Wie gelingt eine luftdichte Verpackung? — Zuverlässige Verbindungslösung mit Glas-Metall-Dichtung (GTMS).

4. Grundprinzipien von GTMS: Schmelzen, Kühlen und Versiegeln bei hoher Temperatur

Das Prinzip der Glas-Metall-Versiegelung (GTMS) ist einfach: Erhitzen Sie das Glas in einen geschmolzenen Zustand, lassen Sie es fließen und die Metalloberfläche benetzen, bilden Sie chemische Bindungen oder mikromechanische Verzahnungen an der Grenzfläche und erhalten Sie nach dem Abkühlen eine dichte Versiegelungsschnittstelle.

Diese Technologie entstand im frühen 20. Jahrhundert bei der Herstellung von Vakuumröhren und fand später breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Militärelektronik, Sensoren, der Verpackung optoelektronischer Komponenten und anderen Bereichen. Nach langjähriger Entwicklung hat es sich zu einer der am weitesten verbreiteten und technisch ausgereiften Mainstream-Lösungen im Bereich luftdichter Verpackungen entwickelt.

Aber einfache Prinzipien bedeuten nicht eine einfache Umsetzung. Was war das schwierigste Problem während des Prozesses?

5. Größte Herausforderung: Die Wärmeausdehnungskoeffizienten müssen übereinstimmen

Die Versiegelung erfolgt bei 900–1100 °C. Wenn beim Abkühlen auf Raumtemperatur der Schrumpfungsunterschied zwischen Glas und Metall zu groß ist, bricht das spröde Glas direkt.

Durch genaues Maßdesign und thermodynamische Anpassungsberechnungen gibt es zwei Lösungen:

Abgestimmte Dichtung: Wählen Sie Glas- und Metallpaare mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die klassische Kombination ist Kovar (CTE≈5,3×10⁻⁶/°C) mit Borosilikatglas, das nach dem Abkühlen für minimale Spannung sorgt.

Kompressionsdichtung: Wählen Sie ein Metall (z. B. Edelstahl) mit einem deutlich höheren Ausdehnungskoeffizienten als Glas und kombinieren Sie es mit dem Glas. Nach dem Abkühlen schrumpft das Metall stärker und übt von außen eine ständige Druckspannung auf das Glas aus – selbst wenn Mikrorisse vorhanden sind, dehnen sich diese nicht aus und verursachen Undichtigkeiten.

Passende Dichtungen sind spannungsarm; Kompressionsdichtungen unterliegen einer hohen Beanspruchung. Jedes hat seine anwendbaren Szenarien.

Das Materialproblem ist gelöst. Wie sieht GTMS in tatsächlichen Produkten aus?

6. Typische Produktform: Durchführung

Die typischste GTMS-Anwendung ist eine hermetisch abgedichtete Durchführung – Metallstifte werden durch vorgebohrte Löcher in einem Metallgehäuse geführt, und ein Glasisolator füllt den Spalt zwischen den Stiften und dem Gehäuse. Nach dem Schmelzen und Abkühlen bei hoher Temperatur werden die drei Teile zu einem einzigen versiegelt.

Diese Struktur erledigt vier Dinge gleichzeitig:

Versiegelung – Glas füllt Lücken und ist auslaufsicher auf molekularer Ebene

Isolierung – Glaswiderstand bis zu 10^4 ©·cm, keine elektrische Verbindung zwischen Gehäuse und Stiften

Feststehend – die Stifte sind fest positioniert und resistent gegen Vibrationen und Stöße

Übertragung – Verbinden Sie die Innen- und Außenseite des Gehäuses, um eine Signalübertragung zu erreichen

Aus diesem Grund ist die GTMS-Durchführung zu einer Standardlösung für Sensoren, Steckverbinder und optische Kommunikationsmodule geworden.

7. Vorteile und Anwendungsgrenzen von GTMS

Vorteile von GTMS: ausgereifter Prozess, niedrige Kosten, geeignet für die Massenproduktion und hervorragende elektrische Isolierung.

GTMS-Einschränkungen:

Langzeitarbeitstemperatur ≤300℃

Glas ist sehr spröde und weist eine begrenzte Schlagfestigkeit auf

Der dielektrische Verlust nimmt bei hohen Frequenzen (>10 GHz) zu.

Wenn Anwendungsanforderungen die Leistungsgrenzen von GTMS überschreiten (z. B. Hochtemperatur-, Hochleistungs-, Millimeterwellenfrequenz- oder hohe mechanische Festigkeitsszenarien), sind keramische Metalldichtungslösungen (CTMS) mit höherer Temperaturbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften erforderlich.

[Vorschau auf den nächsten Artikel] Im nächsten Artikel werden wir weiter analysieren, wie keramische Metalldichtungen (CTMS) die Anwendungsanforderungen von hohen Temperaturen, hoher Leistung und hoher Frequenz erfüllen können.