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SEPTEMBER

2026

RF連接器內部滲透防護:玻璃-金屬氣密封接(Hermetic Seal)技術解析

在軍用通訊、低軌衛星(LEO)、5G NTN(非地面網路)以及海事雷達等高可靠度應用中,RF系統的失效並不一定是來自外部結構的明顯破壞,許多長期可靠度問題反而可能是源自於 RF 連接器、Feedthrough 或設備穿牆介面內部的微小洩漏與材料劣化


部分具備 IP67 或 IP68 防護等級的 RF 連接器,在歷經長期的溫度循環、高濕度、鹽霧或壓力變化後,仍可能因密封材料老化、界面鬆弛、組裝缺陷或微小洩漏路徑,而增加水氣進入內部的風險。當水氣或腐蝕性污染物進入RF傳輸結構,可能形成以下失效鏈:


水氣滲入(Moisture Ingress) → 凝結/電解質形成 → 接點或金屬表面腐蝕 → 接觸阻抗與介電環境改變 → 阻抗不連續 → VSWR/Return Loss 劣化 → Insertion Loss增加 → RF 系統可靠度下降。


因此,對需要長期隔絕氣體與水蒸氣的高可靠度設備而言,可採用Glass-to-Metal Sealing(GTMS,玻璃-金屬封接) 形成 Hermetic Seal(氣密封裝)。與一般聚合物密封不同,玻璃屬於無機材料,可形成低滲透性的永久性封接結構,因此廣泛應用於真空穿牆、電子封裝與高可靠度 Feedthrough。

為什麼 RF 連接器需要Hermetic Seal?

在產品規格制定初期,一個常見誤解是把「防水」與「氣密」視為同一種能力。事實上,兩者所描述的是不同的工程性能。


IP67/IP68 主要依 IEC 60529 評估外殼對固體異物及液態水侵入的防護能力;而 Hermeticity 則關注氣體透過封接界面或微小缺陷的洩漏程度,通常以氣體漏率表示。


因此:Waterproof ≠ Hermetic


通過 IP68 並不代表產品自動具有特定的 Helium Leak Rate;反之,具備 Hermetic Feedthrough 也不代表整個組裝完成的連接器一定符合 IP68,兩者應分別驗證。

一般環境密封與 Hermetic Seal 有什麼不同?

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比較項目

一般環境密封 (Environmental Seal)

氣密封裝 (Hermetic Seal)

主要目的

阻擋液態水、粉塵與環境汙染物進入

限制氣體與水蒸氣經封接結構洩漏

常見結構

O-Ring(O型環)、Gasket(墊圈)、灌膠封裝、密封膠

Glass-to-Metal、Ceramic-to-Metal、金屬焊接等

密封材料

多為彈性體或聚合物

玻璃、陶瓷與金屬等無機材料

驗證方式

IEC 60529 IP Test 等

Helium Fine Leak/Gross Leak 等

長期特性

可能受到壓縮永久變形、老化、UV、溫度及化學環境影響

正確設計下可提供非常低的漏率及良好的熱穩定性

典型應用場景

一般戶外設備、工業電子設備

航太、真空設備、軍工、感測器、RF Module Feedthrough等

RF 連接器內部水氣會造成哪些失效?

1. 介電環境與阻抗改變

同軸RF結構的特性阻抗受到內外部導體尺寸以及介電材料相對介電常數εr 的影響。 當水氣進入形成足以影響電磁場分布的吸附水膜或冷凝液時,局部有效介電常數與介電損耗會改變,造成阻抗不連續與額外損耗。

其結果可能表現在: Return Loss惡化、VSWR上升以及Insertion Loss增加。


2. 腐蝕與接觸界面劣化

當水分、鹽分或其他離子污染物進入連接器內部,可形成具導電性的電解質環境。當不同電化學電位的金屬彼此電氣連接,並同時暴露於電解質環境時,就可能形成原電池( Galvanic Cell),而產生電偶腐蝕(Galvanic Corrosion)。腐蝕產物、氧化膜、表面污染或接觸壓力下降,都可能使 RF 接觸界面的電阻與非線性增加。

在微波頻段,導體表面狀態亦會影響高頻損耗;表面粗糙化可能增加有效 RF 電流路徑,進一步造成導體損耗上升。

Breathing Effect(呼吸效應)為什麼會增加滲透風險?

