基于材料放气特性的杜瓦真空失效时间研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)昆明物理研究所 作者:张亚平

  杜瓦真空失效的两类模式是漏气和材料放气。漏气是导致杜瓦真空早期失效的主要原因,可通过工艺控制手段解决真空短命问题,材料放气是制约长寿命杜瓦真空寿命的根本原因。杜瓦放气特性是进行杜瓦真空失效时间计算的基础,建立杜瓦材料放气特性的合理测试方法成为评估杜瓦真空失效时间的关键。

  本文分析了小孔流导法和压强上升法测试杜瓦放气特性存在的固有问题,提出了进行杜瓦放气量测试的合理方案。杜瓦放气量测试是杜瓦真空可靠性研究的有效手段。杜瓦的放气特性不仅可用于杜瓦真空失效时间的评估,而且可用于计算杜瓦真空加速寿命试验的加速因子。

  在红外焦平面探测器杜瓦真空封装中,获得和保持HgCdTe红外芯片的真空可靠性是确保整个探测器组件正常工作的关键。若发生真空失效将使制冷机无法制冷到芯片的工作温度,导致冷量通过夹层气体传给窗口而起雾结霜,从而影响红外光学信号的正常传输。另外真空失效将诱发制冷机失效,影响整个组件的可靠性。

  杜瓦真空可靠性研究的核心是获得真空失效时间数据,通常以杜瓦热负载是否超过25%作为杜瓦真空失效的判据,图1 为归一化杜瓦热负载与杜瓦内部真空度的关系曲线,用于确定杜瓦真空失效时所对应的真空度。

  杜瓦真空失效的两类模式是漏气和材料放气。漏气是导致杜瓦真空早期失效的主要原因,可通过工艺控制手段解决真空短命问题。材料放气是制约长寿命杜瓦真空寿命的根本原因,图2是法国Sofradir 公司长寿命杜瓦真空寿命的实验数据:11 支杜瓦存储在80℃下跟踪测试热负载405 天,热负载均未超过25%,表明80℃下杜瓦真空保持时间至少405 天。

  另外,不同的杜瓦结构类型、不同的寿命期温度条件导致不同的真空寿命,如表1。

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图1 归一化热负载与真空度曲线

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图2 80℃405 天内杜瓦热负载变化

表1 不同设计下的杜瓦真空寿命对比

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  显而易见,获得长寿命杜瓦真空失效时间数据是漫长的过程,需要长期的数据积累。然而,导致杜瓦真空失效的根本原因是材料放气,通过掌握杜瓦材料放气规律可了解杜瓦真空的退化规律,进而对杜瓦真空失效时间(TTF)进行推算。因此,进行杜瓦放气量的有效测试是实施真空失效时间评估的关键。

  1、放气特性、TTF、真空可靠性的关系

  杜瓦的放气特性是获得TTF 的基础,杜瓦放气量测试的目的在于获得杜瓦经标准排气工艺后的放气规律,以杜瓦的放气特性推算杜瓦的真空退化特性,获得杜瓦真空失效时间(TTF)。杜瓦放气量q 是时间t、温度T 的函数,升高温度增加材料的放气量,从而加速杜瓦的真空退化进程。图3 描述了温度对不锈钢腔体的真空度退化进程的影响,进而影响TTF。

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图3 容器的真空退化特性

  1) 获得大量恒定烘烤温度下的真空失效数据,用于真空失效时间分布拟合;图4 是法国Sofradir 公司在恒定高温下的真空可靠性模型。

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图4 高温环境下的真空可靠性

  2) 获得不同烘烤温度条件下的真空失效数据,用于计算温度的加速退化因子。

  3)获得室温条件下的真空失效数据,用于估算加速模型的误差。

  建立杜瓦真空可靠性的模型的关键在于杜瓦真空失效时间的获得,杜瓦内放出的气体在腔体内累积,压强P不断上升。

  4、结论及推广应用

  杜瓦材料放气是导致杜瓦真空失效的根本原因,进行杜瓦放气特性测试的有效方法是差异化压强上升及双测试室法。

  杜瓦放气特性是进行杜瓦真空失效时间计算的基础和有效的评估真空失效时间的有效方法。另外,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为不同温度下的放气特性测试有助于研究杜瓦真空加速失效因子,加速系数定义为正常应力下的某种寿命特征与加速应力相应寿命特征之比,即K=tL/tH。为了找到最佳的加速模型,采用加速应力水平下的寿命特征θ1、θ2、θ3 数据进行拟合分析得到最好的拟合经验模型,利用该模型推算室温下的真空平均寿命θⅣ,从而得到加速模型的推算误差Δ=θⅣ-θ4。

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