氣密封連接器氦氣吸附問題的分析研究

王榕欣，郭 嬿，姜 曼，劉 斌

(陜西華達科技股份有限公司，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，是傳輸信號的關鍵元件，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用于微波通訊、航天航海、武器系統(tǒng)等領域中的天線、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)傳輸設備中應用越來越廣泛，作用也越來越重要。

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行數(shù)據(jù)傳輸。產(chǎn)品除要求有常規(guī)電性能外，還應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。在對密封連接器密封性的檢測中，氦質(zhì)譜檢漏經(jīng)常作為重要的方法和手段，通常在檢測器件盒整體密封性時采用的是氦質(zhì)譜背壓檢漏法進行檢漏，檢漏時器件盒上元器件會對氦氣有吸附作用，從而造成密封器件盒的檢漏數(shù)據(jù)超標。鑒于沒有相關研究以及數(shù)據(jù)，我們對氣密封連接器進行了相關試驗和檢測，以分析連接器自身的結(jié)構(gòu)和所使用的絕緣材料對檢漏結(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)氣密封連接器的實際應用情況，當中空密封器件盒安裝若干個氣密封連接器后，進行器件盒密封性能測試，整體漏率要求為：≤ 1×10-9Pa·m3/s。

3 結(jié)構(gòu)設計

3.1 氣密封連接器的結(jié)構(gòu)

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

圖1 氣密封連接器局部結(jié)構(gòu)圖

3.2 氣密封連接器應用過程中出現(xiàn)的問題

3.2.1 氣密封連接器的應用場合

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)需要加工若干個安裝孔，將不同的元器件安裝到器件盒上，最后對器件盒進行整體封接，以保證器件盒整體是密封的。換句話說，器件盒內(nèi)部是中空的，盒體上會安裝各種元器件，通過封接來保證器件盒內(nèi)外的密封性。

3.2.2 密封問題

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是：≤ 1×10-9Pa·m3/s，安裝到器件盒上封接后，整體漏率指標仍為：≤ 1×10-9Pa·m3/s。從常規(guī)理解只要連接器漏率指標能夠達到標準要求，安裝工藝得當，最終器件盒的漏率指標能夠≤ 1×10-9Pa·m3/s。但在在具體生產(chǎn)安裝過程中，會出現(xiàn)器件盒上安裝上氣密封連接器后，所測試的漏率指標僅能達到1×10-6Pa·m3/s～1×10-7Pa·m3/s，但這種漏率下降并非因為安裝不當造成的。由于在測試過程中器件盒會放在密封室里用氦氣加壓數(shù)小時，因此懷疑氣密封連接器上吸附的氦氣不能及時釋放，影響到最終的漏率檢測。

3.2.3 問題分析

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

3.2.3.1 連接器漏率檢測方法

連接器的漏率檢測采用氦質(zhì)譜噴氦檢漏法，按照GJB360B方法112檢測(見圖2)，產(chǎn)品安裝在專用工裝上，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，氦質(zhì)譜檢漏儀下部抽真空，以保證產(chǎn)品的兩端有一個大氣壓差，上部噴嘴不斷噴射氦氣，當被檢產(chǎn)品有漏孔時，氦氣立即會被吸入到真空系統(tǒng)，從而擴散到質(zhì)譜室中，氦質(zhì)譜檢漏儀的輸出就會立即有相應，從而實現(xiàn)被檢產(chǎn)品漏率測量，此方法檢測靈敏度高，速度快。

圖2 氦質(zhì)譜噴氦檢漏法檢測示意圖

3.3.2.1 器件盒的測試方法

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

首先進行細檢，主要用于判斷器件盒微小漏孔的測量和定位，細檢按下列步驟進行。

步驟一：封好的器件盒至于密封室內(nèi)，在規(guī)定的時間和壓力下用氦示蹤氣體對密封室加壓。例如對器件盒加兩個大氣壓，加壓四小時。如果被檢器件盒表面有漏孔，氦氣便通過漏孔壓入器件盒內(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)譜背壓檢漏法測示意圖

步驟二：取出器件盒，將表面的殘余氦氣吹除，此過程在五分鐘內(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)的氦氣會通過漏孔泄漏到真空容器中，再進入氦質(zhì)譜檢漏儀，從而實現(xiàn)被檢器件盒總漏率測量，檢漏儀給出的漏率值為測量漏率，需要通過換算公式計算出被檢器件盒的等效標準漏率。