戶外設備會經歷日夜溫差及設備本身的功率循環 。當一個具有有限內部空間、但又不是完全氣密的設備反覆升溫與降溫時,其內部氣體壓力會隨之變化。


升溫時,內部氣體膨脹,可能透過洩漏路徑向外排出;冷卻時,內部壓力下降,外部潮濕空氣可能透過相同的洩漏路徑進入設備。反覆發生時,這種現象通常稱為 呼吸效應(Breathing Effect)。它可能使濕氣逐步累積,尤其當設備內部表面溫度低於露點時,更可能產生冷凝 (Condensation)。Hermetic Seal主要目的,是可大幅降低氣體洩漏路徑,同時利用低氣體滲透性的特性降低長期水氣傳輸風險。

Glass-to-Metal Sealing如何形成 Hermetic Seal?

GTSM是結合材料科學、玻璃化學、熱膨脹匹配與精密製程控制的封裝技術。

典型結構包括:Metal Housing + Glass Preform + Metal Center Pin


製程中,玻璃預成形體(Glass Preform)與金屬零件組裝後,透過調配爐內的特定氣體比例,並搭配特定的溫度曲線(Thermal Profile)加熱,使玻璃進入適合封接的黏滯/流動狀態,與金屬表面充分接觸。


玻璃在受控熱製程下與適當處理的金屬表面形成穩定的界面結合;依玻璃與金屬系統不同,氣密性來自界面化學作用、潤濕以及冷卻後形成的機械壓縮應力等共同機制。

熱膨脹係數(CTE)為什麼重要?

Glass-to-Metal Seal 的可靠度高度依賴 Coefficient of Thermal Expansion(CTE,熱膨脹係數)。

若Glass、Housing 與 Center Pin 的熱膨脹行為設計不當,冷卻後可能形成過高的拉伸或剪切應力,使玻璃產生Crack裂紋、Micro-crack微裂微、Delamination界面剝離、Interfacial leakage界面洩漏。


GTMS通常分為兩種基本設計:

  • 匹配封接(Matched Seal):
    Matched Seal的基本概念是使玻璃與金屬的CTE彼此接近,以降低冷卻及工作溫度循環所產生的殘留應力。Matched Seal特別適合:精密尺寸結構、高 Pin Density、溫度循環、半導體封裝、航太電子Feedthrough。
  • 壓縮封接(Compression Seal):
    Compression Seal 則有意利用外部金屬與 玻璃之間較大的 CTE 差異。在冷卻過程中,金屬環產生較大的收縮量,使玻璃處於徑向壓縮狀態。由於玻璃材料通常具有較高的抗壓強度(Compressive Strength)、較低的抗拉強度(Tensile Strength),因此 適當的預壓縮可提高封接結構的機械可靠度。

玻璃-金屬封接(GTMS)如何同時實現「氣密」與「電氣絕緣」?

玻璃具有兩項非常重要的功能:Hermetic Sealing + Electrical Insulation

在氣密電氣(Hermetic Electrical)/射頻饋通件(RF Feedthrough) 中,玻璃可將中心導體與金屬外殼隔離,同時形成低漏率的封接界面。


玻璃通常構成Hermetic RF Feedthrough區段的介電與密封結構,而連接器其他區域仍可能使用 PTFE、PEEK、空氣 介質或其他高頻絕緣材料。因此 GTMS 是整個 RF 傳輸路徑中的一個特殊電磁過渡區域,這也正是 Hermetic RF Connector設計難度較高的原因。

Hermetic Seal 如何影響 RF 電氣性能?

