Способ герметизации вакуумных металлических конструкций с оптически прозрачными элементами Российский патент 2023 года по МПК C03C27/02 B23K1/00 B23K1/20 

Изобретение относится к технологии герметизации вакуумных металлических конструкций с оптически прозрачными элементами пайкой и может использоваться для разработки герметичных конструкций различного назначения, например, при изготовлении герметичных корпусов фотоприемников, в том числе инфракрасного излучения.

В конструкции корпуса фотоприемника функционально необходимо входное окно, которое изготавливают из оптически прозрачных, в заданном диапазоне длин волн, материалов: германий, кремний, сапфир и др. Потери на отражение принимаемого светового потока минимизируют напылением антиотражающего покрытия (АОП) с двух сторон входного окна в центральной области, размер которой определен оптической схемой использования фотоприемника.

На фиг. 1 представлен оптически прозрачный элемент с АОП и краевой металлизацией, в разрезе.

На фиг. 2 представлено схематическое изображение металлического корпуса и оптически прозрачного элемента с АОП и краевой металлизацией перед пайкой, в разрезе.

Герметичное соединение предварительно металлизированных по краю оптически прозрачных элементов с антиотражающим покрытием и луженных частей металлических конструкций, как правило, смотри таблицу, выполняют пайкой.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ пайки керамики с металлами и неметаллами, при котором между паяемыми поверхностями деталей размещают фольгу припоя на основе меди и титана с добавкой легкоплавких металлов из группы: олово, свинец, индий и их сплавов, нагрев осуществляют в вакууме 10^-3-10^-1 мм рт.ст. до температуры плавления, с последующим охлаждением [патент RU 2336980 «Способ пайки керамики с металлами и неметаллами»].

Для решения поставленной задачи в известном способе между соединяемыми деталями, одна из которых выполнена из керамики, размещают припой и осуществляют нагрев до температуры плавления припоя. В качестве припоя использован сплав эвтектического состава медь-титан с добавкой легкоплавких металлов олово, индий.

Нагрев производят в вакууме до температуры образования эвтектики медь-титан (более 850°С) и выдерживают при этой температуре не менее 20 минут. В результате чего происходит взаимное растворение титана, олова и индия в меди и получение активного сплава, что обеспечит при температуре плавления активного сплава смачивание паяемых материалов. Технический результат, достигаемый при использовании известного способа: получение герметичного паяного шва (1⋅10^-8 МПа⋅м3/с).

Недостатком способа является необходимость нагревания при пайке оптически прозрачных элементов до температур, превышающих температуру плавления медно-титанового припоя (более 850°С), что приведет к разрушению АОП из-за различия коэффициентов температурного расширения оптически прозрачного элемента и слоев пленочных покрытий, составляющих АОП.

Известен способ пайки нагреванием горелкой [Петрунин И.Е. Физико-химические процессы при пайке. М, «Высшая школа», 1972]. Применение этого метода сопровождается нагреванием металлической конструкции и оптически прозрачного элемента с АОП до температуры плавления припоя и смачивания им металлизированной поверхности оптически прозрачного элемента. При этом распределение теплового потока должно обеспечивать одновременное нагревание припоя и спаиваемых элементов в области образования герметичного шва, что может быть получено лишь, если ось направленного теплового потока горелки совпадает с осью симметрии металлической конструкции и впаиваемого в нее оптически прозрачного элемента. В этом случае, плотность теплового потока максимальна в области оптически прозрачного элемента, что приводит к нагреванию оптического элемента до температуры, превышающей точку плавления припоя (выше 190°С при пайке оловянно-свинцовым припоем ПОС61) раньше, чем металлического корпуса, а для качественной пайки место соединения с металлическим корпусом должно прогреваться до температуры, обеспечивающей смачивание соединяемых пайкой металлических поверхностей, которая должна быть значительно выше температуры плавления припоя. Поэтому в рассматриваемом случае при достижении необходимой температуры пайки произойдет значительный перегрев оптически прозрачного элемента и напыленного на него АОП, а перегрев оптически прозрачного элемента с АОП, возникающий в процессе пайки, крайне нежелателен, поскольку АОП представляет собой, как правило, технологически сложное многослойное покрытие, разрушающееся при значительных тепловых нагрузках. Кроме этого, градиент температуры, возникающий при применении пайки горелкой или тепловой пушкой для герметизации протяженных металлических конструкций и оптически прозрачных элементов, может способствовать образованию микроскопических пустот на границах расплавленного припоя, оптически прозрачного элемента и металлического корпуса, что ухудшает герметичность паяного шва.