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

3.2.3.3 試驗方法分析

因為當氣體和固體表面處于平衡態(tài)時，靠近固體表面的氣體密度總是大于遠離表面的密度，這說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)象稱為吸附現(xiàn)象，所以固體表面分子對于氣體表面分子存在吸附能力。

從上述檢測方法可以看出，氦質(zhì)譜噴氦檢漏法為即時檢測法，速度快，測試時不會受到氦氣吸附效應的影響，氦質(zhì)譜背壓檢漏法需要對器件盒用氦氣加壓數(shù)小時，器件盒上會吸附有氦氣分子，所以器件盒加壓完后，上面所吸附氦氣分子能否及時釋放則關系到最終檢測結(jié)果的準確性。

實際檢測顯示：在進行步驟一氦氣加壓過程中，器件盒表面的某些元器件會吸附氦氣，而且不能及時釋放，在步驟三時出現(xiàn)氦氣緩慢釋放現(xiàn)象，影響檢測結(jié)果。對于此器件盒，當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。漏率指標僅能達到1×10-6Pa·m3/s～1×10-7Pa·m3/s。

3.3 試驗驗證

3.3.1 吸附氦氣原因定位

通過對氣密封連接器結(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)材料會吸附氦氣。

③結(jié)構(gòu)設計不當導致氦氣不能及時釋放。在氦示蹤氣體對其加壓若干個小時內(nèi)，氣密封連接器的插孔、絕緣子和外殼間隙處將會聚集氦氣，由于絕緣子和外導體、插孔與絕緣子均采用過盈壓配的固定方式，可能會造成聚集氦氣不能快速釋放，對測試的結(jié)果產(chǎn)生影響。

3.3.2 試驗過程

為找到氣密封連接器吸附氦氣的真正原因，根據(jù)氣密封連接器的實際使用制作器件盒，每個器件盒上焊接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行，每個步驟進行完后按照氦質(zhì)譜背壓檢漏法檢測器件盒漏率。

步驟工序測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)外導體焊接到器件盒上。<1×10-9Pa.m3/s三將絕緣子裝入外導體中。<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)外導體，從測試結(jié)果看出金屬外導體及玻璃密封體不吸附氦氣，裝上絕緣子后，漏率沒有明顯變化，說明聚四氟乙烯絕緣子本身也不吸附氦氣，在最后一個步驟，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計結(jié)構(gòu)導致氦吸附問題的產(chǎn)生。

從氣密封連接器結(jié)構(gòu)上可以看出(見圖1)，氣密封連接器采用玻璃燒結(jié)密封結(jié)構(gòu)，對于玻璃面來講，實際為一向下的凹面，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)譜背壓檢漏法測試漏率時，由于氦氣加壓時間長，所以氦氣會聚集在A處。由于絕緣子采用壓配的方式裝入外導體中，插孔采用壓配的方式裝入絕緣子，當插孔未裝入時，氦氣可以通過絕緣子孔排出，而插孔裝入后，該通道被堵死，聚集的氦氣不能及時排出，測試時仍在緩慢釋放，因此影響到最終的漏率測試結(jié)果。

3.3.3 改進驗證

為了進一步證實這種推測，對氣密封連接器結(jié)構(gòu)進行改進，例如改變氣密封連接器各個零件的配合方式，外導體和絕緣子，絕緣子和插孔之間留有間隙，改為其它的方式進行固定，留下氦氣釋放的通道，讓氦氣及時釋放。同時按照這種思路制作了產(chǎn)品，安裝到器件盒上，測試器件盒的漏率<1×10-9Pa.m3/s，滿足使用要求。

4 結(jié)論

本文通過試驗分析表明，在器件盒的氦質(zhì)譜背壓檢漏法試驗中，連接器的金屬和非金屬材料的氦吸附作用對檢漏試驗的影響很小。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對檢漏結(jié)果產(chǎn)生影響，因此我們在設計氣密封連接器時在關注連接器的密封性和可靠性的同時，還應關注連接器的使用場合和測試方法，選用合適可行的結(jié)構(gòu)。