氣密封連接器氦氣吸附問(wèn)題的分析研究

王榕欣，郭 嬿，姜 曼，劉 斌

(陜西華達(dá)科技股份有限公司，陜西西安，710065)

1 前言

射頻同軸連接器是射頻同軸傳輸系統(tǒng)的主要組成部分，是傳輸信號(hào)的關(guān)鍵元件，它的重要功能是有效的傳輸射頻電磁能量。射頻同軸連接器廣泛地應(yīng)用于微波通訊、航天航海、武器系統(tǒng)等領(lǐng)域中的天線、通信系統(tǒng)、射頻發(fā)射或射頻接收系統(tǒng)中，而且在高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，作用也越來(lái)越重要。

氣密封連接器是射頻同軸連接器的一種，一般安裝在密封器件盒或密封艙的面板上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。產(chǎn)品除要求有常規(guī)電性能外，還應(yīng)具有良好的密封性能，這樣才能保證器件盒或密封艙的整體密封性。在對(duì)密封連接器密封性的檢測(cè)中，氦質(zhì)譜檢漏經(jīng)常作為重要的方法和手段，通常在檢測(cè)器件盒整體密封性時(shí)采用的是氦質(zhì)譜背壓檢漏法進(jìn)行檢漏，檢漏時(shí)器件盒上元器件會(huì)對(duì)氦氣有吸附作用，從而造成密封器件盒的檢漏數(shù)據(jù)超標(biāo)。鑒于沒(méi)有相關(guān)研究以及數(shù)據(jù)，我們對(duì)氣密封連接器進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和檢測(cè)，以分析連接器自身的結(jié)構(gòu)和所使用的絕緣材料對(duì)檢漏結(jié)果的影響。

2 產(chǎn)品的性能要求

根據(jù)GJB681A-2002《射頻同軸連接器通用規(guī)范》的規(guī)定，氣密封連接器的漏率要求為：≤ 1×10-9Pa·m3/s。根據(jù)氣密封連接器的實(shí)際應(yīng)用情況，當(dāng)中空密封器件盒安裝若干個(gè)氣密封連接器后，進(jìn)行器件盒密封性能測(cè)試，整體漏率要求為：≤ 1×10-9Pa·m3/s。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 氣密封連接器的結(jié)構(gòu)

對(duì)于氣密封連接器常規(guī)結(jié)構(gòu)如圖1所示：外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體、玻璃高溫?zé)Y(jié)為一體以達(dá)到整個(gè)產(chǎn)品的密封要求，絕緣子采用過(guò)盈壓配的方法壓入外殼中，最后將一個(gè)帶有倒刺的插孔壓入絕緣子，完成整個(gè)產(chǎn)品的裝配，插孔的右端為一小孔，與內(nèi)導(dǎo)體插合連接，達(dá)到連接器中心導(dǎo)體的電氣連續(xù)性。

圖1 氣密封連接器局部結(jié)構(gòu)圖

3.2 氣密封連接器應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

3.2.1 氣密封連接器的應(yīng)用場(chǎng)合

氣密封連接器使用在密封的器件盒上，首先器件盒上根據(jù)需要加工若干個(gè)安裝孔，將不同的元器件安裝到器件盒上，最后對(duì)器件盒進(jìn)行整體封接，以保證器件盒整體是密封的。換句話說(shuō)，器件盒內(nèi)部是中空的，盒體上會(huì)安裝各種元器件，通過(guò)封接來(lái)保證器件盒內(nèi)外的密封性。

3.2.2 密封問(wèn)題

根據(jù)GJB681A-2002《射頻同軸連接器通用規(guī)范》的要求，氣密封連接器的漏率指標(biāo)是：≤ 1×10-9Pa·m3/s，安裝到器件盒上封接后，整體漏率指標(biāo)仍為：≤ 1×10-9Pa·m3/s。從常規(guī)理解只要連接器漏率指標(biāo)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，安裝工藝得當(dāng)，最終器件盒的漏率指標(biāo)能夠≤ 1×10-9Pa·m3/s。但在在具體生產(chǎn)安裝過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)器件盒上安裝上氣密封連接器后，所測(cè)試的漏率指標(biāo)僅能達(dá)到1×10-6Pa·m3/s～1×10-7Pa·m3/s，但這種漏率下降并非因?yàn)榘惭b不當(dāng)造成的。由于在測(cè)試過(guò)程中器件盒會(huì)放在密封室里用氦氣加壓數(shù)小時(shí)，因此懷疑氣密封連接器上吸附的氦氣不能及時(shí)釋放，影響到最終的漏率檢測(cè)。

3.2.3 問(wèn)題分析

為什么在安裝的前后漏率會(huì)出現(xiàn)如此大的差異呢？是不是氣密封連接器的質(zhì)量出現(xiàn)了問(wèn)題？由于氣密封連接器均100%進(jìn)行漏率測(cè)試，漏率合格，所以并非產(chǎn)品質(zhì)量的問(wèn)題，而是該產(chǎn)品存在氦氣吸附的問(wèn)題影響到最終的漏率檢測(cè)。