如何維持 50 歐姆阻抗?

理想同軸結構的特性阻抗可近似表示為:


Z0 ≈ (138 / √εr ) * log10(D/d)

(其中:D外導體內徑、d中心導體外徑、εr介電材料相對介電常數。)


由於玻璃的相對介電常數通常高於空氣或 PTFE,如果直接把低 εr 材料換成較高 εr 的玻璃,而完全不修改幾何結構,該區段的特性阻抗通常會降低,GTMS 氣密封接區域必須進行適當的阻抗補償設計。常見方法包括減小玻璃封接區域的中心導體直徑、增加局部外導體內徑、採用階梯式阻抗補償(Stepped Impedance Compensation)、漸變式阻抗過渡(Tapered Transition)及玻璃幾何結構控制(Controlled Glass Geometry),並透過電磁模擬最佳化(EM Simulation Optimization)與 VNA 實測驗證,以降低阻抗不連續並維持目標 50 歐姆傳輸特性。

VSWR、Return Loss 與 Insertion Loss 會受到什麼影響?

如果GTMS區域的電磁轉換設計不佳,在Air / PTFE / Glass / Metal Transition 位置可能形成額外的電容或電感不連續,使 VSWR 與 Return Loss 惡化。


Hermetic RF Connector 的Insertion Loss(插入損耗)主要受到玻璃介電損耗、中心/外導體損耗、鍍層與表面粗糙度、幾何過渡結構及工作頻率等因素影響。


由於不同玻璃材料的介電常數(Dk)與損耗因子(Df)會隨材料配方及頻率而變化,因此設計時應依實際玻璃材料取得 Dk/Df vs. Frequency 數據,納入電磁模擬進行最佳化,並透過 VNA 實測驗證 Insertion Loss,確保氣密封接區域不造成過度的 RF 傳輸損耗。

Hermetic RF Connector與Low PIM

氣密性(Hermeticity)與低被動互調(Low PIM)是兩項不同但需同步考量的 RF 設計要求。


Hermetic 連接器可能採用 Kovar、 不鏽鋼或其他鐵、鎳系材料。其中鐵磁性材料可能增加 PIM風險,但 PIM 通常由材料磁性、非線性金屬接觸、接觸壓力不穩、氧化與污染、鍍層缺陷及組裝品質等多重因素共同造成。


因此,Low PIM Hermetic RF Connector應從材料與鍍層選擇、接觸結構與接觸壓力、表面潔淨度及組裝製程進行整體控制。若規格要求 PIM ≤ -160 dBc,則應同步明確定義測試頻率、載波數量與功率、互調階數(如 IM3)及測試配置,才能形成完整且可驗證的PIM 規格。

如何驗證 RF 連接器的 Hermeticity?

如何驗證RF Connector的氣密性?

氦氣質譜漏率測試(Helium Mass-Spectrometer Leak Test)是高可靠度氣密元件最常用且靈敏度極高的微漏(Fine Leak)檢測方法之一。氦氣具有化學惰性、原子尺寸小、易於質譜辨識及大氣背景濃度低等特性,因此適合作為示蹤氣體(Tracer Gas),用以偵測玻璃-金屬封接界面的微小洩漏。


測試結果通常可以 atm·cc/sec或其他單位表示,並依產品規格設定允收漏率 。

Hermetic Leak Test 與 IP68 有什麼不同?

IP68 與 Hermeticity 屬於不同的防護與驗證體系。


IP68 是依 IEC 60529 評估設備外殼對粉塵與液態水侵入的防護能力; Hermetic Leak Test 則量測氣體通過封接界面或微小缺陷的洩漏程度,用以驗證氣密封接完整性(Seal Integrity)。


因此,IP68 並不等同於 Hermetic,也不存在 Hermetic「高於」IP68 的等級關係。對高可靠度 RF 系統,可依實際環境與壽命需求,同時要求 IP 防護與 Hermetic 氣密性能,建立更完整的環境防護設計。

