玻璃绝缘子气泡的预防和控制

玻璃绝缘子气泡的预防和控制

玻璃绝缘子部件是密封继电器、晶体元件及连接器等电子元器件的重要组成部分，其质量、性能直接影响着这些电子元器件的质量。如果玻璃绝缘子出现缺陷，这些电子元器件的密封性、电性能、机械强度等都会因此下降。气泡是玻璃绝缘子容易产生的主要缺陷之一，它不仅影响着玻璃绝缘子的外观，更重要的是它会降低玻璃绝缘子的各项性能，使产品质量产生严重隐患。随着玻璃绝艳子部件的电镀、使用、保存，气泡会使玻璃绝缘子电性能、机械强度和气密性下降的幅度明显增大，直接影响着电子元器件的性能和可靠性。

1、气泡产生的原因

根据气泡在玻璃绝缘子的存在位置不同，可分为界面气泡、内部气泡和表层气泡三种（如图1、2、3），其形状是各式各样的，有球形的、椭圆形的、喇叭形的，气泡的化学组成也是各不相同，除含有O2、N2、CO、CO2、SO2外，还含有氧化氮和水蒸气等，其中氮气一般是以武力溶解状态存在于玻璃中，其它气体大部分以化学结合状态存在。它们的产生是由于气体没有完全、及时地从玻璃液中逸出，而以气泡的形式残留于玻璃液中，导致这些气泡产生的原因有物理上的，也有化学上的，归纳起来主要有以下几点综合因素：

①金属零件本身含有的碳、硫、气体等杂质和其吸附的潮气、污染物，还有玻璃管表面吸附水分，在封接过程中都可能发生一系列反应，形成界面气泡；

②配料时料未搅拌均匀而结成小块、玻璃坯管中粘结剂未排除干净，在高温烧结时形成内部气泡；

③烧结温度过高、炉内湿度较大，玻璃本身分解释放的气体和炉内水蒸气等溶于玻璃液中，因要保持相平衡，故气体无法排除干净，导致内部气泡的产生；

④另外，石墨定位模吸潮或有污染物，均会导致玻璃高温烧结时与玻璃共溶，形成表层气泡。

2、对金属零件进行相应的去油和退货处理

由于金属零件吸附的杂质、气体和水分以及其本身含有的碳、硫等杂质在高温封接时部分发生化学反应（如下列化学反应式）产生气体，未能及时排出，在引线脚与玻璃的封接界面处或底板与玻璃封接界面处形成界面气泡；同时玻璃管表面若吸附有水分或杂质同样会形成界面气泡。

H2O+C CO+H2

H2O+CO CO2+H2

目前玻璃绝缘子封接用金属零件材料大多采用可伐合金或低碳钢。封接前，首先必须将金属零件表面的污染清洗干净。对于可伐合金零件，用化学的方法将表面多余的油污清洗干净；对于低碳钢零件，为了防止其生锈，满足封接的需要，故一般先进行表面涂覆。当然，在表面涂覆前必须去油。该工序一定要去油彻底，并且严格控制槽液成分、杂质含量，保证镀层成分的纯净和表面质量。若表面处理时去油不彻底货槽液有污染，则会导致高温封接时玻璃绝缘子产生严重的气泡。其次，金属零件必须在适当的气氛中进行净化、退火处理，以便①消除冷加工产生的应力；②防止金属零件表面氧化；③除去零件本身所含杂质（C、S、气体等）。一般热处理的方式有真空退火和氢气处理（湿氢），温度以940～1050℃为宜，具体时间、温度、气氛视零件的表面状况，大小、材料而定。

另外，零件在表面处理和热助理后一定要妥善保存，严禁污染。热处理完的零件要求在一周内用完，此期间应贮存于干燥器皿内，以免重新吸附杂质、潮气。一周内未使用完的，使用时应按正常工艺重新处理。

3、妥善贮存和使用玻璃粉与玻璃管

玻璃粉因其松散且比表面大，易吸收潮气、尘埃等杂质，故玻璃粉一定要密封包装，置于干燥容器内，严防污染。玻璃粉在使用前应置于120～140℃烘箱内焙烘2～3h，以去除其表面吸附的潮气。玻璃粉本身太松散，粘结能力差，配料时必须加入粘结剂才能保证玻璃坏管的成型，一般湿压采用石蜡作为粘结剂。配料时若料搅拌不均匀，粘结剂易结成小块，排蜡时不易挥发干净，在高温烧结时很容易形成内部气泡。因此，配料时在玻璃粉中加入所需的添加剂后，将混合料在120～140℃保温并充分搅拌，直至均匀，避免结块和气泡的存在。另外，由于石蜡的熔点较低（54～56℃），在压铸（工作温度90～110℃）过程中，玻璃粉容易沉淀在料缸底部，石蜡常会漂浮在上面，玻璃坏管的一致性无法保证，因此压铸时每隔1～1.5h必须搅拌料缸内的混合料，以保证其均匀性。

