微型恒温继电器底座组件封装研究

蒙高安，刘 彬

（中国电子科技集团公司第40研究所，安徽 蚌埠 233010）

1 引言

随着现代军事装备和各行业精密控制系统的发展，对元器件提出了更高的要求，寿命长、体积小、安装方便等。而微型恒温继电器具有体积小、重量轻、气密性高等优点，更适用于需要考虑重量和体积应用的高端技术场所。国内微型恒温继电器多家单位已形成多型号、批量化的研制生产平台，基本完成替代进口，现已广泛应用在火箭、卫星、飞机、机载雷达系统、医疗器械等需要温度检测、温度控制等军、民领域，具有广泛的应用前景和市场需求。继电器底座组件（以下简称组件）是微型恒温继电器的关键部件，本文介绍的是一种JUW-3M系列通用组件，其剖面结构见图1。根据设计要求，对该件进行了技术攻关，最终形成一套可靠、高效、典型的生产工艺。

2 主要技术指标

该组件主要技术指标为：外形结构尺寸Φ 6 mm×7.1 mm；触点位置尺寸为0.50±0.01 mm；泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s；绝缘电阻≥5 000 MΩ。

3 结构与制造工艺

3.1 结构

组件主要由引线、支架、静触点3个零件组成。引线和支架之间采用玻璃绝缘子连接，起绝缘、密封、固定作用，引线、支架材料采用柯伐4J29，玻璃粉采用DM305，二者线形膨胀系数为5.0×10-6/℃和4.9×10-6/℃，符合匹配封接要求。静触点和引线之间焊料钎焊连接，考虑电性能及耐磨性，触点材料熔点980 ℃。

图1 微型恒温继电器底座组件剖面图

3.2 制造工艺

工艺流程为：金属零件加工→清洗→真空处理→氧化→封接→焊触点→加工引线头部→与外壳体焊接。

主要工序说明：（1）引线和支架用玻璃绝缘子高温封接在一起，主要考虑封接的密封性、牢固性；（2）将静触点钎焊到引线端面，需要考虑焊接后的牢固性及关键结构尺寸0.5±0.01 mm；（3）用专用工装压扁引线头部，形成带孔扁头结构；（4）内部器件安装完成后与外壳激光缝焊。

4 制造工艺研究

4.1 材料及零件加工工艺

零件材料应选用较高等级材料，特别是引线丝材表面状态直接影响到封接质量，应在40倍放大镜下观察，不能有可见深度的拉丝纹路和开裂，最好选用径向纹路的磨光料。支架经车削加工成形，整体尺寸公差较严，边缘部分厚度只有0.2 mm，加工、周转很容易变形，且内孔的表面粗糙度影响封接质量，需采用高精密数控车加工完成。

引线切割按工艺尺寸切割而成，考虑静触点钎焊工序，需去除线切割加工形成的表面氧化层，端面磨光。

4.2 玻璃绝缘子封接工艺

高温玻璃坯融化时，在重力作用下向下流动，同时沿金属氧化层表面浸润延伸，而为了封接后玻璃不沿引线表面爬高，表面形成平整半弯月形，应适当减少引线氧化程度，玻坯重量在理论计算数值的基础上适当减少约5%~10%[1]。

金属零件清洗工艺为：机械滚光除油、毛刺→纯水超声波清洗→酒精脱水；玻璃坯清洗工艺为：纯水超声波清洗→无水乙醇超声波清洗→150 ℃以上焙烘。

金属零件真空净化处理，通过高温真空处理，可以很好地去除金属表面附着的气体、有机物杂质等，起到消除材料和零件加工中产生的内应力、去除表面杂质、净化表面的作用，另外高温处理使得材料组织均匀细化、稳定一致[2]。4J29材料20%变形量后退火温度晶粒度等级如表1[3]，晶粒尺寸越小，氧化速率越快，不利于控制金属氧化过程，该金属零件处理工艺为真空度1×10-3Pa，高温1020 ℃，保温15 min。

表1 各种温度下4J29晶粒等级

氧化工艺是封接中的关键工艺。根据文献资料，为保证良好的封接性和高封接强度，氧化时单位面积上氧化增量ΔW应控制在0.03~0.08 mg·cm-2，氧化膜厚度y为0.5～1 μm[4]，推荐氧化气氛为N2+1%H2O。

查得室温下H2O汽饱和蒸汽压为0.002 9 MPa，通过调节干N2和湿N2比例及水域温度控制氧化气氛为N2+1% H2O。还需控制通入N2气的总量，防止空气进入炉膛。随着氧化温度的提高，氧化速度成倍增长，多次摸索试验后该产品现行氧化工艺为在可控气氛下700 ℃保温12 min，可以根据零件大小和每次氧化数量适当调节温度和时间，按此工艺氧化后零件表面颜色为均匀一致浅灰色，封接测试后泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s，引线封接强度良好。

影响封接质量的因素主要有保护气氛、温度和时间。保护气体N2气流量要适中，过小的金属表面氧化层封接时会再氧化，封接后和玻璃结合不完全，偏大会还原原有的氧化层，两者都会降低封接强度[5~6]。封接温度不易过高，过高时溶解在玻璃液中的气体量大大增加，形成气泡，过低时玻璃不能完全熔化，均会影响封接质量，而保温时间应尽量减少。

