CN113823469B - 一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法，属于加工工艺技术领域，包括以下步骤：S1材料选取：确定铜芯玻璃绝缘子内导体、绝缘介质、外导体三者热膨胀系数，即铜芯、玻璃介质、可伐合金三者热膨胀系；S2结构设计：根据装配结构、内导体载流/承受功率及阻抗匹配要求设计绝缘子结构尺寸；S3铜芯加工：选型材紫铜/纯铜线进行加工，将紫铜/纯铜线加工成设计要求长度时需要将铜线校直再进行线切割等。本发明中，加工成本低；填补了市面上无铜芯玻璃绝缘子技术空白；铜芯玻璃绝缘子有效降低其内导体自身发热，解决了射频微波产品此前所使用内导体为可伐合金材料自身发热问题；提升了射频微波大电流产品可靠性。
Description
技术领域
本发明属于铜芯玻璃绝缘子加工工艺技术领域，具体涉及一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法。
背景技术
-80℃～450℃内，玻璃与可伐合金膨胀系数相近，为满足玻璃绝缘子热膨胀、气密性测试要求，目前射频微波领域使用的玻璃绝缘子内导体(针)多为可伐合金(以下简称可伐合金玻璃绝缘子)，大电流通过时，形成趋肤效应，电流从镀金层表面流过，致使可伐合金内导体自身温度升高。
射频/微波大电流(大功率)模块/组件中使用的可伐合金玻璃绝缘子，模块或组件工作时其绝缘子内导体自身发热严重，通过红外测温仪测试可伐合金玻璃绝缘子内导体温度达到200℃左右，军工产品采用有铅焊接(焊料熔点180℃左右，如Sn63Pb37其熔点为183℃)，当焊点温度达到160℃以上，焊锡开始***，严重影响焊点可靠性。
目前市面上有绝缘介质为聚四氟乙烯的铜芯绝缘子(以下简称铜芯聚四氟乙烯绝缘子)，对气密性无特殊要求，可选用绝四氟乙烯铜芯绝缘子，但在使用过程存在的工艺缺陷：1)在烙铁对绝缘子针进行加热时，内导体(铜芯)与聚四氟乙烯两者之间会出现松动(当烙铁触碰到内导体一端时，其另一端会出现移位：若模块已封装好，再将模块装配/焊接到组件上时，烙铁在触碰到到内导体时，其另一端可能出现移位引起虚焊或开路，需重新对其拆盖返修)；2)采用聚四氟乙烯活化剂对聚四氟乙烯活化后，在常温下可以将铜芯与聚四氟乙烯粘接牢固，使用烙铁对绝缘子内导体加热焊接时，内导体与聚四氟乙烯之间同样会松动，采用粘接工艺不可行，且粘接效率低下。
因此，现阶段需设计一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法，来解决以上问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法，包括以下步骤：
S1材料选取：确定铜芯玻璃绝缘子内导体_铜芯、绝缘介质_玻璃介质、外导体_可伐合金三者热膨胀系数，尽量能三者热膨胀系数接近，以满足烧结工艺性要求：1)根据产品电流/功率大小确定铜芯玻璃绝缘子内导体材料(铜芯具体型号)，为最大满足载流/功率需求，内导体可直接选用紫铜；2)外导体为可伐合金；3)根据内导体(铜芯材质牌号)、外导体材料(可伐合金)的热膨胀系数来选择绝缘介质玻璃具体牌号；
S2结构设计：根据装配结构、内导体载流/承受功率及阻抗匹配要求设计绝缘子结构尺寸(包括内导体、外导体及绝缘介质尺寸)；
S3铜芯加工：紫铜/纯铜较软，加工时铜芯弯曲变形，铜芯将很难装配到玻璃坯中。可选型材紫铜(纯铜)线进行加工(根据设计要求选取相应直径的紫铜线)，将紫铜(纯铜)线加工成设计要求长度时需要将铜线校直再进行线切割；
S4铜芯氧化：对加工好的铜芯进行氧化处理，使铜芯表面生成一层氧化膜，玻璃无机氧化物与金属氧化物相互作用，增加烧结时与玻璃之间浸润性(结合力)；
S5玻璃坯加工：玻璃坯加工精度高，根据设计图纸要求加工玻璃坯，玻璃坯与内导体铜芯、外导体可伐合金采取紧配合方式，三者之间满足0.01～0.02mm间隙尺寸。
S6装模：制好的玻坯和处理好的铜芯、可伐合金零件在石墨模内按照图纸要求进行装架，装配前需确保烧结模具足够洁净，避免影响烧结质量。
S7烧结：根据待烧结铜芯玻璃绝缘子玻璃坯外径尺寸选择与之相适应的烧结温度与时间，为防止过烧，不同外径的玻璃坯其烧结温度与烧结时间不同。
