引線環(huán)是制冷型紅外探測器（以下簡稱探測器）的電學(xué)接口，用于實(shí)現(xiàn)探測器與系統(tǒng)的電學(xué)輸入和輸出。傳統(tǒng)引線環(huán)主要由上金屬環(huán)、下金屬環(huán)和陶瓷圓環(huán)三部分構(gòu)成（如圖1所示）。

圖1 傳統(tǒng)引線環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“紅外探測器高精度低溫釬焊引線環(huán)設(shè)計(jì)”為主題的文章。該文章第一作者為趙璨。

針對(duì)制冷型紅外探測器引線環(huán)高精度定位的需求，本文設(shè)計(jì)了一種低溫釬焊引線環(huán)，研究了引線環(huán)的制備工藝。選取具有高強(qiáng)度、低熔點(diǎn)的金錫釬料，在350 ℃以下焊接引線環(huán)的金屬件與陶瓷件。通過研究釬焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)焊縫質(zhì)量與漏率的影響，成功制備了具有高氣密性的高精度引線環(huán)。

引線環(huán)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的引線環(huán)由于其圓環(huán)形的結(jié)構(gòu)，插針和焊盤的位置為固定值，難以進(jìn)行探測器軸向方向的位置調(diào)節(jié)。如圖2和圖3所示，本文的引線環(huán)由金屬環(huán)與兩個(gè)矩形陶瓷構(gòu)成，金屬環(huán)設(shè)計(jì)為法蘭結(jié)構(gòu)，用于探測器的安裝與定位，內(nèi)部設(shè)計(jì)兩個(gè)方形通孔，用于矩形陶瓷的裝配與焊接。矩形陶瓷插入到金屬環(huán)的方形孔中，構(gòu)成十字形焊接接頭。十字形焊接接頭可以通過調(diào)節(jié)矩形陶瓷的上下位置來改變插針和焊盤的位置，以適應(yīng)不同位置的電學(xué)接口。

圖2 引線環(huán)定位方式示意圖

圖3 引線環(huán)十字形焊接接頭示意圖

為保證釬料熔化后可以通過毛細(xì)作用充分填充到母材間隙之中，矩形陶瓷與金屬環(huán)之間設(shè)計(jì)合理的間隙值。

矩形陶瓷的一端為焊盤，側(cè)面設(shè)計(jì)為插針，兩者之間的夾角為90°。插針尺寸為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，其排列形式為“品字形”分布，橫向間距與縱向間距均為標(biāo)準(zhǔn)間距。焊盤可以通過引線鍵合工藝與內(nèi)部電學(xué)零件連接，插針通過錫焊工藝與外部接插件連接。

綜上，本文的引線環(huán)兼具電學(xué)引出與高精度定位兩種功能，實(shí)現(xiàn)了電學(xué)接口位置的可調(diào)節(jié)。

材料選擇

氧化鋁陶瓷因其高強(qiáng)度、剛度以及良好的電絕緣性能而廣泛應(yīng)用于引線環(huán)的制作當(dāng)中。這種材料已經(jīng)在探測器上已經(jīng)得到過充分驗(yàn)證，因此本文將矩形陶瓷的材料選定為氧化鋁陶瓷，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 氧化鋁陶瓷的主要性能參數(shù)

金屬環(huán)的可選材料主要有鈦合金、不銹鋼和可伐合金。鈦合金密度低，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，但焊接性差，難以進(jìn)行低溫釬焊；不銹鋼強(qiáng)度、剛度高，成本低廉，適用性廣泛；可伐合金具有與氧化鋁陶瓷相近的熱膨脹系數(shù)，較高的強(qiáng)度、剛度等優(yōu)點(diǎn)。表2為鈦合金、不銹鋼和可伐合金的熱膨脹系數(shù)和彈性模量，對(duì)比幾種材料的熱膨脹系數(shù)，可伐合金的熱膨脹系數(shù)與氧化鋁陶瓷極為接近，可以大幅度降低兩者焊接時(shí)的熱應(yīng)力，因此金屬環(huán)的材料選取可伐合金。此外，在可伐合金表面鍍鎳以提高引線環(huán)的耐腐蝕性。

表2 幾種材料的性能參數(shù)

工藝研究

針對(duì)傳統(tǒng)引線環(huán)高溫釬焊過程中焊接熱應(yīng)力導(dǎo)致的形變以及電鍍導(dǎo)致的尺寸精度降低，本文改進(jìn)引線環(huán)制備的工藝流程，焊接前完成金屬環(huán)的電鍍，之后通過低溫釬焊焊接矩形陶瓷。

金錫釬料是一種共晶釬料，具有對(duì)鍍金層無溶蝕、對(duì)鍍金層的潤濕性良好、焊接接頭強(qiáng)度高及較低的熔點(diǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高可靠鍍金器件的無釬劑釬焊和氣密性封裝中，其性能參數(shù)如表3所示。本文使用金錫釬料焊接金屬環(huán)與矩形陶瓷，釬料采用的預(yù)成型焊料片。

