герметичный соединитель

Формула изобретения

Герметичный соединитель, содержащий корпус из алюминиевого сплава, изолятор из стекла, установленный в корпус и имеющий осевое отверстие, в котором размещен медный токовод, при этом изолятор с корпусом и с тоководом спаян по соприкасающимся поверхностям, отличающийся тем, что алюминиевый сплав корпуса имеет предел прочности после отпуска равный или более 3200 кгс/см², а температурный коэффициент линейного расширения стекла изолятора выбран из условия соблюдения соотношения

ТКЛР алюм. сплава/ТКЛР стекла 2,

где ТКЛР алюм. сплава = (230 - 260) х 10^-7, ^oС^-1;

ТКЛР стекла = (100 - 120) х 10^-7, ^oС^-1.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к электрическим соединителям, в частности к неразборным герметично запаянным соединителям, и может быть использовано в радиотехнической и электронной промышленности, например, при изготовлении объектов аэрокосмической техники. В процессе эксплуатации таких объектов возможно воздействие на них температур свыше плюс 250^oC и ниже минус 60^oC.

Герметичные электрические соединители, как правило, состоят из центрального металлического токовода (тоководов), окружающего его (их) стеклянного изолятора и металлического корпуса. Для соединения этих элементов между собой используют два типа спая - согласованный и напряженный (1).

В согласованном спае металлические и стеклянные компоненты обладают близкими по величине температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), что предотвращает развитие напряжений в металлических и стеклянных элементах соединителя, способных нарушить герметичность соединения стекла с металлом. Но для изготовления соединителей с согласованными спаями требуется тщательный подбор материалов, что практически не всегда возможно.

Для получения герметичных и прочных электрических соединителей с напряженными спаями одним из главных условий является выполнение требования:

ТКЛР металла корпуса > ТКЛР стекла ТКЛР металла токовода (2).

Известно, что хорошие электрофизические, теплофизические и технологические свойства (допускаемые высокие токовые нагрузки, низкое удельное электрическое сопротивление, высокая теплопроводность, хорошая спаиваемость со стеклом и другие) ряда материалов, имеющих высокие ТКЛР и рекомендуемых для применения в электрических соединителях с напряженными спаями, позволяют считать их одними из лучших с точки зрения достижения технико- экономических результатов. В частности, такими материалами являются: медь и медные сплавы в качестве материала тоководов, алюминий и алюминиевые сплавы в качестве материала корпуса. Однако применение этих материалов практически очень ограничено по следующим причинам. Температура плавления меди и медных сплавов, в основном состоящих из меди (далее по тексту употребляем слово медь, имея в виду и сплавы меди), равна 1083^oC и для спаивания стекла с медью допустима температура 950-1000^oC.

Большинство алюминиевых сплавов имеют температуру плавления ниже 650^oC, а для большинства стекол, применяемых в мировой практике, для получения спаев с металлами необходимы более высокие температуры, при которых возникают условия, благоприятные для получения герметичных спаев стекла с металлом.

Также необходимо иметь в виду, что прогрев алюминиевого сплава при температурах 450-500^oC и выше заметно снижает прочность и повышает его пластичность, а это приводит к снижению прочности и герметичности электрического соединителя, запаянного при температуре выше 500^oC. Следовательно, для запаивания герметичного и прочного электрического соединителя, корпус которого изготовлен из алюминиевого сплава, а тоководы - из меди, требуется стекло, одновременно спаивающееся с указанными металлами при температуре, не превышающей 500^oC.

Как отмечалось выше, для получения герметичного и прочного электрического соединителя с напряженными спаями необходимо выполнение требования:

ТКЛР металла корпуса > ТКЛР стекла ТКЛР металла токовода.

Анализируем это требование по частям, имея в виду, что металл корпуса - алюминиевый сплав, металл токовода - медь.

ТКЛР стекла ТКЛР меди. Медь имеет ТКЛР 16510^-7oC^-1.

Стекол, широко впускаемых промышленностью и имеющих ТКЛР, равный или более значения 16510^-7oC^-1, практически не существует (2,3). Есть литературные данные (3) о том, что фирма The General Electric Company Ltd, Wembley варит специальное стекло для получения спаев с медью. Это значит, что фирма варит стекло, имеющее ТКЛР, близкий к ТКЛР меди. Но это стекло обладает низкой влагостойкостью, и применение его в электрических соединителях ограничено, так как поглощение стеклом влаги, которое особенно интенсивно происходит в условиях воздействия на стекло атмосферы с повышенной влажностью, приведет к резкому снижению изоляционных свойств стекла, а по мере насыщения стекла влагой - и к постоянному разрушению спая стекла с металлом и самого стекла.

