一種氣密封微矩形連接器的設計

摘要：連接器是常見的元器件之一，隨著設備使用環境的不同，連接器也被賦予了各式各樣的附加性能要求。如最常見三防要求(即鹽霧、霉菌、潮濕)，耐振動、沖擊要求等;其中，氣密封要求也是連接器在特殊使用環境下的一種要求。隨著各種設備的小型化、輕型化要求，氣密封連接器的小型化、輕型化要求也一并提出。本文介紹了一款采用玻璃燒結工藝實現的氣密封連接器，并對其設計技術進行了簡要概述。

0 引言

氣密封連接器主要應用在設備的穿艙區域，隔絕設備內外的空間，并實現密封功能。通常情況下，以泄漏率這個指標來衡量氣密封性能。根據具體設備的使用環境不同，泄漏率要求一般在1.01×10-1Pacm3/s ～1.01×10-3Pacm3/s之間。連接器的氣密封技術一般分為采用膠密封和玻璃燒結密封兩種技術。膠密封存在易老化、熱真空釋氣等問題，所以在嚴苛環境下往往采用玻璃燒結技術來實現氣密封功能。玻璃燒結密封連接器對密封技術要求很高，不僅要求有一定的機械強度，而且要求在高真空的情況下，有良好的氣密性和導電性。

隨著各種設備的小型化、輕型化要求，氣密封連接器的小型化、輕型化要求也一并提上日程。其中，氣密封微矩形連接器就擁有非常大的市場空間。本文所述的氣密封連接器即是結合市場需求，設計研發的一款氣密封微矩形連接器。

1 技術要求

a) 工作溫度：-55℃～+260℃;

b) 絕緣電阻：≥5000MΩ(正常條件下);

c) 耐 電 壓：1000V(標準大氣條件下);

d) 額定電流：5A;

e) 氣密性：1.01×10-3Pacm3/s;

f) 沖擊：加速度735m/s2;

g) 振動：頻率10Hz～2000Hz 加速度196m/s2;

h) 機械壽命：500次。

2 主要結構

產品主要由殼體、玻璃絕緣子、接觸件及附件組成。玻璃絕緣子孔位間距采用1.27×1.27網格間距的孔位排布，接觸件采用剛性插孔。該產品具有接點密度高、體積小、重量輕、氣密封等特點，適用于高密度、微型化、輕型化、高速率、高可靠要求的各種電氣電路系統的互連，滿足系統輕型化、微型化、氣密性的需求。產品模型如下圖所示：

圖1 產品模型圖示

其核心部分包括殼體、玻璃絕緣子、接觸件三部分;其中，殼體與接觸件通過玻璃絕緣子在高溫環境下一體成型，玻璃絕緣子在保證電氣絕緣的同時還要滿足泄漏率的要求。主要結構如下圖所示：

圖2 產品主要結構圖示

3 工藝實現

本產品采用玻璃餅燒結工藝技術來實現氣密封功能。玻璃餅燒結技術是比較傳統的玻璃燒結技術，玻璃餅燒結技術的特點是結構簡單，壓制工藝成熟，并且殼體加工工藝簡單，比較適合企業大規模生產。在國內外的生產中應用較多，是比較重要的一種技術。

其中，玻璃餅結構絕緣子采用玻璃粉末并通過模具壓制成型，其孔位由模具直接成型帶出;

圖3 玻璃餅結構絕緣子圖示

其中，玻璃餅絕緣子與殼體、接觸件之間采用整體燒結技術，即在燒結過程中，通過耐高溫的石墨進行定位，然后再通過專用的高溫爐將組裝好的每一套連接器連帶模具一起加溫。在燒結過程結束以后，石墨模具可以取下，然后重復利用。

3.1機械加工

采用玻璃餅燒結結構的金屬殼體通常用機械加工的方法進行加工，值得注意的是：由于該金屬殼體需要進行高溫燒結，并且需要與玻璃進行高溫封接，所以需要選用與玻璃材料膨脹系數相接近的金屬進行機械加工，行業內常用的材料一般為可伐合金4J29，但由于可伐合金成本較高，為節約成本，一般無特殊要求的產品也可以選擇不銹鋼。本案例產品性能指標要求較高，故選用可伐合金4J29為殼體材料。

玻璃餅燒結技術是將玻璃餅與金屬通過高溫封接為一體，并且需要保證燒結后產品的密封性滿足要求，所以，需要保證殼體表面的光潔度，以便在玻璃餅與殼體燒結成型后能緊密結合。一般情況下，機加表面光潔度要保證在Ra1.6以上。同時，在設計過程中，還應該注意殼體的燒結面應盡量設計成光滑直面，盡量避免出現臺階、環蓸等結構。因為殼體中的臺階或者環蓸會影響玻璃餅與殼體的結合，并且由于玻璃在高溫融化后流動性并不是很好，容易在臺階或環蓸處出現氣泡，影響燒結質量，所以在設計時應該注意將殼體結合部位設計成光滑的直面。

