紅外探測(cè)器高精度低溫釬焊引線(xiàn)環(huán)設(shè)計(jì)

趙 璨,楊 斌,劉 森,盧加濤,李 碩

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

引線(xiàn)環(huán)是制冷型紅外探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)探測(cè)器)的電學(xué)接口[1],用于實(shí)現(xiàn)探測(cè)器與系統(tǒng)的電學(xué)輸入和輸出。目前國(guó)內(nèi)外探測(cè)器所用引線(xiàn)環(huán)主要有39 pin、41 pin、54 pin、64 pin及72 pin等多種規(guī)格型號(hào),其主要結(jié)構(gòu)形式均為圓環(huán)形。

傳統(tǒng)引線(xiàn)環(huán)主要由上金屬環(huán)、下金屬環(huán)和陶瓷圓環(huán)三部分構(gòu)成(如圖1所示)。陶瓷圓環(huán)上下表面分別布置焊盤(pán)及插針;焊盤(pán)通過(guò)引線(xiàn)與探測(cè)器芯片連通,插針與外部的處理電路連通;陶瓷圓環(huán)內(nèi)部布置引線(xiàn)連通焊盤(pán)與插針,各引線(xiàn)之間通過(guò)陶瓷進(jìn)行絕緣。上下金屬環(huán)與陶瓷圓環(huán)通常使用銀銅釬料在800 ℃以上高溫釬焊連接,釬焊完成后在金屬環(huán)表面鍍鎳處理,在陶瓷圓環(huán)的焊盤(pán)及插針表面鍍鎳-金處理。上下金屬環(huán)與探測(cè)器金屬零件焊接實(shí)現(xiàn)探測(cè)器芯片的封裝。

圖1 傳統(tǒng)引線(xiàn)環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于某些探測(cè)器,受到與整機(jī)耦合的限制,其引線(xiàn)環(huán)需兼具電學(xué)引出與機(jī)械定位兩種功能,且定位精度要求高。這類(lèi)引線(xiàn)環(huán)(如圖2所示)的定位精度要求通常需要達(dá)到0.02 mm以?xún)?nèi)。傳統(tǒng)的引線(xiàn)環(huán)在制備工藝過(guò)程中,金屬環(huán)經(jīng)過(guò)機(jī)械加工、高溫釬焊、電鍍等多道工藝。高溫釬焊過(guò)程中焊接熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致母材發(fā)生形變,因此成為影響引線(xiàn)環(huán)尺寸精度的重要原因,其尺寸精度只能達(dá)到0.1 mm;其次先釬焊后電鍍的工藝順序使引線(xiàn)環(huán)的尺寸精度進(jìn)一步降低。綜合上述兩個(gè)原因,傳統(tǒng)的引線(xiàn)環(huán)難以滿(mǎn)足探測(cè)器的高精度定位要求。

圖2 引線(xiàn)環(huán)定位方式示意圖

針對(duì)這類(lèi)探測(cè)器,本文設(shè)計(jì)一種兼具電學(xué)引出與高精度定位兩種功能的引線(xiàn)環(huán)。改變了傳統(tǒng)引線(xiàn)環(huán)的焊接結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了電學(xué)接口位置的可調(diào)節(jié)。選用金錫釬料在350 ℃以下釬焊引線(xiàn)環(huán)的金屬件與陶瓷件,大幅度降低了高溫釬焊導(dǎo)致的焊接熱應(yīng)力。此外,本文通過(guò)研究釬焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)焊縫表面形貌和引線(xiàn)環(huán)漏率的影響,成功制備出高精度引線(xiàn)環(huán)。在保證引線(xiàn)環(huán)電學(xué)性能、力學(xué)性能和密封性能的同時(shí)大幅度提高了機(jī)械尺寸精度,對(duì)探測(cè)器杜瓦的精密封裝具有指導(dǎo)意義。

2 引線(xiàn)環(huán)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的引線(xiàn)環(huán)由于其圓環(huán)形的結(jié)構(gòu),插針和焊盤(pán)的位置為固定值,難以進(jìn)行探測(cè)器軸向方向的位置調(diào)節(jié)。如圖3所示,本文的引線(xiàn)環(huán)由金屬環(huán)與兩個(gè)矩形陶瓷構(gòu)成,金屬環(huán)設(shè)計(jì)為法蘭結(jié)構(gòu),用于探測(cè)器的安裝與定位,內(nèi)部設(shè)計(jì)兩個(gè)方形通孔,用于矩形陶瓷的裝配與焊接。矩形陶瓷插入到金屬環(huán)的方形孔中,構(gòu)成十字形焊接接頭。十字形焊接接頭可以通過(guò)調(diào)節(jié)矩形陶瓷的上下位置來(lái)改變插針和焊盤(pán)的位置,以適應(yīng)不同位置的電學(xué)接口。