S8化学镀镍：为满足烧结后的铜芯玻璃绝缘子的内导体铜芯及外导体可伐合金材料都具有可焊性，需要对完成烧结的铜芯玻璃绝缘子内外导体进行镀镍。
S9化学镀金：为防止镍层氧化或腐蚀，需要对完成镀镍的铜芯玻璃绝缘子内外导体进行镀金处理。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本方案其中一个有益效果在于，加工成本低；填补了市面上无铜芯玻璃绝缘子技术空白；铜芯玻璃绝缘子有效降低其内导体自身发热，解决了射频微波产品此前所使用内导体为可伐合金材料自身发热问题；提升了射频微波大电流产品可靠性。
附图说明
图1为本申请实施例的铜芯玻璃绝缘子结构正视图。
图2为本申请实施例的铜芯玻璃绝缘子结构侧视图。
图3为本申请实施例的铜芯玻璃绝缘子实现工艺流程。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
目前市面上有绝缘介质为聚四氟乙烯的铜芯绝缘子(以下简称铜芯聚四氟乙烯绝缘子)，对气密性无特殊要求，可选用绝四氟乙烯铜芯绝缘子，但在使用过程存在的工艺缺陷：1)在烙铁对绝缘子针进行加热时，内导体(铜芯)与聚四氟乙烯两者之间会出现松动(当烙铁触碰到内导体一端时，其另一端会出现移位：若模块已封装好，再将模块装配/焊接到组件上时，烙铁在触碰到到内导体时，其另一端可能出现移位引起虚焊或开路，需重新对其拆盖返修)；2)采用聚四氟乙烯活化剂对聚四氟乙烯活化后，在常温下可以将铜芯与聚四氟乙烯粘接牢固，使用烙铁对绝缘子内导体加热焊接时，内导体与聚四氟乙烯之间同样会松动，采用粘接工艺不可行，且粘接效率低下。
铜芯玻璃绝缘子应用于射频微波大电流(大功率)的模块或组件，主要用于解决绝缘子内导体自身发热而引起焊点质量可靠性降低的风险，同时解决焊接过程中工艺性问题：烙铁加热绝缘子内导体(针)一端，另一端发生移位引起焊点虚焊或开路风险。
铜芯玻璃绝缘子已通过相关工艺验证，已批量应用于大功率产品，有效降低玻璃绝缘子内导体自身发热，提升产品可靠性。
如图1-3所示，提出一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法。本发明的工艺步骤如下：
材料选取：确定铜芯玻璃绝缘子内导体_铜芯(紫铜)、绝缘介质_玻璃介质、外导体_可伐合金三者热膨胀系数，尽量能三者热膨胀系数接近，以满足烧结工艺性要求：1)根据产品电流/功率大小确定铜芯玻璃绝缘子内导体材料，为最大满足载流/功率需求，内导体可直接选用紫铜，其热膨胀为17.7*10-6/℃；2)为了使玻璃与外导体实现更好玻封，外导体材料选择可伐合金，选择热膨胀系数为9.5*10-6/℃左右的；3)绝缘介选择其热膨胀系数在9.5*10-6/℃～17.7*10-6/℃的玻璃。
结构设计：根据装配结构、内导体载流/承受功率及阻抗匹配要求设计绝缘子结构尺寸：a))内导体铜芯直径、长度；b)绝缘介质玻璃内孔直径及外径；c)外导体可伐合金外径及其厚度；d)为满足烧结工艺，确保内导体铜芯、绝缘介质玻璃、外导体可伐合金三者之间装配间隙在0.01mm～0.02mm之间。
铜芯加工：紫铜/纯铜较软，加工时铜芯弯曲变形，铜芯将很难装配到玻璃坯中。可选型材紫铜(纯铜)线，根据设计要求选取相应直径的紫铜线进行加工(没有合适直径的，可定做紫铜线)；将紫铜线加工成设计要求长度时需要将铜线校直再进行线切割，可细化具体步骤如下：
a首先将铜线切割成0.5m～1.0m；
b再用校直机将切割好的铜线校直；
c将已校直的多根铜线采用缠绕膜捆扎(绑)到一起，操作过程避免铜线弯曲变形)；
d根据设计铜芯长度要求采用线切割机切割铜线；
e清洗(铜芯脱脂处理)：用汽油或酒精将切割好的铜芯进行脱脂处理(清洗铜芯切屑液、脏污)。
铜芯氧化：对加工好的铜芯进行氧化处理，使铜芯表面生成一层氧化膜，玻璃无机氧化物与金属氧化物相互作用，增加烧结时与玻璃之间浸润性。铜芯氧化温度为600±10℃，氧化时间：10～15分钟；
玻璃坯加工：玻璃坯加工精度高，根据设计图纸要求加工玻璃坯，玻璃坯与内导体铜芯、外导体可伐合金采取紧配合方式，三者之间满足0.01～0.02mm间隙尺寸。需要经过以下工序完成玻璃坯加工：a)玻璃粉预处理(筛选、烘干)、b)配料、c)调浆、d)热压铸、e)吸蜡、f)排蜡、g)玻化。