圖4 燒結產品殼體圖示

同樣，玻璃燒結連接器所用的接觸件也要設計成光滑柱面，便于燒結后密封性能滿足設計要求，同時也可以提高燒結產品的成品率。通常情況下，接觸件多采用與玻璃膨脹系數接近的可伐合金或者無氧銅TU系列。由于這些材料在高溫燒結后均會產生退火效果，并且材料的彈性會基本消失，所以不建議在玻璃燒結密封連接器內采用彈性結構接觸件進行燒結，一般采用剛性接觸件結構，故本案例選用可伐合金制作剛性插孔，同時在設計時也需要注意產品的同軸度及燒結部位的直面設計。

圖5 燒結產品剛性插孔圖示

3.2 燒結成型

氣密封玻璃燒結連接器的燒結成型技術及過程主要如下：

1)玻璃餅壓制

玻璃餅相當于常規連接器的絕緣體，能夠起到絕緣作用;同時，又與常規絕緣體不同，還要求其起到密封作用。玻璃餅通常采用模壓成型工藝，使用相應的玻璃粉壓制成型。玻璃餅在壓制成型的過程中，將連接器的孔組通過模具一同壓制成型。由于在燒結過程中既要保證玻璃餅的強度，又要保證接觸件的位置度和垂直度，所以玻璃餅在設計及壓制成型過程中，要保證玻璃餅的厚度不能太厚，并且同時要保證產品孔位的垂直度及位置度。

通常，玻璃餅的壓制過程是在玻璃粉中摻入一定配比的高純度石蠟，干壓成型，然后再進行排蠟?；?。

2)金屬零件凈化

金屬零件加工好以后進行除油處理，然后進行凈化處理，凈化表面，去除表面雜質，同時還能夠消除金屬零件加工應力。

3)模具凈化

玻璃燒結連接器在燒結過程中一般采用石墨模具進行定位，而石墨模具容易吸潮，并且在加工過程中容易吸附一些油污、雜質，所以在裝模前必須經過凈化處理，然后才能用于產品封接。一般情況下，可以使用汽油或酒精進行清洗，直至模具沒有石墨粉掉下為止，然后進行烘干處理。

4)裝模

用風槍(壓縮空氣)將處理好的石墨模具吹凈，而后將殼體、接觸件、玻璃餅、石墨模具等按照產品圖樣要求進行組裝。

5)燒結

燒結是氣密封玻璃燒結連接器生產中的關鍵工序之一，封接溫度和加熱時間直接影響玻璃與氧化膜之間的過渡層和剩余氧化膜厚度。燒結不良是造成氣密性能不合格問題的主要原因，燒結溫度太低、時間太短，則玻璃與氧化膜反應不充分，過渡層太薄，剩余氧化膜層太厚，燒結質量低劣;反之，則有可能使氧化膜溶解，機械強度下降。所以，必須要適當地選擇燒結溫度和時間，一般情況下，溫度高則時間短，溫度低則時間長。

3.3表面處理

因為耐鹽霧環境的要求，氣密封玻璃燒結連接器同樣需要進行表面處理。該類產品的表面處理通常采用電鍍的處理方式，電鍍是整個燒結連接器制造過程中最復雜的工藝之一，常規連接器是先對所用零件進行鍍覆，然后再進行組裝，而氣密封玻璃燒結連接器則與其它連接器不同，該類連接器需要在燒結以后才能對產品進行表面處理。

電鍍中比較常見的問題包括鍍后接觸體尺寸超差、產品絕緣性能下降以及抗腐蝕能力不合格等問題。針對上述問題，必須要規范電鍍工藝流程，固化程序，并且要嚴格按照相應流程及要求進行操作，只有這樣，才能提高產品的合格率。

4 驗證

對設計后的氣密封微矩形連接器進行試制，并取試制樣品按GJB1217A-2009 《電連接器試驗方法》相關要求進行試驗驗證，試驗結果合格，各項指標均滿足預期要求，試驗結果詳見下表。

表1 連接器試驗結果

5 結論

設計后的玻璃燒結氣密封微矩形連接器，可以直接與相同接口的連接器互換對接使用，經試驗驗證滿足使用需求。該種連接器結構簡單，機械強度好，密封性能優異，耐高溫性，耐腐蝕性較強，電性能參數良好，可以應用于航空、航天、軍事等領域。

隨著科學技術的發展，封接技術和封接理論也會隨之得到進一步發展，相信未來，新型氣密封連接器的封接結構及封裝技術也會隨著現代工業的發展而更上一層樓。

審核編輯：湯梓紅