Для осуществления качественной и герметичной сборки элементов волноводных трактов, преимущественно из алюминиевых сплавов для космических аппаратов или другого необходимого оборудования, на предприятиях применяется индукционная пайка [Эмилова О.А., Тынченко B.C., Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп.им. газ. «Красноярский рабочий», 31].

Однако пайка соединений путем индукционного нагрева происходит посредством индуктируемых вихревых токов лишь в металлических деталях и представляет собой процесс соединения металлов посредством расплавленного присадочного металла, называемого припоем и имеющего температуру плавления ниже температуры плавления основного металла.

Задачей, предлагаемого изобретения, является уменьшение тепловой нагрузки на АОП в процессе пайки и повышение герметичности паяного шва с величиной течи по гелию 7⋅10^-11 Па⋅м³/с.

Технический результат достигается пайкой путем индукционного синхронного нагревания припоя, металлического корпуса и краевой металлизации оптически прозрачного элемента в высокочастотном электромагнитном поле до расплавления припоя и его растекания, визуально контролируемого, в предполагаемой области герметичного соединения по поверхности предварительно металлизированных оптически прозрачных элементов, что обеспечивает своевременное выключение индуктора. При этом достигается минимальная температура оптически прозрачного элемента с АОП, поскольку высокочастотное поле не образует вихревых токов в них, рост температуры в области АОП лимитирован тепловым сопротивлением контакта с краевой металлизацией оптически прозрачного элемента и его массой. Движение фронта кристаллизации жидкого припоя по поверхности краевой металлизации характеризует температуру оптически прозрачного элемента на краю АОП и позволяет своевременно остановить процесс пайки. Повышение герметичности достигается вследствие однородного теплового поля, формируемого индуцированными вихревыми токами в металлическом корпусе, краевой металлизации оптически прозрачного элемента и припое под воздействием высокочастной мощности индуктора. Таким образом, выполняются условия для качественной пайки, при которой место соединения прогревается до температуры, которая значительно выше температуры плавления припоя, и это позволяет избежать образования пустот на границе расплавленного припоя и металлического корпуса. При этом граница движения расплавленного припоя по металлизации оптически прозрачного элемента наблюдается визуально, что позволяет визуально наблюдать распространение теплового фронта на краю оптически прозрачного элемента и не допустить повышения температуры выше температуры плавления припоя, своевременно выключив питание индуктора и остановив процесс пайки.

Изобретение относится к технологии герметизации пайкой вакуумных металлических конструкций с оптически прозрачными элементами, имеющими антиотражающее покрытие (АОП), и может быть использовано, в частности, при изготовлении герметичных корпусов фотоприемников, в том числе инфракрасного излучения. Проводят лужение частей металлической конструкции в области пайки, предварительную краевую металлизацию оптически прозрачного элемента и его впаивание в металлическую конструкцию с получением герметичного паяного соединения. Пайку осуществляют путем нагрева металлической конструкции и припоя в высокочастотном электромагнитном поле до расплавления припоя и его растекания в области соединения по металлизированной поверхности оптически прозрачного элемента. Окончание процесса пайки определяют по наблюдаемой визуально границе движения расплавленного припоя на металлизации оптически прозрачного элемента, после чего выключают питание индуктора и останавливают процесс пайки. Способ обеспечивает уменьшение тепловой нагрузки на АОП в процессе пайки и повышение герметичности паяного шва с величиной течи по гелию 7⋅10^-11 Па⋅м³/с. 2 ил., 1 табл.

Способ изготовления вакуумных металлических конструкций с оптически прозрачными элементами, имеющими антиотражающее покрытие, включающий лужение частей металлической конструкции в области пайки, предварительную краевую металлизацию оптически прозрачного элемента и его впаивание в металлическую конструкцию с получением герметичного паяного соединения, при этом пайку осуществляют путем нагрева металлической конструкции и припоя в высокочастотном электромагнитном поле до расплавления припоя и его растекания в области соединения по металлизированной поверхности оптически прозрачного элемента, причем окончание процесса пайки определяют по наблюдаемой визуально границе движения расплавленного припоя на металлизации оптически прозрачного элемента, после чего выключают питание индуктора и останавливают процесс пайки.