3.2.3.1 連接器漏率檢測(cè)方法

連接器的漏率檢測(cè)采用氦質(zhì)譜噴氦檢漏法，按照GJB360B方法112檢測(cè)(見(jiàn)圖2)，產(chǎn)品安裝在專(zhuān)用工裝上，一端暴露與空氣中，一端與氦質(zhì)譜檢漏儀下部相連。檢漏時(shí)，氦質(zhì)譜檢漏儀下部抽真空，以保證產(chǎn)品的兩端有一個(gè)大氣壓差，上部噴嘴不斷噴射氦氣，當(dāng)被檢產(chǎn)品有漏孔時(shí)，氦氣立即會(huì)被吸入到真空系統(tǒng)，從而擴(kuò)散到質(zhì)譜室中，氦質(zhì)譜檢漏儀的輸出就會(huì)立即有相應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)被檢產(chǎn)品漏率測(cè)量，此方法檢測(cè)靈敏度高，速度快。

圖2 氦質(zhì)譜噴氦檢漏法檢測(cè)示意圖

3.3.2.1 器件盒的測(cè)試方法

器件盒采用氦質(zhì)譜背壓檢漏法進(jìn)行檢漏，需要一定的時(shí)間和壓力，具體按照GJB548A方法1014A檢測(cè)：

首先進(jìn)行細(xì)檢，主要用于判斷器件盒微小漏孔的測(cè)量和定位，細(xì)檢按下列步驟進(jìn)行。

步驟一：封好的器件盒至于密封室內(nèi)，在規(guī)定的時(shí)間和壓力下用氦示蹤氣體對(duì)密封室加壓。例如對(duì)器件盒加兩個(gè)大氣壓，加壓四小時(shí)。如果被檢器件盒表面有漏孔，氦氣便通過(guò)漏孔壓入器件盒內(nèi)部密封腔中，使內(nèi)部密封腔中氦氣壓力上升。

步驟一 步驟三圖3 氦質(zhì)譜背壓檢漏法測(cè)示意圖

步驟二：取出器件盒，將表面的殘余氦氣吹除，此過(guò)程在五分鐘內(nèi)完成。

步驟三：將器件盒放入與檢漏儀相連的真空容器中，器件盒內(nèi)部密封腔內(nèi)的氦氣會(huì)通過(guò)漏孔泄漏到真空容器中，再進(jìn)入氦質(zhì)譜檢漏儀，從而實(shí)現(xiàn)被檢器件盒總漏率測(cè)量，檢漏儀給出的漏率值為測(cè)量漏率，需要通過(guò)換算公式計(jì)算出被檢器件盒的等效標(biāo)準(zhǔn)漏率。

細(xì)檢合格后，再進(jìn)行粗檢，粗檢采用氣泡檢漏法，主要是檢測(cè)器件盒是否存在較大的漏孔，排除大漏的可能。檢驗(yàn)液為兩種碳氟化合物液體。試驗(yàn)樣品先在低沸點(diǎn)的碳氟化合物液體中按規(guī)定時(shí)間加壓，例如對(duì)器件盒加四個(gè)大氣壓，加壓兩小時(shí)，然后將器件盒取出，在室溫下短時(shí)間干燥，隨后放入溫度為(125±5)℃的高沸點(diǎn)碳氟化合物液體中，通過(guò)觀察氣泡來(lái)檢漏。

3.2.3.3 試驗(yàn)方法分析

因?yàn)楫?dāng)氣體和固體表面處于平衡態(tài)時(shí)，靠近固體表面的氣體密度總是大于遠(yuǎn)離表面的密度，這說(shuō)明固體表面有俘獲氣體分子并使其滯留于表面附近的能力。這種氣體被固體表面俘獲而附著于表面上的現(xiàn)象稱(chēng)為吸附現(xiàn)象，所以固體表面分子對(duì)于氣體表面分子存在吸附能力。

從上述檢測(cè)方法可以看出，氦質(zhì)譜噴氦檢漏法為即時(shí)檢測(cè)法，速度快，測(cè)試時(shí)不會(huì)受到氦氣吸附效應(yīng)的影響，氦質(zhì)譜背壓檢漏法需要對(duì)器件盒用氦氣加壓數(shù)小時(shí)，器件盒上會(huì)吸附有氦氣分子，所以器件盒加壓完后，上面所吸附氦氣分子能否及時(shí)釋放則關(guān)系到最終檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

實(shí)際檢測(cè)顯示：在進(jìn)行步驟一氦氣加壓過(guò)程中，器件盒表面的某些元器件會(huì)吸附氦氣，而且不能及時(shí)釋放，在步驟三時(shí)出現(xiàn)氦氣緩慢釋放現(xiàn)象，影響檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于此器件盒，當(dāng)氣密封連接器裝上后，即產(chǎn)生氦氣吸附現(xiàn)象影響到漏率的最終檢測(cè)。漏率指標(biāo)僅能達(dá)到1×10-6Pa·m3/s～1×10-7Pa·m3/s。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.3.1 吸附氦氣原因定位

