太赫茲玻璃絕緣子的研制

王 辰，趙建波，王 強(qiáng)，石 鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

太赫茲玻璃絕緣子由于其頻率高,短波段屬于毫米波,其傳輸?shù)陌踩约翱垢蓴_性強(qiáng),信息承載量大,玻璃絕緣子常用做連接器介支撐及集成電路外殼中。射頻微波器件在海洋、空間等惡劣環(huán)境條件下使用越來越多,器件上所使用的氣密封連接器及氣密封玻璃絕緣子的需求也越來越大。隨著5G的普及,及器件間數(shù)據(jù)傳輸帶寬提升的需求,對氣密封玻璃絕緣子的頻率要求也越來越高。本文重點(diǎn)闡述了一種太赫茲玻璃絕緣子的設(shè)計(jì)研制。

2 技術(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)如下:

特性阻抗:50Ω;

頻率范圍:0.01 GHz～110GHz;

電壓駐波比(VSWR):小于1.6@110GHz;

泄漏率:在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,其示蹤氣體泄漏率不超過≤1×10-3Pa·cm3/s;

射頻插入損耗:≤0.7dB;

絕緣電阻:不小于1000MΩ。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 材料選擇

該產(chǎn)品采用匹配封接,玻璃材料選擇康寧7070或其他同性能材料,其線膨脹系數(shù)約為32×10-7/℃(300℃),介電常數(shù)為4.0。氣密封常用的金屬材料為可伐合金(4J29)其線膨脹系數(shù)為(45～55)×10-7/℃(300℃),適用于匹配封接。

3.2 外形尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)玻璃絕緣子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主要設(shè)計(jì)尺寸為內(nèi)導(dǎo)體外徑、外導(dǎo)體內(nèi)徑及外導(dǎo)體長度。

圖1 玻璃絕緣子基本結(jié)構(gòu)

玻璃絕緣子產(chǎn)品的內(nèi)導(dǎo)體外徑、外導(dǎo)體內(nèi)徑主要由特性阻抗、截止頻率決定,根據(jù)公式(1)及公式(2)

(1)

式中:

fc為截止頻率,單位為MHz;

C為真空中的光速;

λi為波長,單位為mm;

D為外導(dǎo)體內(nèi)徑,單位為mm;

d為內(nèi)導(dǎo)體外徑,單位為mm;

εi為相對介電常數(shù)。

(2)

式中:

Z0為特性阻抗,單位為Ω;

εi為相對介電常數(shù);

D為外導(dǎo)體內(nèi)徑,單位為mm;

d為內(nèi)導(dǎo)體外徑,單位為mm;

已知特性阻抗Z0為50Ω,常用高頻玻璃粉(康寧7070)的εi為4,截止頻率fc要求大于110GHz,即110000MHz,得滿足截止頻率fc的內(nèi)導(dǎo)體外徑d的接近值為0.13mm。

按照內(nèi)導(dǎo)體外徑d為0.127mm計(jì)算,得截止頻率f∞為119.4GHz,滿足110GHz的要求。

再根據(jù)公式(1)及公式(2),得出外導(dǎo)體內(nèi)徑為0.67mm。

外導(dǎo)體長度根據(jù)安裝環(huán)境及工藝的要求,設(shè)計(jì)為1mm。

3.3 模擬及指標(biāo)驗(yàn)證

3.3.1 電壓駐波比

通過理論計(jì)算,確定最佳尺寸,再通過軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行微波仿真,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。電壓駐波比仿真結(jié)果如圖2所示。

仿真模型

電壓駐波比(公稱尺寸)圖2 建模及仿真結(jié)果

仿真結(jié)果為電壓駐波比≤1.04,滿足電壓駐波比小于1.6@110GHz。

3.3.2 絕緣電阻

絕緣電阻通常是絕緣材料的體積電阻和表面電阻的并聯(lián)結(jié)果,可以按照公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

R=RV·RS/(RV+RS)

(3)

式中:RV=ρV·d/S, RS=ρS·b/S。

RV-體積絕緣電阻;

ρV-絕緣材料體積電阻系數(shù);

RS-表面絕緣電阻;

ρS-表面電阻系數(shù);

d-導(dǎo)體間絕緣材料內(nèi)的最短距離;

S-導(dǎo)體間相對應(yīng)的面積;

b-爬電距離。

將ρV=1×1016Ω·m;ρS=1×1014Ω·m;d=0.28×10-3m;S=0.36×10-6m2;b=0.28×10-3m代入公式(3)計(jì)算得:

RV=1×1016×0.28×10-3/(0.36×10-5)=0.737×1019Ω

RS=1×1014×0.28×10-3/(0.36×10-5)=0.737×1017Ω

R=RV·RS/(RV+RS)=7.3×1016Ω=7.3×1010MΩ。

絕緣子的絕緣電阻滿足指標(biāo)中“絕緣電阻≥1000MΩ”的要求。

3.4.3 回波損耗:

通過軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,以簡化設(shè)計(jì)過程,仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 插入損耗仿真

圖4 精密天平

根據(jù)仿真結(jié)果,滿足插入損耗小于0.7dB。

4 絕緣子的制造

4.1 金屬零件的制造

該產(chǎn)品的尺寸外形是φ1.1mm×1mm,對表面加工粗糙度和外觀要求苛刻,采用精密車床加工,嚴(yán)格控制內(nèi)孔倒角大小,較小倒角對封接的影響。封接內(nèi)孔表面的粗糙度是影響封接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié),內(nèi)孔的表面粗糙度必須在Ra≤1.6μm。

外殼加工工藝路線:

內(nèi)導(dǎo)體直徑為φ0.127mm長度為3mm,加工時容易變形。采用多頭車加工中心精加工各尺寸,嚴(yán)格控制進(jìn)刀速度和轉(zhuǎn)速,可以較好地保證配合的關(guān)鍵尺寸及精度的要求,零件變形量控制在要求的范圍內(nèi)。

內(nèi)導(dǎo)體加工工藝路線:

4.2 玻璃坯制備

該絕緣子的玻璃坯重量控制是控制絕緣子一致性的關(guān)鍵,該絕緣子的尺寸小,玻璃坯重量小于1mg,為0.62mg,對重量的一致性要求更高。

玻璃坯加工工藝路線:

該絕緣子的外導(dǎo)體內(nèi)徑為0.67mm,內(nèi)導(dǎo)體外徑0.127mm,中間玻璃介質(zhì)的厚度僅為0.27mm。玻璃坯壓制過程中采用定時稱重,調(diào)整壓制行程,由于玻璃坯質(zhì)量極小,已接近壓制機(jī)極限,且先前沒有制作極輕型玻璃坯的經(jīng)驗(yàn),使用首批制作的玻璃坯的產(chǎn)品玻璃大小一致性差。經(jīng)過分析,由于玻璃坯小,現(xiàn)場使用的天平精度限制,采用10只玻璃坯整體稱重的方式,這種稱重方式?jīng)]有將玻璃坯重量一致性差的問題暴露出來。經(jīng)改進(jìn)后,采用精密天平(圖 4)單件稱重。由于該型號絕緣子體積極小,受加工工藝及排蠟工藝限制,玻璃坯外形尺寸控制困難,玻璃坯還需經(jīng)過篩選外形尺寸使用。

4.3 燒結(jié)模具的設(shè)計(jì)及制備

燒結(jié)定位模具是保證玻璃絕緣子尺寸的關(guān)鍵,設(shè)計(jì)時,對關(guān)鍵尺寸加嚴(yán)控制,減少每塊模具上安裝的絕緣子數(shù),降低裝配難度,提高成品率。

該型號玻璃絕緣子內(nèi)導(dǎo)體直徑小,僅0.127mm,對刀具要求高。在加工時嚴(yán)格控制進(jìn)刀速度及轉(zhuǎn)速,保證模具內(nèi)導(dǎo)體定位孔的尺寸合格。

4.4 零件的預(yù)處理

燒結(jié)金屬零件在機(jī)加工過程中會產(chǎn)生一定的應(yīng)力,表面受到污染,金屬機(jī)體內(nèi)的雜質(zhì)如C、S及有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì),以上這些對封接強(qiáng)度和氣密性都有較大影響。金屬-玻璃的燒結(jié)要想達(dá)到良好的的氣密性、絕緣性能和承受溫度沖擊、溫度循環(huán)等要求,必須保證封接結(jié)合部位的表面潔凈,即去除金屬機(jī)體的雜質(zhì)和表面的雜質(zhì)。

高溫退火熱處理采用真空退火熱處理,采用1010℃,保溫15～18分鐘的真空凈化處理技術(shù),真空度要求不低于5×10-3Pa,隨爐降溫至100℃以下,方可從爐內(nèi)取出零件。按此工藝,金屬殼體的晶粒度達(dá)到最佳狀態(tài),不僅保證了金屬封接部位的強(qiáng)度要求,也使封接產(chǎn)品的機(jī)械性能、電性能達(dá)到了最佳狀態(tài)。

4.5 玻璃燒結(jié)

為保證玻璃絕緣子的密封性和絕緣性能,燒結(jié)采用中性氣氛。為減小金屬零件燒結(jié)后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,保證在裝配、使用和各種環(huán)境變化中的封接性能,燒結(jié)中增加了退火工序。退火點(diǎn)和保溫時間由玻璃特性來確定。