在使用时不注意文明生产或保存不善，玻璃管则容易吸附潮气和杂质。在高温封接时，这些杂质、气体会溶于玻璃液中，待冷却后形成内部气泡。因此，玻璃管应及时使用，且严禁用手抓、摸，因为手上有油、汗等。如果需要保存，则必须将其装于干净的塑料袋内，注明生产日期、规格，置于干燥容器内。存放的玻璃管需使用时，必须在100～120℃的烘箱

内焙烘 1.5～2h后方可使用。保存时间超过90d的玻璃管，应采用超声波清洗，无水乙醇脱水，在250～300℃炉内焙烘至少1h.

4、严格控制吸蜡、排蜡的升温速度和保温时间

玻璃坯管吸蜡、排蜡的过程主要是将配料时加入的粘结剂随温度的升高都烧掉（该温度应低于玻璃的软化温度），此时这些材料高温燃烧、分解的生成物，从玻璃坯管的空隙中自内向外逸出。如果排腊过程升温速度过快，玻璃坯管表面迅速融化，连成一体，堵塞了玻璃颗粒之间的空隙，即气体自内外的逸出通道，妨碍内部气体、生成物的逸出、挥发；同时有机粘结剂则会分解，形成很难排除的黑色沉淀物。这都会导致玻璃绝缘子高温封接时形成严重的内部气泡和杂质，大大降低了玻璃绝缘子的气密性、封接强度和绝缘电阻等。因此，在吸蜡、排蜡过程中一定要严格控制升温速度，使玻璃坯管内部与表面同时缓慢升温，以便粘结剂燃烧生成物挥发顺畅；同时要保证足够的保温时间，使粘结剂挥发彻底。若粘结剂采用石蜡，则升温、保温时间相应要长一些；粘结剂若采用进口材料，则升温、保温时间相对短一些。另外，干压比湿压的玻璃坯管排腊时升温速度相对快，保温时间则短一些。总之，必须根据工艺、设备和生产的实际情况，严格控制升温速度和保温时间，以达到排尽粘结剂的目的。

5、制定合理的烧结工艺

一般地说，气体在液体中的溶解度随着温度的升高而降低，玻璃液也不例外。由于玻璃绝缘子组件在烧结炉内的温度逐渐升温，玻璃的粘度逐渐减小，渐成液态，这时气体在玻璃液中的溶解度降低。为了保持相平衡，在高温封接时，溶解在玻璃液中的气体部分要释放出来；同时玻璃本身分解释的气体也要挥发出来。如果封接温度过高，溶解在玻璃液中的气体量大大增加，过多的气体挥发不出去，自然形成内部气泡。玻璃绝缘子烧结时降温速度过快，玻璃表面迅速冷却，过的内部气体不能够及时挥发出来，也是内部气泡产生的主要原因之一。另外，烧结炉内湿度过大，水蒸气高温时部分溶于玻璃液中，待冷却后也会产生气泡。

玻璃绝缘子烧结是其制造的最后一道工序，也是最关键的一道工序，几乎所有的缺陷只有烧结后才能暴露出来。因此，必须根据实际情况，制定合理的烧结工艺，保证玻璃绝缘子的烧结质量质量，减少不必要的浪费。影响玻璃绝缘子烧结质量的主要工艺参数有烧结温度、时间和气氛，其中烧结时间与所用烧结设备、绝缘子规格等有关，气氛与玻璃绝缘子的性能要求、所用金属零件材料有关，温度则与所用玻璃粉牌号以及金属零件材料有关。此外，烧结冷却速度也必须严格控制。

6、结语

玻璃高温封接时分解的气体是无法排除干净的，在GJB65B-99和MIL-R-5757H中，也允许玻璃绝缘子有直径不超过引出端与环绕的底座金属间距离的1/3的内部气泡存在。但是由于气泡的诸多不利，所以在实际生产中，我们必须采取合理的措施，尽可能预防、控制、减少气泡，将它对玻璃绝缘子的性能影响减小到最低程度。