微晶玻璃在電子封接中的應(yīng)用

1、早在1739年法國(guó)科學(xué)文獻(xiàn)中就有了最原始的微晶玻璃的記載。但真正能夠進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)則是20世紀(jì)后半葉的事情。1953年5月23日,美國(guó)康寧公司研究人員申請(qǐng)了第一個(gè)微晶玻璃的專利。幾十年來(lái),微晶玻璃發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段:(150年代末到70年代中期,主要是研究低膨脹系數(shù)的微晶玻璃,并獲得了透明材料,最為典型的是Li 2O-Al 2O 3-SiO 2系統(tǒng)微晶玻璃;(270年代中期到80年代中期,開發(fā)了具有與金屬類似的可加工和較高的強(qiáng)度與韌性的可切削微晶玻璃,如片狀氟金云母型微晶玻璃;(380年代中期到至今,更為復(fù)雜結(jié)構(gòu)與多晶的微晶玻璃得到了廣泛的研究,特別是在生物材料、超導(dǎo)材料、核廢料處理等方面,極大

2、地?cái)U(kuò)展了微晶玻璃應(yīng)用領(lǐng)域。1微晶玻璃的特點(diǎn)微晶玻璃(Glass -ceramic 又名玻璃陶瓷,它是指將加有形核劑(個(gè)別可不加的特定組成的基礎(chǔ)玻璃,在一定溫度下熱處理后,變成具有微晶體和玻璃相均勻分布的復(fù)合材料。微晶玻璃的結(jié)構(gòu)和性能與陶瓷、玻璃均不同,其性能是由晶體的礦物組成和玻璃的化學(xué)組成及它們的比例決定的,微晶玻璃作為一種獨(dú)立系統(tǒng)的復(fù)合材料,具有與玻璃、陶瓷不同的特點(diǎn):(1微晶玻璃的膨脹系數(shù)既可大于玻璃、陶瓷;也可以小到零,甚至負(fù)值,膨脹系數(shù)可以在極其廣闊的范圍內(nèi)變化,可以與每種金屬的匹配,而陶瓷材料要達(dá)到這樣的適應(yīng)性是不可能的;微晶玻璃在電子封接中的應(yīng)用Glass-ceramic app

3、lication in electronic sealing韓濱周嶅祖成奎朱寶京陳江趙慧峰劉永華(中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院,北京100024摘要:概括了微晶玻璃的各項(xiàng)優(yōu)異性能,微晶玻璃與金屬封接的要求。介紹了微晶玻璃在電子封接中的典型應(yīng)用,并按微晶玻璃的基礎(chǔ)玻璃成分,介紹了國(guó)內(nèi)外微晶封接玻璃的研究及應(yīng)用,以及各類微晶玻璃系統(tǒng)的主晶相和熱膨脹的特性。關(guān)鍵詞:微晶玻璃;封接;主晶相;膨脹系數(shù)Abstract:The various superiority performances of glass-ceramic and sealing demand of glass-ceramic to met

4、al are revewed.The representative application of glass-ceramic in electronic sealing are introduced.disquisition of sealing glass-ceramic are introduced according to basic component.the various type glass-ceramic character of main crystalline and expand coefficient are introduced too.文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):10

5、03-8965(200703-0034-03 建筑玻璃與工業(yè)玻璃34微晶玻璃2斷裂模量kg/cm 228002450-3楊氏模量kg/cm 291.710480.510485.31044膨脹系數(shù)1/14010-717810-75210-75變形溫度850750625(Tf 6電擊穿強(qiáng)度kV/mm 4730-720時(shí)體電阻cm 3.210151.91015介電損耗1MC/s-(2具有較高的力學(xué)強(qiáng)度。熔融玻璃得到均勻的狀態(tài),析晶過(guò)程通過(guò)嚴(yán)格控制,可獲得具有極細(xì)晶粒、沒有空隙的均勻結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)使得微晶玻璃比一般陶瓷、玻璃具有更好的強(qiáng)度、耐磨性、電絕緣性和硬度等。微晶玻璃的抗沖擊強(qiáng)度和斷裂韌性等強(qiáng)度

6、指標(biāo)明顯高于相應(yīng)組成的玻璃;(3具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,尤其在耐腐蝕方面更為突出。這主要是由微晶玻璃的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)所決定的;(4性能優(yōu)良?？膳c玻璃、陶瓷及金屬封接。由于微晶玻璃是由玻璃開始的,它在熔融狀態(tài)下能夠“潤(rùn)濕”其它材料,因此可用于金屬、玻璃和陶瓷之間的封接;(5制備工藝簡(jiǎn)單,制造材料成本低。微晶玻璃可利用玻璃制造工藝,形成各種形狀復(fù)雜的制品;它所需的原料成本低廉,特別是生產(chǎn)礦渣微晶玻璃可利用工業(yè)廢料,既可降低成本又有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。2微晶玻璃封接的要求微晶玻璃和金屬是兩種性質(zhì)不同的材料,若將它們緊密地封接在一起,必須滿足以下基本條件:2.1線膨脹系數(shù)匹配確切地說(shuō),玻璃和金屬?gòu)?/p>

