什么是電饋通？

電饋通（Electrical Feedthrough）是一種穿過外殼或環境屏障、傳輸信號和電力（電壓）的電導體。我們都熟悉的一個簡單實用的饋通連接應用示例是汽車火花塞：火花塞殼體必須承受發動機內產生的壓力和溫度，同時為燃燒室的火花間隙提供可靠的電連接。

饋通需適應的環境條件往往起著關鍵作用。在石油天然氣等更復雜的應用領域，饋通必須設計得高度可靠，并能抵御極端環境；而機電一體化系統中使用的饋通則常需將信號從非潔凈環境傳輸至潔凈環境（真空），防止顆粒進入真空內部。

饋通有多種類型，每種類型適用于不同工況和用途。本文將聚焦玻璃和陶瓷作為密封材料在電饋通中的應用。電饋通的常見示例包括：儀器用密封饋通、大電流高壓饋通、同軸饋通、熱電偶饋通和光纖饋通等。

玻璃和陶瓷在電饋通中的優勢

以下將探討電饋通的材料選擇、玻璃和陶瓷的獨特優勢，以及玻璃 - 金屬密封技術的工藝原理。

1. 玻璃與工業陶瓷的絕緣性能

饋通絕緣材料的選擇取決于信號需承受的壓力、溫度或機械應力等級。對于電饋通而言，絕緣性能和耐熱性通常是核心考量因素 —— 電信號傳輸至饋通法蘭時可能發生漏電，需將這種損耗降至最低。

這一問題可通過使用玻璃或氧化鋁（Aluminum Oxide）等陶瓷介電元件解決，這些材料能將帶電引腳與金屬法蘭隔離。因此，氧化鋁、麥科（Macor）玻璃陶瓷等工業陶瓷常因卓越的絕緣性能被選為饋通絕緣材料。此外，除密封性外，電饋通還需適應高溫或低溫環境。

2. 玻璃的耐熱性

塑料常被用于制造饋通法蘭，但大多數塑料不適用于高溫等惡劣環境：普通塑料在 100℃左右開始熔化，即使是聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚砜（PES）等高性能塑料，耐熱溫度也僅能達到 200℃。

而在需要 “烘烤除氣”（bake-out）的應用場景中（需加熱密封材料以去除可能導致后續放氣的副產品），玻璃是更理想的密封材料。玻璃需在極高溫度下才能熔化，其中硼硅玻璃（borosilicate）可承受高達 600℃的溫度，石英玻璃（quartz）更是能耐受 1100℃。根據使用需求，可通過調整玻璃成分實現特定的耐熱性能。

3. 玻璃與工業陶瓷的低放氣性

放氣性（outgassing）是真空應用設計中最關鍵的參數之一。真空環境會導致膠粘劑、聚合物等非金屬材料釋放成分，包括水蒸氣、油類、增塑劑、固化反應副產品或密封材料中的其他添加劑。

這在電子束光刻系統等對潔凈度要求極高的精密應用中構成重大挑戰。因此，選擇密封材料時，放氣性是真空環境應用的核心考量因素。在所有材料中，玻璃和工業陶瓷的放氣率極低，遠低于塑料，甚至低于大多數金屬 —— 這是因為玻璃組件需經過 2000℃的烘烤處理，幾乎能完全去除內部氣體。

因此，玻璃 - 金屬密封和陶瓷 - 金屬密封常成為真空應用的首選方案，這種材料組合能實現最低放氣率，維持真空內部的潔凈環境。

4. 玻璃材料的可清潔性

超高潔凈真空環境要求材料達到極高的潔凈標準，但并非所有材料都能滿足這一要求 —— 部分材料因多孔性或無法耐受化學清潔劑而受限。玻璃材料無孔隙、表面光滑且耐熱性強，氧化鋁等工業陶瓷或麥科玻璃陶瓷還能耐受某些清潔工藝中使用的腐蝕性化學品。

這些特性使玻璃和工業陶瓷可通過多種清潔方式達到真空應用所需的超高潔凈標準，且不會導致材料性能劣化。

玻璃 - 金屬密封技術

電氣饋線需要堅固的密封，以保持電氣完整性和長壽命的環境密封。因此，采用玻璃對金屬封條技術取代塑料封條。玻璃對金屬密封條是密封且氣密的密封件，能夠承受高溫、高壓、振動、潮濕以及惡劣化學環境等嚴苛環境。

玻璃與金屬密封的饋通具備高性能且高度可靠。玻璃與金屬密封是一種對從屏障一側到另一側的電導體進行密封絕緣的技術。玻璃會融化到封裝和銷釘上，因此既能起到氣密屏障，又能在外殼和銷釘之間提供絕緣。

玻璃 - 金屬密封饋通的類型

玻璃 - 金屬密封饋通大致可分為功率饋通和信號饋通兩類：

• 功率饋通：用于傳輸能量，通常適用于大電流或高壓場景，支持 5 至 150 安培的應用。這類饋通的玻璃 - 金屬接合處需通過玻璃實現導體與連接法蘭的電氣絕緣，還可添加陶瓷材料在饋通屏障兩側形成雙重絕緣。

• 信號 / 儀器饋通：用于傳輸電信號（包括熱電偶信號），可處理毫安級小電流、低 / 高壓信號，適配低 / 高阻抗信號源。

• 射頻（RF）饋通：一種特殊類型，用于傳輸高頻射頻和微波電信號。其設計采用單引腳加金屬屏蔽結構，屏蔽層尺寸根據玻璃介電常數計算，可在接近 100 吉赫茲的頻率下實現 50 或 75 歐姆的阻抗匹配。射頻饋通可通過銅芯引腳滿足大電流需求，而玻璃 - 金屬密封技術則能提供耐受惡劣環境的可靠堅固氣密性密封。

玻璃 - 金屬密封工藝

玻璃 - 金屬密封是一種成熟耐用的技術，因其能承受高壓和極端溫度而被廣泛采用。該技術最早應用于真空管，如今已拓展至玻璃二極管、真空應用密封電饋通等多種場景。

實現堅固密封的關鍵在于：兩種材料間形成牢固的化學鍵，且不同材料的熱膨脹系數（CTE）需匹配。因此，玻璃 - 金屬密封饋通的制造需在 500-1100℃的高溫下進行，密封過程需嚴格控制，以避免熱失配導致接合處產生殘余張力或應力 —— 這些應力可能引發金屬與玻璃的破裂或分離。

玻璃與金屬密封/熔接的方法

1. 匹配型玻璃 - 金屬密封

大多數應用需在寬溫度范圍內工作，因此組件的熱膨脹和收縮速率需接近，以避免使用過程中出現錯位或應力。行業標準的材料組合之一是硼硅玻璃與符合 ASTM F-15 標準的可伐合金（Kovar，鐵 - 鎳 - 鈷合金）—— 硼硅玻璃的熱膨脹系數在不同溫度范圍內與可伐合金高度匹配。

2. 壓縮型玻璃 - 金屬密封

當饋通需具備耐腐蝕性、承壓能力或導體強度時，優先采用壓縮型玻璃 - 金屬密封。玻璃具有受壓后強度提升的獨特特性，該密封方式通過專門設計材料，使玻璃與金屬接合處產生正壓力，因此密封性能在壓力環境下更優，整體系統在惡劣機械環境中的強度也會增強。