装模：1)第1步清洗，用汽油或酒精清洗石墨烧结模具；2)第2步，将清洗后的石墨夹具需要在高温下真空处理，清除石墨模具中的气体或杂质，真空度为至少需要达到4×10-3Pa，温度为1000±10℃，保温时间20分钟左右；3)第3步装模，将制好的玻坯和处理好的铜芯、可伐合金零件在石墨模内按照图纸要求进行装架。装配中要注意零件位置准确、工作场地卫生清洁，防止杂质、异物进入石墨模内影响烧结质量。
烧结：为防止过烧，根据待烧结铜芯玻璃绝缘子的玻璃坯外径尺寸选择与之相适应的烧结温度与时间，不同外径的玻璃坯其烧结温度与烧结时间不同，微精玻坯烧结推荐温度范围：935～985℃，保温时间：20～40min，如表1所示；烧结后需检查玻璃是否开裂等缺陷，必要时采用推拉力测试仪通过拉铜芯确保铜芯、玻璃坯、可伐合金三者之间结合力满足要求。
表1玻坯外径尺寸与烧结温度、时间参考表
| 玻璃坯外径尺寸(mm) | 烧结温度(℃) | 烧结时间(min) |
| ≤Φ2.0 | 940±5 | 15±5 |
| 2.0<Φ≤2.5 | 950±5 | 20±5 |
| 2.5<Φ≤3.0 | 960±5 | 25±5 |
| 3<Φ≤4.0 | 970±5 | 30±5 |
| 4<Φ≤5.0 | 980±5 | 35±5 |
化学镀镍：为满足烧结后的铜芯玻璃绝缘子的内导体铜芯及外导体可伐合金材料都具有可焊性，需要对完成烧结的铜芯玻璃绝缘子内外导体进行镀镍(镀中磷镍，磷含量为5％～8％)，镍层厚度至少达到3μm，镀镍(中磷镍)主要有以下3个作用：1)作为镀金层的垫层、为镀金层提供超硬度基底；2)作为有效的阻挡层(当其厚度超过2.5μm)以防止铜向金中的扩散；3)镀中磷镍满足后道工序装配可焊性。
化学镀金：为防止镍层氧化或腐蚀，需要对完成镀镍的铜芯玻璃绝缘子内外导体进行镀金处理。为达到其可焊接(焊接前不需要去金)、抗氧化能力，镀金层厚度为0.05～0.45μm，同时为满足其抗氧化、焊接性能及经济性，镀金层厚度推荐0.1μm。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1 材料选取：确定铜芯玻璃绝缘子内导体、绝缘介质、外导体三者热膨胀系数，即铜芯、玻璃介质、可伐合金三者热膨胀系数；铜芯的热膨胀系数为17.7*10-6/℃；可伐合金的热膨胀系数为9.5*10-6/℃；玻璃介质的热膨胀系数在9.5*10-6/℃~17.7*10-6/℃之间；
S2 结构设计：根据装配结构、内导体载流/承受功率及阻抗匹配要求设计绝缘子结构尺寸；
S3 铜芯加工：选型材紫铜/纯铜线进行加工，将紫铜/纯铜线加工成设计要求长度时需要将铜线校直再进行线切割；
S4 铜芯氧化：对加工好的铜芯进行氧化处理，使铜芯表面生成一层氧化膜；
S5 玻璃坯加工：根据设计要求加工玻璃坯，玻璃坯与铜芯、可伐合金采取紧配合方式，三者之间满足0.01-0.02mm间隙尺寸；
S6 装模：制好的玻璃坯和处理好的铜芯、可伐合金零件在石墨模内按照设计要求进行装架；
S7 烧结：根据待烧结铜芯玻璃绝缘子的玻璃坯外径尺寸选择与之相适应的烧结温度与时间；
S8 化学镀镍：对完成烧结的铜芯玻璃绝缘子内外导体进行镀镍；
S9 化学镀金：对完成镀镍的铜芯玻璃绝缘子内外导体进行镀金处理。
2.如权利要求1所述的一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法，其特征在于，在所述步骤S2中，绝缘子结构尺寸包括内导体、外导体及绝缘介质尺寸。
3.如权利要求1所述的一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法，其特征在于，在所述步骤S3中，型材为紫铜线时，需经过铜芯线预切割、校直、捆扎、线切割、清洗加工工序。
4.如权利要求1所述的一种应用于射频微波大电流铜芯玻璃绝缘子的工艺方法，其特征在于，在所述步骤S6中，在装模前，对石墨夹具进行清洗、高温真空处理，同时根据设计装配图纸进行装架，满足设计尺寸要求，同时保证环境洁净。
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