В (3) не приводится температура получения спая данного стекла с медью.

Но так как стекло разработано для получения прямых спаев с медью, то, учитывая мировой опыт по созданию стекла для спаев с конкретными металлами, можно прогнозировать, что температура получения спая данного стекла с медью значительно превышает температуру разупрочнения, а возможно и плавление алюминиевого сплава.

Анализ требования ТКЛР металла корпуса > ТКЛР стекла, имея в виду, что корпус из алюминиевого сплава позволяет сделать следующие выводы. ТКЛР большинства алюминиевых сплавов при нормальной температуре равен (230 - 260)10^-7oC^-1.

Практически все стекла имеют ТКЛР, меньший ТКЛР алюминиевого сплава, и формально по этому показателю удовлетворяют требование ТКЛР металла корпуса > ТКЛР стекла. Но учитывая, что в электрических соединителях спай стекла с алюминиевым сплавом необходимо получать одновременно с получением спая этого стекла с медью, то стекло, как уже отмечено выше, должно иметь ТКЛР, не меньший значения 16510^-7oC^-1. Но применение стекла с таким ТКЛР, что также показано выше, ограничено по причине низкой влагостойкости, низких изоляционных свойств стекла и высокой температуры получения спаев, превышающей температуру значительного разупрочнения, а возможно и плавления алюминия.

Известны попытки по созданию стекла, предназначенного непосредственно для получения герметичного спая с алюминиевым сплавом, и ТКЛР данного стекла (15010)10^-7oC^-1 при максимальном своем значении можно считать близким к ТКЛР меди. Но существенным недостатком данного стекла является низкая стойкость к воде, которая даже в лучшем варианте исполнения стекла позволяет отнести это стекло только к самому низшему гидролитическому классу, по которому оценивается химическая стойкость стекол по отношению к воде.

Другим недостатком данного стекла является способность обеспечивать герметичные спаи и только с малопрочным алюминиевым сплавом, что в свою очередь заметно ограничивает температурный диапазон применения электрических соединителей.

Из технических характеристик данного стекла критичной является температура размягчения, которая в зависимости от химического состава стекла может быть 350-450^oC. Зная температуру размягчения, можно прогнозировать температуру получения спая данного стекла с алюминиевым сплавом, которая не дана в источнике (4).

Из мировой практики в области технологии получения спаев стекла с металлом известно, что для стекла с температурой размягчения 350-450^oC потребуется температура получения спая не ниже 530-550^oC. Это в свою очередь означает, что изначально малопрочный алюминиевый сплав, предназначенный для спаивания с данным стеклом, во время тепловой обработки в процессе пайки дополнительно и заметно понизит свою прочность, что в целом ограничивает диапазон температур, при которых электрический соединитель сохраняет герметичность.

Известны и другие попытки по разработке стекол, непосредственно предназначенных для получения спаев с алюминиевым сплавом (5,6). Но все эти стекла обладают одним или одновременно несколькими недостатками, указанными выше при характеристике стекла (4), не позволяющими рекомендовать их для применения в электрических соединителях, к которым предъявляются высокие требования по герметичности, прочности, изоляции и сохранению этих характеристик длительное время в широком диапазоне температур.

Таким образом, разработка стекол с высоким значением ТКЛР, предназначаемых для одновременного получения спаев с медью и алюминием, не привела к созданию технических решений, на основе которых можно было разработать электрические соединители с высокими техническими характеристиками.

Проблема создания электрического соединителя, содержащего корпус, выполненный из алюминиевого сплава, медные тоководы и стекла и обладающий высокой герметичностью, прочностью и изоляцией в широком диапазоне температур, по существу не решена и является актуальной.