Hermetic RF Connector的驗證矩陣

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驗證項目

核心目的

對應失效模式

Helium Fine Leak

驗證氣密封接完整性

微裂紋/界面洩漏

Gross Leak

檢出較大的封裝洩漏

大型洩漏路徑或明顯洩漏通道

VSWR / Return Loss

阻抗匹配

RF訊號反射

Insertion Loss

RF傳輸損耗

介電損耗/導體損耗

Insulation Resistance

介電絕緣能力

絕緣劣化/漏電流增加

Dielectric Withstanding Voltage

耐電壓能力

電氣擊穿/介電擊穿

Thermal Cycling

驗證CTE與疲勞可靠度

玻璃裂紋/界面失效

Thermal Shock

驗證快速溫度變化下的封接結構與材料耐受性

玻璃裂紋/微裂紋、界面失效或氣密性劣化

Vibration / Mechanical Shock

機械可靠度

中心導體/封接結構失效

Corrosion / Salt Spray

外部材料與鍍層耐蝕性

腐蝕

PIM

高功率非線性

被動互調干擾

哪些應用需要 Hermetic RF Connector?

LEO 衛星與航太 RF 系統

低軌衛星(LEO)與航太RF設備長期處於真空(Vacuum)、溫度循環(Thermal Cycling)、輻射(Radiation)、出氣(Outgassing)、機械衝擊(Mechanical Shock)及振動(Vibration)等嚴苛環境。當RF Module、Sensor Package 或 Payload 採用密閉腔體、受控氣體環境或需要維持氣密邊界的封裝設計時,Hermetic RF Feedthrough 可在傳輸 RF訊號的同時維持腔體氣密完整性,降低外部環境與內部敏感電子元件直接連通所造成的可靠度風險,因此廣泛應用於高可靠度航太電子與衛星 RF 系統。

軍用雷達與AESA系統

軍用主動電子掃描陣列雷達(AESA Radar)具有高密度 RF 通道與 T/R Module(收發模組),在艦載、機載及地面平台中,可能長期承受鹽霧(Salt Fog)、高濕度(Humidity)、溫度循環(Thermal Cycling)、振動(Vibration)及機械衝擊(Mechanical Shock)等嚴苛環境。當T/R Module或RF 電子設備採用氣密腔體設計時,Hermetic RF Feedthrough 可在維持 RF 訊號傳輸的同時建立可靠的氣密邊界 ,降低水氣、鹽分及環境污染物進入敏感 RF 電子組件的風險,提升系統長期可靠度與環境耐受能力。

5G NTN 與戶外通訊設備

5G NTN地面設備、Gateway 及戶外相位陣列終端長期面臨溫度循環、高濕、降雨、冷凝、日照及沿海鹽害等環境挑戰。對高可靠度RF Module,可採用 Hermetic Feedthrough 建立局部氣密防護,降低水氣侵入及環境劣化風險。

如何選擇 Hermetic RF Connector?

高可靠度Hermetic RF Connector 的選型,應從氣密性能、RF 電氣性能及材料/環境可靠度三個面向進行評估:


  • 氣密性能 (Hermeticity):
    明確定義氦氣漏率(Helium Leak Rate)、測試方法、測試條件及適用標準。例如氣密要求可設定為Helium Leak Rate ≤1 x 10^-8 atm·cc/sec,並依產品結構與可靠度要求制定相應的測試與允收條件。
  • RF 電氣性能(RF Performance):
    依工作頻段確認特性阻抗、VSWR/ Return Loss、Insertion Loss、Power Handling、Insulation Resistance 及 Dielectric Withstanding Voltage。若應用涉及高功率或低互調需求,則應進一步定義 PIM 測試頻率、載波功率及互調階數(IM Order)。
  • 材料與環境可靠度(Material & Environmental Reliability):
    確認外殼與中心導體材料、玻璃與鍍層、操作溫度、溫度循環、熱衝擊、振動、機械衝擊、鹽霧及耐腐蝕性能。海事應用還應進行電偶相容性評估(Galvanic Compatibility Review),避免連接器、面板、華司、螺帽及設備外殼之間形成不利的電偶腐蝕組合。