7、室溫到低于玻璃退火溫度上限的溫度范圍內(nèi),二者膨脹曲線應(yīng)盡可能一致,這樣就形成無(wú)應(yīng)力的封接體。如果兩者的膨脹速率和收縮速率不一致,在封接體中玻璃或金屬都將產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)玻璃的強(qiáng)度極限時(shí),玻璃即行開裂,導(dǎo)致元件漏氣和密封失效。即使在短時(shí)間內(nèi)沒有開裂,但時(shí)間一長(zhǎng),玻璃體承受不了應(yīng)力的作用,也會(huì)逐漸產(chǎn)生微裂紋,造成慢性漏氣。尤其當(dāng)電子器件受到震動(dòng)和碰撞時(shí),微裂紋會(huì)迅速蔓延和擴(kuò)展,導(dǎo)致器件的突然損壞。通常認(rèn)為,如果玻璃和金屬的在整個(gè)溫度范圍內(nèi)相差不超過(guò)10%,應(yīng)力便可控制在安全范圍內(nèi),玻璃就不會(huì)炸裂。潤(rùn)濕性反映了兩種物質(zhì)之間的結(jié)合能力。衡量濕潤(rùn)性的優(yōu)劣以潤(rùn)濕角表示。從熱力學(xué)角度而論,液體在固體表

8、面上的流度由固體和液體表面張力和固液界張力來(lái)決定,達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí):SL +L G cos =SG F=L G cos =SG -SL 式中:、F 分別表示界面張力和潤(rùn)濕張力S 、L 、G 分別表示固相、液相和氣相由上式看出:角越小,cos 越大,則潤(rùn)濕情況良好。當(dāng)=0,cos =1,說(shuō)明完全潤(rùn)濕。潤(rùn)濕的概念可作為封接工藝的理論基礎(chǔ),因?yàn)椴ＡШ徒饘俚姆饨訉?shí)際上是表面潤(rùn)濕問題。通常情況下,玻璃和純金屬表面幾乎不潤(rùn)濕(潤(rùn)濕角很大,但在空氣和氧氣介質(zhì)中,則潤(rùn)濕情況會(huì)出現(xiàn)明顯改善,這是由于金屬表面形成了一層氧化膜而導(dǎo)致潤(rùn)濕的緣故。表13類典型微晶玻璃的性能建筑玻璃與工業(yè)玻璃353微晶封接玻璃的應(yīng)用微晶玻

9、璃與金屬的封接在電氣工程、微電子學(xué)和真空管結(jié)構(gòu)中起著非常重要的作用。作為封接材料,微晶玻璃最廣泛的應(yīng)用是與金屬的封接,主要是利用微晶玻璃較寬的熱膨脹系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。表1給出了與金屬封接的3種微晶玻璃的相關(guān)重要性能。表中A類微晶玻璃適用于鋼材封接,具有高的介質(zhì)擊穿強(qiáng)度,適于制造高壓絕緣體。B類適用于銅封微晶玻璃,具有低介質(zhì)損耗特性,可應(yīng)用于電子技術(shù)領(lǐng)域。C類適用于可伐合金封接。通過(guò)控制玻璃組成和熱處理?xiàng)l件,能制備出從室溫到系統(tǒng)的應(yīng)變點(diǎn)和金屬膨脹系數(shù)匹配良好的微晶玻璃。圖1是金屬銅與之相匹配的微晶玻璃的熱膨脹特性,它們基本上呈線性匹配,微晶玻璃能與之直接封接。微晶玻璃能夠滿足在封接熱處理?xiàng)l

10、件下的氣氛要求。為了抑制金屬部件的氧化,處理工藝常在還原氣氛或中性氣氛下進(jìn)行。這樣的氣氛會(huì)影響到那些含有易還原成分的玻璃。P2O5是玻璃中較理想的晶核劑,其優(yōu)點(diǎn)是P2O5不受還原性氣氛的影響,因?yàn)榱撞皇亲儍r(jià)元素;此外,P2O5能更有效地成核,玻璃晶化后將產(chǎn)生高膨脹的微晶玻璃,而這類微晶玻璃材料是封接各種高膨脹金屬材料所必須的。較為常用的微晶封接玻璃主要包括:堿金屬氧化物硅酸鹽微晶玻璃以鋰硅酸鹽為基的,以P2O5為晶核劑,主晶相為硅酸鋰及焦硅酸鋰,能制成具有中高膨脹系數(shù)的微晶玻璃,其通常約為(8 1910-6/。含堿的鋅鋁硅酸鹽玻璃以TiO2和ZrO2為晶核劑,主晶相為11-Li2ZnSiO4、0-Li2ZnSiO4、-鋰輝石及-鋰霞石,其通常約為(3.610 10-6/。張永愛等人曾研究以P2O5為形核劑的鋰鋅硅酸鹽微晶玻璃的析晶特性,該系統(tǒng)微晶玻璃的膨脹系數(shù)為(41910-6/。關(guān)于鎂鋁硅酸鹽微晶玻璃制備的研究不多,Chen和McMillan加入少量的Al2O3,使用TiO2作為形核劑制備的微晶玻璃,根據(jù)晶化溫度不同,晶體包括一定比例的頑輝石固溶體、硅鋅礦及方石英,熱膨脹系數(shù)在(3.510.2