ГЕРМЕТИЧНЫЙ СОСТАВНОЙ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ТОКОВЕДУЩИЙ ВЫВОД

Полезная модель относится к области силовой электроники и может быть использована при проектировании герметичных металлостеклянных корпусов миниатюрных изделий РЭА.
К металлостеклянным узлам корпусов РЭА предъявляются высокие эксплуатационные требования по герметичности, термической и механической прочности.
В настоящее время для изготовления токоведущих выводов в указанных выше корпусах в основном применяется сплав 29НК (ковар), 38НКД и другие материалы, близкие им по удельному сопротивлению и имеющие величину ТКР, согласованную с ТКР материала стеклоизолятора и материала обоймы (корпуса) [1].
-2
3
-4
Применение этих материалов позволяет получать вакуум-плотные спаи и достигать высокого уровня герметичности корпуса с показателем герметичности по скорости утечки гелия не более 6,66×10 Па⋅см/с (5⋅10 л⋅мкм рт.ст./с) [2].
Недостатком применения этих материалов для изготовления токоведущих выводов является их высокое удельное сопротивление, например удельное сопротивление ковара ρ=0,49 мкОм⋅м, что не позволяет пропускать через выводы большие токи при стремлении к миниатюризации изделий РЭА и увеличении токовых нагрузок.
Достаточно широко в производстве токоведущих выводов для корпусов мощных приборов применяется молибден. Достоинствами молибдена являются:
- высокая электропроводность (удельное сопротивление ρ=0,057 мкОм⋅м) и теплопроводность (λ=150 Вт/м °К);
- высокая температура плавления 2620°C;
-6
-1
- хорошее соответствие ТКР (5,3⋅10 К) молибденового вывода и ТКР стеклоизоляторов, используемых для пайки выводов;
- химическая стойкость;
- стабильность свойств в широком температурном интервале.
Недостатком молибдена является плохая обрабатываемость и хрупкость.
Устранить эти недостатки можно введением в молибден присадки рения. Добавка к молибдену 47% рения (сплав МР-47ВП) приводит к резкому изменению его свойств - одновременно повышаются прочность и пластичность молибдена, а также температура рекристаллизации [2, стр. 508]. Но сплав МР-47ВП имеет ρ=0,23 мкОм⋅м, что не позволяет пропускать через выводы корпуса токи больше 10 А при диаметрах выводов до 1,0-1,5 мм [3].
Известно предложенное в патенте RU 2457189 [4] техническое решение, где в качестве токоведущего вывода использован токоввод из коваровой проволоки, на которую гальваническим осаждением нанесен слой чистой меди и согласующий слой титана.
Основным недостатком таких токоведущих выводов является высокое сопротивление, высокая стоимость использованных материалов (титана), экологически вредная технология изготовления.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, являются токоведущие выводы, выполненные из биметаллической проволоки ковар-медь ЯЕ0.021.096 ТУ, которая за счет высокой электро и теплопроводности позволяет коммутировать большие токи. При этом для получения согласованного по ТКР спая токоведущего выводы со стеклоизолятором содержание меди в проволоке не должно превышать 15-20% [5]. При выполнении этого требования диаметр выводов для коммутации тока 16 А должен быть 1,6 мм, тока 20 А - 2,5 мм и так далее [6]. Выводы таких диаметров не могут найти применение в миниатюрных изделиях РЭА.
Задачей полезной модели является устранение указанных выше недостатков.
Технический результат заключается в получении токоведущих выводов, способных коммутировать большие токи при заданных габаритах, обладающих высокой механической прочностью, герметичностью, и при этом обеспечивающих согласованный по температурному коэффициенту расширения спай металла со стеклом.
Для достижения указанного выше технического результата предложен герметичный составной биметаллический токоведущий вывод, выполненный из концентрично размещенных трубки и сердечника, вставленного внутрь трубки с определенным воздушным зазором и соединенного с трубкой по торцам методом микроплазменной сварки. Трубка, выполненная из сплава на основе железа, имеет высокую механическую прочность и позволяет получить согласованный по ТКР герметичный спай со стеклоизолятором. Сердечник из электротехнической меди с повышенной электропроводностью позволяет пропускать токи большой величины. Воздушный зазор между ними нейтрализует влияние ТКР меди на спай со стеклоизолятором по всей длине вывода.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, представленным на Фиг. 1,
где 1 - трубка с внешним и внутренним диаметрами D1, D2;
2 - сердечник диаметром D3;
3 - сварка микроплазменная герметичная;
Lв - длина вывода.