В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран герметично запаянный соединитель (1). Соединитель содержит оболочку (корпус) из алюминия, имеющего предел прочности в состоянии отпуска 1200- 1680 кг/см² и ТКЛР 23410^-7oC^-1. В корпусе установлен изолятор, спаянный по соприкасающейся поверхности с оболочкой и выполненный из стекла, имеющего рабочую температуру спаивания 540^oC, а ТКЛР стекла выбран из соотношения:

ТКЛР сплава/ТКЛР стекла 1,5 и равен 17010^-7oC^-1

В осевое отверстие изолятора установлен медный электрический токовод, спаянный с изолятором по соприкасающейся поверхности.

Сборка соединителя для получения спаев стекла с медью и алюминием осуществляется следующим образом. Стеклянный изолятор, спрессованный из измельченного стекла, устанавливают в оболочку, в отверстие изолятора вставляют токовод. Далее производят запаивание соединителя при температуре 540^oC. Стекло при этой температуре размягчается, переходит в вязко-пластическое состояние и образует своеобразную связку с оболочкой и тоководом. Процессы, протекающие в зонах контакта стекла с алюминием и медью, обеспечивают после охлаждения получение электрического соединителя, сохраняющего герметичность в диапазоне температур от -55 до +225^oC.

Недостатком известного соединителя является не всегда приемлемый для условий эксплуатации диапазон температур, т.е. в условиях эксплуатации температуры могут быть выше +255^oC и ниже -55^oC. Недостаток обусловлен следующими причинами. В процессе запаивания соединителя при 540^oC происходит заметное снижение прочности материала оболочки, т.е. во время запаивания и охлаждения запаянного соединителя прочность сплава, из которого сделана оболочка, значительно ниже прочности этого материала в состоянии отпуска (1200-1680 кг/см²) и по этой причине материал оболочки имеет значительную склонность к пластическому течению при воздействии незначительных растягивающих нагрузок.

При охлаждении после запаивания происходит следующее.

После достижения температур 400^oC стекло значительно увеличивает свою вязкость, постепенно переходит в твердое состояние и начинает препятствовать оболочке вернуться к своим первоначальным геометрическим размерам (в частности, диаметр отверстия, в которое запаяно стекло). По мере охлаждения соединителя степень возврата оболочки к первоначальным геометрическим размерам определяется не только степенью отверждения стекла (величиной вязкости стекла), но и прочностью сплава, из которого изготовлена оболочка. Малопрочный алюминиевый сплав, из которого выполнена оболочка, при повышенной температуре становится менее прочным и более пластичным, и оболочка не имеет возможности возвратиться к своим первоначальным размерам. Т.е., если диаметр отверстия оболочки, в которое запаяно стекло, до пайки имел размер "x", то после запаивания и охлаждения соединителя это отверстие будет иметь диаметр "x+y". Величина "y" тем больше, чем меньшую прочность имел алюминиевый сплав, из которого сделана оболочка, и чем выше была температура запаивания соединителя и начала отверждения стекла.

Увеличение диаметра отверстия оболочки означает, что обжатие стекла оболочки из алюминиевого сплава, происходящее при охлаждении запаянного соединителя, сопровождается пластической деформацией алюминия. Пластическая деформация тем больше, чем выше температура запаивания соединителя, температура начала отверждения стекла, чем ниже исходная прочность сплава и выше степень разупрочнения сплава при температуре запаивания.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание электрического соединителя с увеличенным диапазоном температур, в котором будет сохраняться прочность и герметичность этого устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в герметичном соединителе, содержащем корпус из алюминиевого сплава, изолятор из стекла, установленный в корпус и имеющий осевое отверстие, в котором размещен медный токовод, при этом изолятор с корпусом и с тоководом спаян по соприкасающимся поверхностям, согласно изобретению алюминиевый сплав корпуса имеет предел прочности после отпуска от температуры запаивания соединителя не менее 3200 кг/см², а температурный коэффициент линейного расширения стекла выбран из соотношения ТКЛР алюм. сплава/ТКЛР стекла 2, где ТКЛР алюм. сплава = (230-260)10^-7oC^-1, ТКЛР стекла = (100-120)10^-7oC^-1.

Наличие признаков, отличающих заявляемое изобретение от прототипа, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "новизна".

Отличительные признаки изобретения, заключающиеся в задании технических характеристик материалов, из которых выполнены элементы соединителя, обеспечивают следующий технический эффект.

Стекло с невысоким ТКЛР имеет сравнительно невысокую температуру получения спаев с алюминием и медью 470 - 480^oC.