Hermetic Seal 是 RF 系統的「內部環境邊界」

對高可靠度 RF 系統而言,Hermetic Seal 的價值並不是單純把「防水能力做得比IP68更高」,而是在系統中建立一道:可量化、可驗證的低氣體洩漏邊界。


Glass-to-Metal Sealing 透過玻璃、金屬、界面化學、CTE 與壓縮應力的精密控制,使中心導體在穿越金屬腔體時,同時實現:Electrical Isolation + Mechanical Support + Hermetic Barrier


對 LEO 衛星、軍用雷達、海事通訊與高可靠度戶外 RF 系統而言,真正重要的並不是單獨追求一個漂亮的IP或Leak Rate數字,而是建立:Environmental Protection → Hermetic Barrier → RF Performance → Reliability Validation 完整的系統級防護架構。


為了避免產品在極端環境下發生訊號瞬斷或提早失效,歡迎隨時投遞聯絡表單與我們的工程團隊聯繫,我們將為您提供專屬的客製化 Hermetic RF 連接器解決方案。

FAQ常見問題

Q1: 為什麼已具備 IP68 的 RF 連接器,仍可能需要Hermetic Seal?

A: IP68與Hermeticity 是兩種不同的工程要求。 IP68 依 IEC 60529 評估產品外殼對液態水侵入的防護能力;它並不直接規範 Helium Leak Rate,也不能等同於氣密封裝。  採用 O-Ring、Gasket 或其他聚合物密封的連接器可具有非常優良的液態水防護能力,但聚合物本身仍可能存在水蒸氣滲透,而組裝界面也可能因長期溫度循環、壓縮永久變形或機械應力形成微小洩漏路徑。因此,對必須長期維持低氣體漏率的 RF Module 或 Feedthrough,可進一步採用Glass-to-Metal Hermetic Seal。


Q2: Glass-to-Metal Seal 如何維持 RF 連接器的 50 歐姆阻抗?

A: 玻璃的相對介電常數通常高於空氣或鐵氟龍(PTFE),若未進行結構補償,GTMS 區域可能產生局部阻抗不連續。設計時可透過調整中心導體直徑、外導體內徑及玻璃幾何結構,搭配階梯式或漸變式阻抗過渡設計,使 GTMS 區域維持接近 50 歐姆的阻抗連續性。最終再透過 3D 電磁模擬與 VNA 實測進行最佳化與驗證,以降低訊號反射並確保 RF傳輸性能。


Q3: 如何確認 RF 連接器是否真正達到氣密等級?
A: 氣密性(Hermeticity)不應僅以泡水或IP防護測試判定,應採用適用的氣密漏率測試(Hermetic Leak Test)。其中,氦氣質譜漏率測試(Helium Mass-Spectrometer Leak Test)是高可靠度氣密元件常用的微漏(Fine Leak)檢測方法之一。規格應明確定義氦氣漏率、測試方法、測試條件及適用標準,例如 Helium Leak Rate ≤ 1 x 10^-8 atm·cc/sec。實際允收標準則應依產品結構、應用需求及相關規範制定,以確保氣密封接完整性(Seal Integrity)。


Q4: 導入 Hermetic RF Connector 能帶來什麼商業效益?

A: Hermetic RF Connector 的初期成本通常高於一般環境密封型連接器 ,但對 LEO 衛星、軍用/海事雷達、AESA T/R Module 及高價值 RF 設備等「失效成本遠高於元件成本」的應用,可有效降低水氣與污染物侵入所造成的現場失效、非預期維修及模組更換風險。 因此,選用 Hermetic RF Connector 不應只比較單一元件價格,而應綜合評估失效風險、維護成本、停機損失及任務可靠度,以降低生命週期成本並改善總體擁有成本(TCO)。


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