圖3 引線(xiàn)環(huán)十字形焊接接頭示意圖

為保證釬料熔化后可以通過(guò)毛細(xì)作用充分填充到母材間隙之中,矩形陶瓷與金屬環(huán)之間設(shè)計(jì)合理的間隙值。

矩形陶瓷的一端為焊盤(pán),側(cè)面設(shè)計(jì)為插針,兩者之間的夾角為90°。插針尺寸為標(biāo)準(zhǔn)尺寸,其排列形式為“品字形”分布,橫向間距與縱向間距均為標(biāo)準(zhǔn)間距。焊盤(pán)可以通過(guò)引線(xiàn)鍵合工藝與內(nèi)部電學(xué)零件連接,插針通過(guò)錫焊工藝與外部接插件連接。

綜上,本文的引線(xiàn)環(huán)兼具電學(xué)引出與高精度定位兩種功能,實(shí)現(xiàn)了電學(xué)接口位置的可調(diào)節(jié)。

2.2 材料選擇

氧化鋁陶瓷因其高強(qiáng)度、剛度以及良好的電絕緣性能而廣泛應(yīng)用于引線(xiàn)環(huán)的制作當(dāng)中。這種材料已經(jīng)在探測(cè)器上已經(jīng)得到過(guò)充分驗(yàn)證,因此本文將矩形陶瓷的材料選定為氧化鋁陶瓷,其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 氧化鋁陶瓷的主要性能參數(shù)[2-3]

金屬環(huán)的可選材料主要有鈦合金、不銹鋼和可伐合金。鈦合金密度低,比強(qiáng)度高,耐腐蝕性好,但焊接性差,難以進(jìn)行低溫釬焊;不銹鋼強(qiáng)度、剛度高,成本低廉,適用性廣泛;可伐合金具有與氧化鋁陶瓷相近的熱膨脹系數(shù),較高的強(qiáng)度、剛度等優(yōu)點(diǎn)。表2為鈦合金、不銹鋼和可伐合金的熱膨脹系數(shù)和彈性模量,對(duì)比幾種材料的熱膨脹系數(shù),可伐合金的熱膨脹系數(shù)與氧化鋁陶瓷極為接近,可以大幅度降低兩者焊接時(shí)的熱應(yīng)力,因此金屬環(huán)的材料選取可伐合金。此外,在可伐合金表面鍍鎳以提高引線(xiàn)環(huán)的耐腐蝕性。

表2 幾種材料的性能參數(shù)[3]

3 工藝研究

針對(duì)傳統(tǒng)引線(xiàn)環(huán)高溫釬焊過(guò)程中焊接熱應(yīng)力導(dǎo)致的形變以及電鍍導(dǎo)致的尺寸精度降低,本文改進(jìn)引線(xiàn)環(huán)制備的工藝流程,焊接前完成金屬環(huán)的電鍍,之后通過(guò)低溫釬焊焊接矩形陶瓷。

金錫釬料是一種共晶釬料,具有對(duì)鍍金層無(wú)溶蝕、對(duì)鍍金層的潤(rùn)濕性良好、焊接接頭強(qiáng)度高及較低的熔點(diǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高可靠鍍金器件的無(wú)釬劑釬焊和氣密性封裝中,其性能參數(shù)如表3所示。本文使用金錫釬料焊接金屬環(huán)與矩形陶瓷,釬料采用的預(yù)成型焊料片。

表3 金錫釬料的主要性能參數(shù)[4]

為增加金錫釬料對(duì)母材的浸潤(rùn)性,金屬環(huán)與矩形陶瓷的焊接接頭處局部鍍金處理。為保證引線(xiàn)環(huán)的定位精度,金屬環(huán)機(jī)械加工時(shí)預(yù)留出鍍層厚度,然后在金屬環(huán)表面電鍍。

釬焊溫度和保溫時(shí)間是影響釬焊焊縫質(zhì)量的重要參數(shù),本文將將釬焊溫度設(shè)為310 ℃和330 ℃,保溫時(shí)間設(shè)置在一定區(qū)間內(nèi)。將完成電鍍后的金屬環(huán)、矩形陶瓷和釬料裝配,通過(guò)專(zhuān)用夾具固定,放入真空釬焊爐中,焊接溫度曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 引線(xiàn)環(huán)釬焊溫度曲線(xiàn)