玻璃絕緣子的燒結(jié)是本產(chǎn)品的封接性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最終環(huán)節(jié),是關(guān)鍵技術(shù)之一。該工藝的完成將決定玻璃絕緣子的主要性能指標(biāo)如密封性、絕緣電阻、電壓駐波比、抗溫度沖擊等。燒結(jié)的溫度根據(jù)玻璃粉的燒結(jié)溫度和零件的大小,放置零件的多少確定。見圖5燒結(jié)工藝曲線。該溫度曲線在常規(guī)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上調(diào)整了升溫速率、降溫速率和保溫時間。

圖5 燒結(jié)工藝曲線

射頻絕緣子對玻璃高度有較高的要求,該型號絕緣子對玻璃高度的控制提出了更高的要求。由于目前的玻璃坯制作工藝的限制,制作高精度外形尺寸的玻璃坯有很大困難,故采用特殊的模具設(shè)計(jì),以降低裝配難度,滿足設(shè)計(jì)要求。

4.6 表面處理

在玻璃絕緣子電鍍前,需要化學(xué)拋光處理,在化學(xué)拋光過程中,引線根部有因氣膜引入的內(nèi)應(yīng)力。為消除此應(yīng)力,在化學(xué)拋光工序后增加研磨工序,同時研磨具有機(jī)械拋光的作用,可去除引線根部氧化層,進(jìn)而使引線根部鍍層質(zhì)量和端部鍍層質(zhì)量狀態(tài)一致且鍍層致密均勻。這也就消除了引線根部鍍層的應(yīng)力條件。機(jī)械拋光過程需嚴(yán)格控制過程參數(shù),避免對玻璃造成不可修復(fù)的機(jī)械損傷。

分別對不同狀態(tài)下密封連接器引線根部進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析和能譜(EDS)分析,結(jié)果如圖6所示,圖中a-化學(xué)拋光后、b-研磨后、c-電鍍后;黑點(diǎn)為EDS分析處。

圖6 密封連接器引線根部狀態(tài)SEM圖

從SEM圖中可以看出化學(xué)拋光后,密封連接器引線根部表面粗糙,對其進(jìn)行能譜分析顯示主要為Fe、Co、Ni的氧化物以及Si、Cr異物元素;研磨后,引線根部表面平滑,對其進(jìn)行能譜分析顯示主要為Fe、Co、Ni的氧化物以及少量Si元素;電鍍后,鍍層致密均勻,對其進(jìn)行能譜分析顯示主要為Au元素,無Si元素。所以通過SEM圖和EDS圖可以看出,研磨后引線根部狀態(tài)一致且光滑無異物,表面明顯得到了較大的改善。因此,研磨可以消除引線根部的應(yīng)力條件。

采用交叉覆鍍工藝技術(shù)增強(qiáng)鍍層抗腐蝕強(qiáng)度。目前國內(nèi)外電鍍行業(yè)電鍍保護(hù)層普遍采用鎳-金工藝,但有鹽霧要求或抗腐蝕性要求較高時,可采用交叉覆鍍工藝即鎳-金-鎳-金鍍層,鎳-金-鎳-金結(jié)構(gòu)可將鍍層中的微缺陷(如針孔、針眼)錯位覆蓋,避免腐蝕通道的產(chǎn)生,從而提高整個鍍層的抗鹽霧腐蝕能力。

涂覆的前處理是保證結(jié)合力的基礎(chǔ),涂覆完工后的清洗也是重要的工藝步驟。由于該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)原因,鍍液容易殘留在玻璃表面,造成產(chǎn)品的絕緣電阻下降。因此在涂覆完成后一定要經(jīng)過多次的流水清洗-蒸餾水清洗-熱蒸餾水清洗,用電吹風(fēng)吹干,最后在烘箱內(nèi)進(jìn)行去氫脆工藝,同時達(dá)到干燥的目的。

5 試驗(yàn)及測試

該產(chǎn)品研制完成后,按詳細(xì)規(guī)范對產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

泄漏率、鹽霧試驗(yàn)、絕緣電阻分別按GJB548A方法1014A、1009A、1003測試,均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。插入損耗按照GJB 976A-2009中4.5.14測試,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。電壓駐波比進(jìn)行了測試,測試結(jié)果見圖7,從測試曲線中可以看出樣品的電壓駐波比滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 電壓駐波比測試曲線

6 結(jié)論

試制樣品經(jīng)試驗(yàn)、測試滿足指標(biāo),該產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理,模具及工藝經(jīng)改進(jìn)后,產(chǎn)品一致性及合格率有了較大提高,該產(chǎn)品經(jīng)用戶使用并隨整機(jī)測試后,滿足各項(xiàng)性能要求。