表3 金錫釬料的主要性能參數(shù)

為增加金錫釬料對(duì)母材的浸潤性，金屬環(huán)與矩形陶瓷的焊接接頭處局部鍍金處理。為保證引線環(huán)的定位精度，金屬環(huán)機(jī)械加工時(shí)預(yù)留出鍍層厚度，然后在金屬環(huán)表面電鍍。

釬焊溫度和保溫時(shí)間是影響釬焊焊縫質(zhì)量的重要參數(shù)，本文將將釬焊溫度設(shè)為310 ℃和330 ℃，保溫時(shí)間設(shè)置在一定區(qū)間內(nèi)。將完成電鍍后的金屬環(huán)、矩形陶瓷和釬料裝配，通過專用夾具固定，放入真空釬焊爐中，焊接溫度曲線如圖4所示。

圖4 引線環(huán)釬焊溫度曲線

測量引線環(huán)的電學(xué)性能，結(jié)果均滿足引線環(huán)電導(dǎo)通和電絕緣的性能指標(biāo)；測量引線環(huán)定位面的尺寸，結(jié)果均滿足精度要求，后面不再贅述。使用光學(xué)顯微鏡拍攝引線環(huán)的釬焊焊縫，觀察焊縫表面形貌；使用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測引線環(huán)的漏率。

結(jié)果與分析

焊縫表面形貌

不同焊接參數(shù)下的焊縫表面形貌如圖6所示。如圖6（a）～（c）所示，310 ℃時(shí)在不同保溫時(shí)間下金錫釬料均未順利鋪展，焊縫區(qū)域均存在不同數(shù)量的氣孔。這是因?yàn)樵谡婵这F焊爐中熔化釬料所需的熱量主要來源于引線環(huán)的熱傳導(dǎo)，焊縫與真空釬焊爐之間存在一定的溫度梯度，在此釬焊溫度下與保溫時(shí)間，沒有足夠的熱量傳遞到焊縫處，導(dǎo)致釬料未完全熔化。

圖6 不同焊接參數(shù)下的焊縫表面形貌

330 ℃下保溫不同時(shí)間的焊縫表面形貌如圖6（d）～（f）所示，當(dāng)保溫時(shí)間不足時(shí)，釬料未順利鋪展，焊縫區(qū)域存在一定數(shù)量的氣孔；保溫時(shí)間延長一定時(shí)間后，焊縫區(qū)域的氣孔消失，釬料在焊縫區(qū)域鋪展均勻、填充飽滿，焊縫形貌良好；隨著保溫時(shí)間的繼續(xù)延長，釬料呈現(xiàn)出凝固堆積的現(xiàn)象。圖7為AuSn二元相圖，AuSn二元合金在在共晶點(diǎn)附近隨著Au成分的增加，熔點(diǎn)迅速提高。由于保溫時(shí)間的延長，鍍金層中的Au擴(kuò)散至金錫釬料之中，導(dǎo)致釬料的熔點(diǎn)迅速升高凝固，因此保溫時(shí)間不宜過長。

圖7 AuSn二元合金相圖

根據(jù)上述分析，可以得知在釬焊溫度為330 ℃，保溫時(shí)間適中時(shí)焊接的引線環(huán)焊縫形貌良好，釬料在焊縫區(qū)域鋪展均勻、填充飽滿，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

引線環(huán)的漏率分析

不同參數(shù)下制備的引線環(huán)的漏率如表4所示，其漏率隨著焊縫質(zhì)量的提高而減小。在釬焊溫度為330 ℃，保溫適當(dāng)時(shí)間時(shí)的漏率≤10?11 atm·cc·s?1，可以滿足探測器的高真空、長壽命密封要求。

表4 引線環(huán)漏率

結(jié)論

本文針對(duì)探測器的高精度定位需求設(shè)計(jì)了一種新型引線環(huán)，并進(jìn)行了工藝研究，得出以下結(jié)論：

（1）本文的引線環(huán)兼具電學(xué)引出與機(jī)械定位兩種功能，在焊接工藝過程中調(diào)節(jié)矩形陶瓷的位置實(shí)現(xiàn)電學(xué)接口的位移；

（2）選取具有高強(qiáng)度、低熔點(diǎn)的金錫釬料低溫釬焊引線環(huán)的金屬件與陶瓷件，大幅度降低了熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形；

（3）研究了釬焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)焊縫表面形貌及引線環(huán)漏率的影響，在選擇合適的工藝參數(shù)時(shí)獲得表面形貌良好的焊縫，此時(shí)引線環(huán)的漏率≤10?11atm·cc·s?1，滿足探測器的密封要求；

（4）在保證引線環(huán)電學(xué)性能、力學(xué)性能和密封性能的同時(shí)將引線環(huán)的機(jī)械尺寸精度由0.1 mm提升至0.02 mm，實(shí)現(xiàn)了引線環(huán)的高精度定位功能。

審核編輯：劉清