圖5為焊接完成后的引線(xiàn)環(huán)。測(cè)量引線(xiàn)環(huán)的電學(xué)性能,結(jié)果均滿(mǎn)足引線(xiàn)環(huán)電導(dǎo)通和電絕緣的性能指標(biāo);測(cè)量引線(xiàn)環(huán)定位面的尺寸,結(jié)果均滿(mǎn)足精度要求,后面不再贅述。使用光學(xué)顯微鏡拍攝引線(xiàn)環(huán)的釬焊焊縫,觀(guān)察焊縫表面形貌;使用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測(cè)引線(xiàn)環(huán)的漏率。

圖5 引線(xiàn)環(huán)實(shí)物圖

4 結(jié)果與分析

4.1 焊縫表面形貌

不同焊接參數(shù)下的焊縫表面形貌如圖6所示。如圖6(a)～(c)所示,310 ℃時(shí)在不同保溫時(shí)間下金錫釬料均未順利鋪展,焊縫區(qū)域均存在不同數(shù)量的氣孔。這是因?yàn)樵谡婵这F焊爐中熔化釬料所需的熱量主要來(lái)源于引線(xiàn)環(huán)的熱傳導(dǎo),焊縫與真空釬焊爐之間存在一定的溫度梯度,在此釬焊溫度下與保溫時(shí)間,沒(méi)有足夠的熱量傳遞到焊縫處,導(dǎo)致釬料未完全熔化。

圖6 不同焊接參數(shù)下的焊縫表面形貌

330 ℃下保溫不同時(shí)間的焊縫表面形貌如圖6(d)～(f)所示,當(dāng)保溫時(shí)間不足時(shí),釬料未順利鋪展,焊縫區(qū)域存在一定數(shù)量的氣孔;保溫時(shí)間延長(zhǎng)一定時(shí)間后,焊縫區(qū)域的氣孔消失,釬料在焊縫區(qū)域鋪展均勻、填充飽滿(mǎn),焊縫形貌良好;隨著保溫時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),釬料呈現(xiàn)出凝固堆積的現(xiàn)象。圖7為Au-Sn二元相圖,AuSn二元合金在在共晶點(diǎn)附近隨著Au成分的增加,熔點(diǎn)迅速提高。由于保溫時(shí)間的延長(zhǎng),鍍金層中的Au擴(kuò)散至金錫釬料之中,導(dǎo)致釬料的熔點(diǎn)迅速升高凝固,因此保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

圖7 Au-Sn二元合金相圖[5]

根據(jù)上述分析,可以得知在釬焊溫度為330 ℃,保溫時(shí)間適中時(shí)焊接的引線(xiàn)環(huán)焊縫形貌良好,釬料在焊縫區(qū)域鋪展均勻、填充飽滿(mǎn),符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

4.2 引線(xiàn)環(huán)的漏率分析

不同參數(shù)下制備的引線(xiàn)環(huán)的漏率如表4所示,其漏率隨著焊縫質(zhì)量的提高而減小。在釬焊溫度為330 ℃,保溫適當(dāng)時(shí)間時(shí)的漏率≤10-11atm·cc·s-1,可以滿(mǎn)足探測(cè)器的高真空、長(zhǎng)壽命密封要求。

表4 引線(xiàn)環(huán)漏率

5 結(jié) 論

本文針對(duì)探測(cè)器的高精度定位需求設(shè)計(jì)了一種新型引線(xiàn)環(huán),并進(jìn)行了工藝研究,得出以下結(jié)論:

(1)本文的引線(xiàn)環(huán)兼具電學(xué)引出與機(jī)械定位兩種功能,在焊接工藝過(guò)程中調(diào)節(jié)矩形陶瓷的位置實(shí)現(xiàn)電學(xué)接口的位移;

(2)選取具有高強(qiáng)度、低熔點(diǎn)的金錫釬料低溫釬焊引線(xiàn)環(huán)的金屬件與陶瓷件,大幅度降低了熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形;

(3)研究了釬焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)焊縫表面形貌及引線(xiàn)環(huán)漏率的影響,在選擇合適的工藝參數(shù)時(shí)獲得表面形貌良好的焊縫,此時(shí)引線(xiàn)環(huán)的漏率≤10-11atm·cc·s-1,滿(mǎn)足探測(cè)器的密封要求。

(4)在保證引線(xiàn)環(huán)電學(xué)性能、力學(xué)性能和密封性能的同時(shí)將引線(xiàn)環(huán)的機(jī)械尺寸精度由0.1mm提升至0.02 mm,實(shí)現(xiàn)了引線(xiàn)環(huán)的高精度定位功能。