Запаивание предлагаемого электрического соединителя при 470-480^oC и охлаждение его от этой температуры позволяет сохранить прочностные свойства алюминиевого сплава, из которого изготовлен корпус соединителя, практически на уровне исходного состояния, т.е. в состоянии высокой прочности.

В процессе охлаждения соединителя после запаивания происходит опережающее охлаждение металлических частей его - токовода и корпуса вследствие более высокой по сравнению со стеклом теплопроводности, большей поверхности контакта непосредственно с охлаждающей средой и, следовательно, большей поверхности, излучающей тепло. Температура стекла в любой момент охлаждения соединителя оказывается выше, чем токовода и корпуса, исключая микрослои стекла, непосредственно контактирующие с металлическими частями.

В массе стекла между любыми двумя точками или зонами существует температурный градиент, тем больший по величине, чем дальше находятся друг от друга выбранные зоны. Максимальная температура сохраняется в зонах стекла, наиболее удаленных от токовода и корпуса, а минимальная, равная температурам токовода и корпуса, на границах стекла с тоководом, корпусом и охлаждающей средой.

При охлаждении токовода на границе контакта со стеклом и в контактной зоне стекло начинает переходить в твердоупругое состояние, приобретая при этом прочное соединение с тоководом (спай). Дальнейшее охлаждение и уменьшение диаметра токовода приводит к тому, что он создает тянущее усилие - тянет за собой стекло, имеющее в зонах, удаленных от токовода значительно более высокую температуру, чем в контактной с тоководом зоне, и сохраняющее в силу этого способность к пластической деформации. Поэтому уменьшение диаметра токовода при охлаждении не приводит к разрушению соединения стекла с тоководом и самого стекла.

Охлаждение корпуса соединителя, начиная от температуры спаивания, в начальный период сопровождается тем, что корпус, уменьшая свои размеры, создает толкающее усилие на стекло - толкает перед собой вязкую массу стекла, все время прижимая ее к тоководу. При температуре начала стеклования на границе и в зоне контакта с металлом стекло начинает переходить в твердоупругое состояние, приобретая прочное соединение с корпусом. Далее, охлаждаясь значительно быстрей стекла, которое сохраняет достаточно высокую температуру по сравнению с корпусом в зонах, удаленных от корпуса, и способность к пластической деформации, корпус соединителя оказывает сжимающее усилие на стекло, которое в результате пластической деформации продолжает плотно прижиматься к тоководу. При достижении температуры, при которой все стекло переходит в твердоупругое состояние, корпус, охлаждаясь и уменьшая свой внутренний диаметр, начинает вызывать в стекле напряжение сжатия, упругую деформацию и сам испытывать напряжение растяжения.

Но в данном случае это не означает, что в корпусе из алюминиевого сплава появляются заметные пластические деформации. Учитывая высокую прочность алюминиевого сплава, из которого изготовлен корпус, есть основания главным образом говорить о появлении упругих деформаций в корпусе.

При достижении тоководом и корпусом температуры окружающей среды стекло, имея к этому моменту более высокую температуру, охлаждается, уменьшает свои геометрические размеры, плотнее обжимает токовод, снижает уровень напряжений растяжения в корпусе и уровень напряжений сжатия и упругой деформации в самом стекле.

Практическая реализация предложенных материаловедческих и технологических решений позволяет получать электрические соединители, которые сохраняют герметичность при эксплуатационных нагревах до 300^oC и охлаждении до -70^oC.

При эксплуатационном нагреве возникают благоприятные условия для реализация упругих деформаций алюминиевой оболочки и стекла, в результате чего обеспечивается сохранение прочного спая между оболочкой и стеклом. При повышении температуры соединителя уменьшается степень обжатия стекла оболочкой, но не происходит разгерметизация спая.

Сохранение герметичности спая между стеклом и медным тоководом при эксплуатационном нагреве гарантируется опережающим по сравнению со стеклом увеличением диаметра токовода, в результате чего происходит еще более сильное обжатие токовода стеклом и накопление упругих деформаций в зоне стекла, контактирующей с тоководом. Процесс охлаждения соединителя с сохранением герметичности после эксплуатационного нагрева аналогичен охлаждению после запаивания.

Сообщенное выше позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведена конструкция герметичного соединителя (вид сверху), на фиг. 2 - вид сбоку на соединитель.