Герметичность составного биметаллического вывода обеспечивается при его сборке и изготовлении, когда внутрь трубки длиной Lв с наружным диаметром D1, внутренним диаметром D2, пропускается сердечник меньшего диаметра D3 длиной Lв+ΔL (где ΔL≥D1-D3), собранный вывод центрируется вертикально в приспособлении для сварки, затем поочередно выполняется сварка торцов собранного вывода методом микроплазменной сварки.
Конструкция позволяет широко регулировать физико-механические свойства вывода путем изменения соотношения диаметров сердечника и трубки.
Пример расчета электрического сопротивления составного биметаллического вывода, выполненного из коваровой трубки и медного сердечника, приведен ниже.
При протекании тока низкой частоты сопротивление трубки и сердечника оказываются включенными параллельно. Отсюда следует, что общее сопротивление вывода:
При этом:
в
т
с
где R, R и R - электрическое сопротивление вывода, трубки и сердечника соответственно;
в
L - длина вывода;
т
с
S и S - площади поперечного сечения трубки и сердечника;
т
с
ρ и ρ - удельное электрическое сопротивление материала трубки и сердечника соответственно.
где D1 и D2 - внешний и внутренний диаметры трубки;
D3 - диаметр сердечника.
Результаты расчета электрического сопротивления для различных вариантов конструктивного исполнения выводов от 1-го до 4-го приведены в таблице 1.
2
,
При конструктивном исполнении «1» вывод диаметром 1 мм выполнен полностью из ковара. Исходя из допустимой максимальной плотности тока для ковара 5 А/мм этот вывод можно использовать для коммутации максимального тока (в НКУ) до 1 А при обеспечении необходимых требований по герметичности стеклоспая.
При конструктивном исполнении «2» составной биметаллический вывод диаметром 1 мм имеет электрическое сопротивление в 10 раз меньше, при этом вывод можно использовать для коммутации максимального тока (в НКУ) до 10 А при обеспечении необходимых требований по герметичности стеклоспая.
При конструктивном исполнении «3» составной биметаллический вывод диаметром 1,5 мм можно использовать для коммутации максимального тока (в НКУ) до 20 А и обеспечить необходимые требования по герметичности стеклоспая.
При конструктивном исполнении «4» вывод диаметром 1,5 мм выполнен полностью из меди. Этот вывод можно использовать для коммутации максимального тока (в НКУ) до 40 А, но он не обеспечивает необходимых требований по герметичности стеклоспая.
Помимо обеспечения вакуум-плотных спаев и достижения высокого уровня герметичности металлостеклянных корпусов с полученными по данному техническому решению образцами биметаллических выводов, они обеспечили необходимую механическую прочность, выдержав испытание на воздействие растягивающей силы вдоль оси вывода в корпусах:
для вывода ∅ 1,0 мм - 20 Н (2 кгс);
для вывода ∅ 1,5 мм - 40 Н (4 кгс).
Также подтверждена стабильность свойств корпусов с биметаллическими выводами в интервале температур от минус 60 до плюс 120°C.
Литература:
1. Моряков О.С. «Производство корпусов полупроводниковых приборов» стр. 21-24. Москва «Высшая школа», 1968 г.
2. А.С. Гладков и др. «Металлы и сплавы для электровакуумных приборов» стр. 508. Москва «Энергия», 1969 г.
3. Пономарев В.А. и др. «Применение молибдено-медных псевдосплавов в СВЧ приборах». Журнал «Электронная техника», серия 6, №14, стр. 9. Москва ЦНИИ «Электроника», 1984 г.
4. Патент RU 2457189.
5. Справочник «Композиционные материалы» 4.5.1. Биметаллическая проволока, с. 211, 4.1.2. Вольфрамовая и молибденовая проволока, с. 205. Под редакцией д.т.н. Карпиноса Д.М. Киев, «Наукова думка», 1985 г.
6. РЖ ВИНИТИ «Электроника», №2, 1989 г. 2Г565 Медь и ее сплавы в качестве электронных материалов. «Кэйкиндзоку I.Iap.inst Linght Metals» Kuroyanagi Takashi.