通過(guò)對(duì)氣密封連接器結(jié)構(gòu)的初步分析，氣密封連接器吸附氦氣存在以下三方面的原因：

①氣密封連接器裝配過(guò)程中清理不干凈，有雜質(zhì)吸附氦氣；

②氣密封連接器所用的絕緣子為聚四氟乙烯材料，存在吸附氦氣的可能性；作為聚四氟乙烯介質(zhì)材料表面光滑、質(zhì)地緊密，不屬于可吸附性材料。因此需要有充足的數(shù)據(jù)表明聚四氟乙烯介質(zhì)材料會(huì)吸附氦氣。

③結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致氦氣不能及時(shí)釋放。在氦示蹤氣體對(duì)其加壓若干個(gè)小時(shí)內(nèi)，氣密封連接器的插孔、絕緣子和外殼間隙處將會(huì)聚集氦氣，由于絕緣子和外導(dǎo)體、插孔與絕緣子均采用過(guò)盈壓配的固定方式，可能會(huì)造成聚集氦氣不能快速釋放，對(duì)測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生影響。

3.3.2 試驗(yàn)過(guò)程

為找到氣密封連接器吸附氦氣的真正原因，根據(jù)氣密封連接器的實(shí)際使用制作器件盒，每個(gè)器件盒上焊接5～10只氣密封連接器。為排除雜質(zhì)的影響，每個(gè)零件組裝前均采用超聲波清潔，保證零件表面潔凈。然后按下表的步驟進(jìn)行，每個(gè)步驟進(jìn)行完后按照氦質(zhì)譜背壓檢漏法檢測(cè)器件盒漏率。

步驟工序測(cè)試漏率一制作中空器件盒。<1×10-9Pa.m3/s二在器件盒上打安裝孔,將氣密封連接器的燒結(jié)外導(dǎo)體焊接到器件盒上。<1×10-9Pa.m3/s三將絕緣子裝入外導(dǎo)體中。<1×10-9Pa.m3/s四將插孔裝入絕緣子中,裝配完成。1×10-6～10-7Pa.m3/s

結(jié)果分析：步驟一先制作中空器件盒，從測(cè)試結(jié)果看出器件盒本身不吸附氦氣。然后打孔焊接上燒結(jié)外導(dǎo)體，從測(cè)試結(jié)果看出金屬外導(dǎo)體及玻璃密封體不吸附氦氣，裝上絕緣子后，漏率沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明聚四氟乙烯絕緣子本身也不吸附氦氣，在最后一個(gè)步驟，將插孔壓入絕緣子中，產(chǎn)品漏率明顯下降。因此可以看出是氣密封連接器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致氦吸附問(wèn)題的產(chǎn)生。

從氣密封連接器結(jié)構(gòu)上可以看出(見(jiàn)圖1)，氣密封連接器采用玻璃燒結(jié)密封結(jié)構(gòu)，對(duì)于玻璃面來(lái)講，實(shí)際為一向下的凹面，另外為了保證連接器的界面尺寸，絕緣子的長(zhǎng)度尺寸比外殼尺寸短一些，這樣在連接器的玻璃燒結(jié)面處會(huì)留有空氣間隙(圖1所示A處)，在器件盒采用氦質(zhì)譜背壓檢漏法測(cè)試漏率時(shí)，由于氦氣加壓時(shí)間長(zhǎng)，所以氦氣會(huì)聚集在A處。由于絕緣子采用壓配的方式裝入外導(dǎo)體中，插孔采用壓配的方式裝入絕緣子，當(dāng)插孔未裝入時(shí)，氦氣可以通過(guò)絕緣子孔排出，而插孔裝入后，該通道被堵死，聚集的氦氣不能及時(shí)排出，測(cè)試時(shí)仍在緩慢釋放，因此影響到最終的漏率測(cè)試結(jié)果。

3.3.3 改進(jìn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步證實(shí)這種推測(cè)，對(duì)氣密封連接器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，例如改變氣密封連接器各個(gè)零件的配合方式，外導(dǎo)體和絕緣子，絕緣子和插孔之間留有間隙，改為其它的方式進(jìn)行固定，留下氦氣釋放的通道，讓氦氣及時(shí)釋放。同時(shí)按照這種思路制作了產(chǎn)品，安裝到器件盒上，測(cè)試器件盒的漏率<1×10-9Pa.m3/s，滿足使用要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)分析表明，在器件盒的氦質(zhì)譜背壓檢漏法試驗(yàn)中，連接器的金屬和非金屬材料的氦吸附作用對(duì)檢漏試驗(yàn)的影響很小。而器件盒上所用連接器自身的結(jié)構(gòu)所造成的氦吸附作用會(huì)對(duì)檢漏結(jié)果產(chǎn)生影響，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)氣密封連接器時(shí)在關(guān)注連接器的密封性和可靠性的同時(shí)，還應(yīng)關(guān)注連接器的使用場(chǎng)合和測(cè)試方法，選用合適可行的結(jié)構(gòu)。