零件前期清洗要彻底，否则高温下处理虽然目测表面干净，但实际上杂质已经渗透到金属表面。定位用石墨模具也需要洁净，封接前要在高于封接温度下加H2处理，让吸附的杂质和气体被还原后排放出来。

4.3 静触点钎焊工艺

钎焊工序，封接后需要把静触点钎焊到引线端面。需要保证关键尺寸0.5±0.01 mm，还要焊接牢固，一般焊接工艺很难保证。为达到前两项要求，我们采用的工艺为：封接→焊接表面涂助焊剂→大电流电阻焊→清洗去除助焊剂→车削静触点表面到要求尺寸。但该工艺工序复杂，效率较低，制约批量生产；另外玻璃绝缘子要承受大电流约800 ℃以上的高温冲击，车削时会有很大的机械震动，都会给玻璃绝缘子造成很大伤害，后期玻璃逐渐开裂，成品合格率不高，且一致性、可靠性都达不到要求。

采用阶梯焊接方式，同一器件先焊接温度高的部分，再焊接次高温部分，依次多次降温焊接。封接温度比焊接温度高约100 ℃，考虑在N2保护下先完成玻璃绝缘子封接工序，然后再在N2保护下用封接炉完成触点钎焊工序。工艺为：封接→焊触点。

参照封接工装改进后的触点焊接定位工装剖面结构如图2，采用石墨、金属共用复合模具，这是因为石墨加工精度低，还容易磨损，而金属加工精度和磨损性都符合定位要求，因此选用金属作为关键尺寸定位用，另外选用和零件膨胀系数一致的4J29材料，更能保证定位尺寸。玻璃绝缘子高温软化后引线和支架都能轻微移动，利用上面压块的自身重力，把零件很好地压贴到定位块表面，消除了装配间隙，且压力作用下焊接更牢固。采用石墨和金属混合的复合模具定位，N2气保护下封接炉中钎焊的工艺很好地保证了触点位置尺寸的精度和一致性，简化了工艺，极大地提高了生产效率。

图2 触点焊接定位工装剖面图

5 技术难点及解决措施

玻璃绝缘子封接是该底座组件的关键工序之一，玻璃绝缘子封接是一种特种工艺，工序复杂、特殊，需从细节入手，从零件清洗到封接都应严格按工艺操作。金属零件表面氧化是关键工序，对多种氧化状态进行理化分析，然后做绝缘子烧结后的封接强度对比试验，制定出优化的氧化工艺。封接工艺影响封接强度和密封性能，通过对比同一种氧化工艺后的零件在不同温度、气流量和保温时间下的结合强度，优选出工艺参数，为965 ℃、保温15 min、气体流量1.8 m2/h，按此工艺封接后玻璃致密、圆润，封接强度良好。

触点的钎焊工艺是另一关键工序，对焊接质量和焊接精度都提出了很高要求。而采用的石墨、金属复合模具定位，保护气氛封接炉焊接工艺保证了产品技术要求和产品生产的质量一致性，另外还对设计、工艺细节上做了优化处理，如采用触点比引线直径略大，这样焊料不会流到下面金属定位工装表面；焊料应在焊接牢固性能达到要求的情况下使用量最少；使用前需要用精密测量工具筛选定位尺寸等，很好地保证了触点焊接牢固性和焊接后的尺寸一致性。

6 结论

按上述工艺生产400只该底座组件试用，以引线为轴，对引线施加600 N·mm扭矩，引线无松动，封接强度良好；对静触点施加2 kg力，无松动脱落现象，触点焊接牢固；测量触点端面到支架口部尺寸，在0.5±0.01 mm范围内一致性较好；组装后密封温度继电器整体密封性都在200×10-5Pa·cm3/s～500×10-6Pa·cm3/s之间[7]，达到国军标要求。底座组件的重点是结构、氧化、封接、钎焊，在研制过程中对关键工序做了大量试验，形成一套典型工艺，可为其他类似精密微型恒温继电器底座组件生产起到借鉴作用。

[1] 杨俊钊. 高可靠、高强度光电金属外壳的设计[J]. 机电元件，2008.

[2] 刘静，李丰. 金属外壳封接中的柯伐合金退火[J]. 半导体光电，2005，26（2）：121-123.

[3] 王以康. 4J29合金简介[J]. 上海钢研所，2008.

[4] 冷文波，沈卓身. 柯伐合金气密封接的预氧化[J]. 电子与封装，2004，17（3）：33-41.

[5] 胡君遂，堵永国. 封接工艺对玻璃与柯伐合金结合性能的影响[J]. 机电元件，2005：37-40.

[6] N Bandypodhyay, S Tamhankar, M Kirschner. Process Conditions for Hermetic Sealing of KOVAR to Borosilicate Glass [J]. Advance in Ceramics, 1988.

[7] 微电子器件试验方法和程序GJB548A－2005 [M]. 国防科工委军标出版发行部. 48-56.