Как достигается герметичность упаковки? — Надежное решение для соединения уплотнения стекло-металл (GTMS)

4. Основные принципы GTMS: высокотемпературное плавление, охлаждение и герметизация.

Принцип герметизации стекла с металлом (GTMS) прост: нагрейте стекло до расплавленного состояния, заставьте его течь и смочить поверхность металла, образовать химические связи или микромеханические блокировки на границе раздела и после охлаждения получить плотную поверхность герметизации.

Эта технология зародилась в производстве электронных ламп в начале 20 века и впоследствии широко использовалась в аэрокосмической отрасли, военной электронике, датчиках, упаковке оптоэлектронных компонентов и других областях. После долгосрочного развития оно стало одним из наиболее широко используемых и технически зрелых решений в области герметичной упаковки.

Но простые принципы не означают простое исполнение. Какая проблема была самой сложной в процессе?

5. Самая большая проблема: коэффициенты теплового расширения должны совпадать.

Герметизация осуществляется при температуре 900~1100℃. Если при охлаждении до комнатной температуры разница в усадке между стеклом и металлом слишком велика, хрупкое стекло сразу же разобьется.

Благодаря точному габаритному проектированию и расчетам термодинамического соответствия существует два решения:

Соответствующее уплотнение: выбирайте пары стекла и металла с одинаковыми коэффициентами теплового расширения. Классической комбинацией является ковар (КТР≈5,3×10⁻⁶/°C) с боросиликатным стеклом, которое после охлаждения испытывает минимальные напряжения.

Компрессионное уплотнение: выберите металл (например, нержавеющую сталь) со значительно более высоким коэффициентом расширения, чем у стекла, и соедините его со стеклом. После остывания металл сжимается сильнее, оказывая на стекло постоянную сжимающую нагрузку снаружи – даже если микротрещины и присутствуют, они не расширяются и не вызывают протечек.

Соответствующие уплотнения имеют низкую нагрузку; Компрессионные уплотнения испытывают большие нагрузки. У каждого есть свои применимые сценарии.

Проблема с материалом решена, как выглядит GTMS в реальных изделиях?

6. Типичная форма продукта: проходной

Наиболее типичным применением GTMS является герметичное проходное соединение: металлические штыри проходят через предварительно просверленные отверстия в металлическом корпусе, а зазор между штырями и корпусом заполняет стеклянный изолятор. После плавления и охлаждения при высокой температуре три части герметизируются в одну.

Эта структура делает четыре вещи одновременно:

Герметизация – стекло заполняет зазоры, герметичность на молекулярном уровне.

Изоляция - стекло сопротивлением до 10^4 ©·см, электрическое соединение между корпусом и выводами отсутствует.

Фиксированный — штифты прочно расположены и устойчивы к вибрации и ударам.

Передача - соедините внутреннюю и внешнюю часть корпуса для передачи сигнала.

Вот почему проходное соединение GTMS стало стандартным решением для датчиков, разъемов и модулей оптической связи.

7. Преимущества и границы применения GTMS

Преимущества GTMS: продуманный процесс, низкая стоимость, пригодность для массового производства и отличная электроизоляция.

Ограничения ГТМС:

Долгосрочная рабочая температура ≤300 ℃

Стекло очень хрупкое и имеет ограниченную ударопрочность.

Диэлектрические потери увеличиваются на высоких частотах (> 10 ГГц)

Когда требования применения выходят за пределы производительности GTMS (например, высокая температура, высокая мощность, частота миллиметровых волн или высокая механическая прочность), требуются решения с керамическим металлическим уплотнением (CTMS) с более высокой термостойкостью, теплопроводностью и механическими свойствами.

[Предварительный просмотр следующей статьи] В следующей статье мы более подробно проанализируем, как металлокерамические уплотнения (CTMS) могут соответствовать требованиям применения при высоких температурах, высокой мощности и высокой частоте.