Wie wird eine hermetische Verpackung erreicht? — Zuverlässige Verbindungslösung für die Glas-Metall-Dichtung (GTMS).

4. Grundprinzip von GTMS: Hochtemperaturschmelzen, Abkühlen zum Versiegeln

Das Prinzip der Glas-Metall-Versiegelung (GTMS) ist unkompliziert: Erhitzen Sie das Glas in einen geschmolzenen Zustand, sodass es fließt und die Metalloberfläche benetzt, chemische Bindungen oder mikromechanische Verzahnungen an der Grenzfläche bildet und nach dem Abkühlen eine dichte Versiegelungsschnittstelle erhält.

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 und der Verpackung optoelektronischer Komponenten. Nach langjähriger Entwicklung hat es sich zu einer der am weitesten verbreiteten und technologisch ausgereiftesten Mainstream-Lösungen im Bereich hermetischer Verpackungen entwickelt.

Ein einfaches Prinzip bedeutet jedoch nicht eine einfache Umsetzung. Was ist dabei das schwierigste Problem?

5. Die größte Herausforderung: Der Wärmeausdehnungskoeffizient muss übereinstimmen

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

Durch präzises Dimensionsdesign und thermodynamische Anpassungsberechnungen gibt es zwei Lösungen:

Passende Dichtung: Auswahl von Glas- und Metallpaaren mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die klassische Kombination ist eine Kovar-Legierung (CTE≈5,3×10⁻⁶/°C) mit Borosilikatglas, was zu minimaler Spannung nach dem Abkühlen führt.

Kompressionsdichtung: Auswahl eines Metalls (z. B. Edelstahl) mit einem deutlich höheren Ausdehnungskoeffizienten als Glas, gepaart mit Glas. Nach dem Abkühlen zieht sich das Metall stärker zusammen und übt von außen eine kontinuierliche Druckspannung auf das Glas aus – selbst wenn Mikrorisse vorhanden sind, breiten sich diese nicht aus und verursachen Leckagen.

Die abgestimmte Dichtung weist eine geringe Belastung auf. Die Kompressionsdichtung weist eine hohe Belastung auf. Jedes hat seine anwendbaren Szenarien.

Wie sieht GTMS in tatsächlichen Produkten aus, wenn das Materialproblem gelöst ist?

6. Typische Produktform: Durchführung

Die typischste GTMS-Anwendung ist die hermetische Durchführung – ein Metallstift verläuft durch ein vorgebohrtes Loch im Metallgehäuse, wobei ein Glasisolator den Spalt zwischen Stift und Gehäuse füllt. Nach dem Schmelzen und Abkühlen bei hoher Temperatur werden die drei Komponenten als eine Einheit versiegelt.

Diese Struktur erreicht gleichzeitig vier Dinge:

Versiegelung – Glas füllt die Lücke auf molekularer Ebene auslaufsicher

Isolierung – Glaswiderstand bis zu 10¹⁴ ©·cm, Gehäuse und Stifte sind nicht elektrisch verbunden

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

Übertragung – Verbindung zwischen Innen- und Außenseite des Gehäuses, die eine Signalübertragung ermöglicht

Aus diesem Grund sind GTMS-Durchführungen zur Standardlösung für Sensoren, Steckverbinder und optische Kommunikationsmodule geworden.

7. Vorteile und Anwendungsgrenzen von GTMS

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

GTMS-Einschränkungen:

Langzeitbetriebstemperatur ≤300°C

Hohe Glasbrüchigkeit, begrenzte Schlagfestigkeit

Erhöhter dielektrischer Verlust bei hohen Frequenzen (>10 GHz)

Wenn Anwendungsanforderungen die GTMS-Leistungsgrenzen überschreiten – wie z. B. Hochtemperatur-, Hochleistungs-, Millimeterwellenfrequenz- oder hohe mechanische Festigkeitsszenarien – werden Keramik-Metall-Versiegelungslösungen (CTMS) mit höherer Temperaturbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanischer Leistung benötigt.

[Vorschau auf den nächsten Artikel] Im nächsten Artikel werden wir weiter analysieren, wie die Keramik-Metall-Versiegelung (CTMS) die Anforderungen von Hochtemperatur-, Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen erfüllt.