Как достигается герметичность упаковки? — Решение для надежного соединения стекла и металла (GTMS)

4. Основной принцип GTMS: высокотемпературное плавление, охлаждение для уплотнения.

Принцип герметизации стекла с металлом (GTMS) прост: нагрейте стекло до расплавленного состояния, чтобы оно растеклось и смачивало металлическую поверхность, образуя химические связи или микромеханические блокировки на границе раздела, а после охлаждения получите плотную поверхность герметизации.

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

Но простой принцип не означает простое исполнение. Какая самая сложная проблема в этом процессе?

5. Величайшая задача: коэффициент теплового расширения должен совпадать

Запайка осуществляется при температуре 900~1100°С. Если при охлаждении до комнатной температуры разница сжатия между стеклом и металлом слишком велика, хрупкое стекло сразу же треснет.

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

Соответствующее уплотнение: выбор пар стекла и металла с одинаковыми коэффициентами теплового расширения. Классической комбинацией является сплав Ковар (КТР≈5,3×10⁻⁶/°C) с боросиликатным стеклом, что приводит к минимальным напряжениям после охлаждения.

Компрессионное уплотнение: выбор металла (например, нержавеющей стали) со значительно более высоким коэффициентом расширения, чем у стекла, в сочетании со стеклом. После охлаждения металл сжимается сильнее, оказывая постоянное сжимающее напряжение на стекло снаружи — даже если микротрещины существуют, они не будут распространяться, вызывая утечку.

Соответствующее уплотнение имеет низкое напряжение; Компрессионное уплотнение испытывает высокие нагрузки. У каждого есть свои применимые сценарии.

Как будет выглядеть GTMS в реальных продуктах, если проблема с материалами решена?

6. Типичная форма продукта: проходное соединение

Наиболее типичным применением GTMS является герметичное соединение: металлический штифт проходит через предварительно просверленное отверстие в металлическом корпусе, а зазор между штифтом и корпусом заполняется стеклянным изолятором. После высокотемпературного плавления и охлаждения три компонента герметизируются как один.

Эта структура одновременно выполняет четыре задачи:

Герметизация — стекло заполняет зазор, герметично на молекулярном уровне.

Изоляция — стекло сопротивлением до 10¹⁴ ©·см, корпус и выводы электрически не соединены.

Фиксация — штифты прочно расположены, устойчивы к вибрации и ударам.

Передача — соединение между внутренней и внешней частью корпуса, обеспечивающее передачу сигнала.

Вот почему проходные соединения GTMS стали стандартным решением для датчиков, разъемов и модулей оптической связи.

7. Преимущества и границы применения GTMS

Преимущества GTMS: зрелый процесс, низкая стоимость, подходит для массового производства, отличная электроизоляция.

Ограничения GTMS:

Длительная рабочая температура ≤300°C

Высокая хрупкость стекла, ограниченная ударопрочность

Повышенные диэлектрические потери на высоких частотах (>10 ГГц)

Когда требования приложения превышают границы производительности GTMS, например, сценарии высокой температуры, высокой мощности, частоты миллиметровых волн или высокой механической прочности, необходимы решения для уплотнения керамики-металла (CTMS) с более высокой термостойкостью, теплопроводностью и механическими характеристиками.

[Предварительный просмотр следующей статьи] В следующей статье мы более подробно проанализируем, как уплотнение керамика-металл (CTMS) отвечает требованиям высокотемпературных, мощных и высокочастотных приложений.