Соединитель состоит из корпуса 1, выполненного из алюминиевого сплава, изолятора 2, выполненного из стекла, и тоководов 3, выполненных из меди или медного сплава. Изолятор 2 установлен в корпусе 1. В отверстиях 4 изолятора 2 размещены тоководы 3. По соприкасающимся поверхностям изолятор 2 с корпусом 1 и тоководами 3 соединен в процессе спаивания. Алюминиевый сплав, из которого выполнен корпус 1, имеет предел прочности после отпуска от температуры запаивания соединителя 3200 кгс/см², а ТКЛР стекла изолятора 2 выбраны из условия соблюдения соотношения ТКЛР алюм. сплава / ТКЛР стекла 2, где ТКЛР алюм.сплава = (230-260) 10^-7oC^-1. ТКЛР стекла = (100-120)10^-7oC^-1.

Тоководы 3 выполнены из меди с ТКЛР = 16510^-7oC^-1

Соединитель изготавливают следующим образом. Из измельченного стекла формируют таблетку с отверстием. Наружный диаметр таблетки соответствует внутреннему диаметру корпуса 1, а диаметр отверстия 4 соответствует диаметру токовода 3. Сборку элементов соединителя производят в графитовых кассетах. Устанавливают таблетку (будущий изолятор 2) в корпус, размещают в отверстиях 4 тоководы 3. После этого собранный соединитель помещают в печь, нагревают до температуры 470-480^oC, выдерживают при этой температуре до расплавления стекла и приобретения им вязкотекучего состояния. На границах стекла с металлами протекают химико-диффузионные процессы, способствующие образованию герметичного и прочного спая. Далее соединитель охлаждают.

Ниже представлены примеры практической реализации изобретения с применением конкретных материалов, использованных для отдельных элементов электрического соединителя, и результаты испытаний запаянных соединителей.

Партия 1.

Корпус соединителя: алюминиевый сплав АМГ6, ТКЛР = 24010^-7oC^-1. Прочность алюминиевого сплава после отпуска (отжига) при температуре 470-480^oC равна и более 3200 кгс/см² (результаты экспериментальные).

Тоководы: медь, ТКЛР = 16510^-7oC^-1

бронза БрХ08, ТКЛР = 16710^-7oC^-1

Изолятор: стекло С100-1, ТКЛР = 10010^-7oC^-1.

Температура, при которой запаивались электрические соединители, 470-480^oC.

Время запаивания 15 минут.

Партия 2.

Корпус соединителя: алюминиевый сплав АМГ6, ТКЛР = 24010^-7oC^-1.

Прочность алюминиевого сплава после отпуска (отжига) при температуре 470-480^oC равна и более 3200 кгс/см² (результаты экспериментальные).

Тоководы: медь, ТКЛР = 16510^-7oC^-1

бронза БрХ08, ТКЛР = 16710^-7oC^-1

Изолятор: стекло ЛС2, ТКЛР = 12010^-7oC^-1.

Температура, при которой запаивались электрические соединители, 470-480^oC.

Время запаивания 15 минут.

Запаянный при 470-480^oC и охлажденный соединитель сохраняет герметичность при многократном термоциклировании в диапазоне температур (-70) - (+300)^oC, имеет высокие изоляционные свойства (конкретные результаты в таблице).

Необходимо заметить, что термоциклирование осуществлялось в наиболее жестком варианте, т.е. электрический соединитель быстро помещался в среду, имеющую температуру -70^oC, выдерживался в ней определенное время, извлекался и быстро помещался в печь, имеющую температуру 280-300^oC.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент США N 3685005, м.кл. H 01 13/40, заявка от 22.07.69 г. под названием "Герметично запаянный соединитель" - прототип.

2. М. Л. Любимов "Спаи металла со стеклом", М., "Энергия", 1968, с.с. 100, 40 - 42, 58 - 61, 68, 129.

3. Б. Роус, "Стекло в электронике", М., "Советское радио", 1969, с.с. 334, 335, 337, 339, 342 - 345, 123.

4. А.С. СССР N 420581, м.кл. C 03 C 3/10, 31.07.72.

5. А.С. СССР N 523056, м.кл. C 03 C 3/08, 03.01.75.

6. A.C. СССР N 564277, м.кл. C 03 C 3/08, 23.04.75.