплава стекла и химических процессов взаимодействия с металлом. Коэффициенты температурного расширения ковара (Fe – 54%, Ni-29%, Co-17%) и стекла близки по значениям, поэтому получаемое соединение обладает рядом преимуществ: стойкость к коррозии, вибрациям, механическим перегрузкам, большим изменениям температуры и атмосферного давления и низкий уровень газопроницаемости. В совокупности это позволяет получать компоненты с уникальными характеристиками для работы в экстремальных условиях.

    Свойство высокой удельной электрической прочности стекла, изготовленного по технологии GTMS, также может быть использовано при проектировании и производстве широкого спектра разъёмов и соединителей, изоляторов, корпусов для ИЭТ и сложных конструктивов специального назначения.

    gm2

    Технология GTMS состоит из нескольких этапов:

    • изготовление стеклоизоляторов,
    • подготовка металлических деталей (втулок, штырей, оснований и т. д.),
    • сборка в кассеты,
    • спекание,
    • разборка кассет,
    • контроль, с последующим гальваническими покрытиями сборочных единиц:
    • химическое никелирование,
    • электрохимическое золочение.

    Технологический маршрут изготовления изделий из металлостеклянных спаев представлен на рисунке 1.

    gm3

    Рис. 1. Технологический маршрут изготовления изделий из металлостеклянных спаев

    На предприятии используется две технологии изготовления изоляторов – с использованием стеклопорошка и стеклянных капилляров.

    Изготовление изоляторов с использованием стеклопорошка.

    Стеклопорошок применяется для получения стеклотаблеток наружным диаметром (1,25…5,15) мм и высотой (1,5…3,15) мм под различный диаметр выводов (0,52…1,45) мм. Сначала осуществляется сортировка стекла через сито до требуемых фракций. После промывки и сушки кондиционное стекло подвергают помолу в валковой мельнице с уралитовыми шарами до достижения требуемой фракции в диапазоне от 100 до 630 мкм.

    Далее следует процесс приготовления стеклосуспензии. В качестве связки используется полиэтиленгликоль, алюминат натрия и молибденовокислый аммоний. Полученная суспензия перемешивается в реакторе, после чего подаётся в сушильно-грануляционную установку, которая предназначена для гранулирования стеклопорошка методом распылительной сушки в потоке горячего воздуха.

    Готовый стеклопресспорошок подвергают рассеву по фракциям в диапазоне от 63 до 200 мкм, из которого изготавливаются стеклотаблетки.

    После формования стеклотаблеток установленных размеров в автоматах, происходит поэтапное спекание в конвейерных печах без защитной среды для окончательного удаления связки. Диапазон температур для спекания стеклотаблетки (450…810) °C в зависимости от марки стекла и размеров стеклотаблетки. Охлажденные до комнатной температуры стеклотаблетки направляются на разбраковку, промываются и сушатся. Соответствующие технологическим требованиям таблетки направляются на сборку.

    Изготовления изоляторов с использованием стеклянных капилляров.

    Для изготовления изоляторов могут использоваться капилляры диаметром (0,8…3) мм, предварительно разделенные на заготовки длиной около 50 мм. Для нарезки капилляров требуемой высоты (0,4…2,2) мм собранные в приспособления заготовки заливаются пицеином (смесь воска, парафина и канифоли, разогретая до 150 °C). Охлаждённые обоймы извлекаются из приспособлений и нарезаются нужной толщиной на отрезном станке. Полученные изоляторы отмываются моющим раствором и протравливаются в плавиковой кислоте. После проверки качества промывки изоляторы подвергают контролю на наличие потемнений, трещин и размеров (выборочно).

    Перед сборкой детали (основания, цоколи, штыри) подвергаются предварительному отжигу, а стеклотаблетки промываются в спиртовом растворе.

    gm4 gm6

    При механизированном способе в графитовую кассету укладывают основания (цоколи) и накрывают специальным кондуктором. Собранную кассету помещают в лоток виброустановки, куда автоматически подаются стеклотаблетки, которые под действием вибрации занимают требуемое посадочное место. Процесс осуществляется до полного заполнения. Далее меняют кондуктор для вибросборки штырей (выводов) и процесс повторяется.Сборка цоколей и оснований может осуществляться как ручным, так и механизированным способом. В первом случае слесарь-сборщик укладывает основания (цоколи) в гнёзда графитовой кассеты, пинцетом вставляет стеклотаблетки в отверстия оснований (цоколей), устанавливает выводы и штыри согласно эскизам до упора в дно кассеты.

    gm7 gm8

    Процесс спекания осуществляется в конвейерных печах с применением окислительно-восстановительной среды в диапазоне температур до 1 050 °C в зависимости от марки стекла, вида изолятора и марки изделий. При перемещении в печи происходит плавный зональный нагрев изоляторов, выводов и оснований. Стекло расплавляется и равномерно растекается, заполняя пустоты между выводами (штырями) и основанием (цоколем), образуя герметичную изоляцию. Один из самых важных факторов для получения качественного стеклоспая – это поддержание оптимальной текучести стекла, которая обеспечивается уникальной технологией АО «НПП «Старт».

    После спекания МСC выполняются технологические операции химического никелирования и электрохимического золочения. Данные операции выполняются на гальванических линиях, с постоянным автоматическим контролем температуры, pH растворов, фильтрации электролитов, а также времени и постоянного тока для нанесения покрытий. Стандартная толщина нанесения никелевого покрытия составляет (6…9) мкм. Стандартная толщина нанесения золотого покрытия составляет (1…3) мкм.

    Получаемый стеклоспай имеет удельное сопротивление изоляции до 106 МОм, может работать в диапазоне от -60 °С до +150 °С, при атмосферном давлении (1,33•10ˉ6…3·105) Па. Применение в конструкциях ЭКБ позволяет обеспечить степень герметичности компонента до 666,7•10-113•Па•с-1).