1玻璃與金屬的封接機(jī)理

1、1玻璃與金屬的封接機(jī)理從金屬外殼的外形、幾何尺寸、引線（腳）數(shù)以及引出形式，其中零件可謂五 花八門、成千上萬種，但按其封接應(yīng)力（熔封型式）而言，主要是匹配封接和失配 封接，究其封接機(jī)理將涉及到二個(gè)方面的問題：1. 1玻璃與金屬的潤(rùn)濕（浸潤(rùn)）問題1.1.1潤(rùn)濕問題這里所謂的潤(rùn)濕問題則是指玻璃與金屬的結(jié)合力問題，要想達(dá)到玻璃與金屬的良好密封，就必須使兩者有良好的潤(rùn)濕性。玻璃與金屬的潤(rùn)濕同液體對(duì)固體表面潤(rùn)濕的道理-樣，即如水滴與物體接觸 時(shí)常出現(xiàn)的兩種狀況一種是水滴在荷葉上呈圓球形，其潤(rùn)濕角8接近180 c （見圖1）這種潤(rùn)濕顯然是不好的；另一種是水滴落在木板上呈扁平形，其 8角近似 于0°

2、;見圖2）,這便是很好的潤(rùn)濕。1.1. 2氧化物結(jié)合學(xué)說這種學(xué)說認(rèn)為：玻璃是由多種氧化物所組成，在封接過程中，金屬表面的氧 化物能熔人玻璃內(nèi)，從而成為玻璃成分的一部分，由此獲得良好地密封。但該學(xué) 說未能對(duì)高價(jià)氧化物能存在于玻璃成分中，并不能與玻璃做到很好的封接作出解 釋，而電力結(jié)合學(xué)說則從金屬氧化物屬于離鍵晶體結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)出發(fā)對(duì)其作了相應(yīng) 的解釋。1.1.3電力結(jié)合學(xué)說這種學(xué)說認(rèn)為：金屬表面形成低價(jià)氧化物時(shí)，金屬內(nèi)層價(jià)電子并不參加化合 作用，而形成高價(jià)氧化物時(shí)，金屬內(nèi)層價(jià)電子將參加化合作用。因此，金屬氧化 物的離子半徑大小是隨金屬化合價(jià)的高低而不同。在高價(jià)氧化物時(shí)，由于金屬離子半徑小，被氧離子緊

3、密包圍，使金屬離子不能與玻璃中的正負(fù)離子很好地結(jié)合。 當(dāng)形成低價(jià)氧化物時(shí)，由于金屬離子和周圍的氧離子之間形成較大空隙，其電力線可以延伸出來，與玻璃中的正負(fù)離子獲得最大的結(jié)合力和最小的排斥力，從而得到滿意的封接（見圖3）。a.潤(rùn)濕角與金屬化合價(jià)間關(guān)系曲線；b.金屬表面形成高價(jià)氧化物時(shí)與玻璃的電力線結(jié)合關(guān)系圖；c.金屬表面形成低價(jià)氧化物時(shí)與玻璃的電力線結(jié)合關(guān)系圖；d.金屬表面沒有被氧化時(shí)與玻璃電力線結(jié)合關(guān)系曲線。由以上的分析告訴我們，在金屬表面形成低價(jià)氧化層才能獲得玻璃與金屬的 良好潤(rùn)濕效果。1. 2膨脹系數(shù)問題這里所謂的膨脹系數(shù)問題則是指在熔封過程中主要是室溫至應(yīng)變點(diǎn)（Tg）溫 度范圍內(nèi)玻璃與金

4、屬的膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能達(dá)到一致，原則上兩者膨脹系數(shù)之差 "A版不大于10%,這時(shí)，便可獲得最小的封接應(yīng)力（既無害應(yīng)力），從而獲得良 好的密封效果。鑒于玻璃能承受較大的壓應(yīng)力，因此，在設(shè)計(jì)外殼和選擇材料時(shí)， 往往希望外層金屬的膨脹系數(shù)略高于中間玻璃，中間玻璃的膨脹系數(shù)略高于中心金屬（引出線、管）即遵循a外金a中玻a內(nèi)金的原則。在匹配封接中，常用的封接材料是4J29柯伐合金與鋁組玻璃相封接GBn97 中規(guī)定 4J29 合金的平均線膨脹（20 C 400 C ） a :4.65. 2X10-6 C/； SJ/ T10587 中規(guī)定 DM-305 的 a: 4850 乂 10-7/C;規(guī)定 D

5、M-308 的 a: 47-49 X0-7 /C;有資料報(bào)導(dǎo)：當(dāng)封接溫度為 970c時(shí)，DM-305的潤(rùn)濕角為150, DM-308 的潤(rùn)濕角為300。（從玻璃強(qiáng)度耐熱度及 TK-100點(diǎn)來看，DM-308玻璃略優(yōu)于 DM-305 玻璃）。由以上的介紹告訴我們，選擇。系數(shù)的一般原則及匹配封接可獲得無有害應(yīng) 力的高強(qiáng)度封接，有助于獲取良好的氣密封接。在失配封接中，對(duì)于a系數(shù)的選擇原則是a外金a中玻a內(nèi)金，應(yīng)用的是 壓縮封接原理即保證外部金屬對(duì)中間玻璃產(chǎn)生較大的徑向壓應(yīng)力（足以抵消內(nèi)金屬對(duì)中間玻璃所產(chǎn)生的徑向拉應(yīng)力），最終保證（極易產(chǎn)生漏氣部位）內(nèi)金屬與中 間玻璃的封接處達(dá)到玻璃受到三向壓應(yīng)力，

6、從而提高氣密性。筆者在半導(dǎo)體技 術(shù)1990年1期發(fā)表了壓縮封接及其應(yīng)力計(jì)算公式簡(jiǎn)介一文，故不對(duì)失配 封接贅述。2與氣密性相關(guān)的因素及注意事項(xiàng)封接機(jī)理必須指導(dǎo)工藝，因此優(yōu)選工藝、嚴(yán)格控制工藝（包括原材料的控制） 才能使封接件獲得良好的潤(rùn)濕和最小的封接應(yīng)力，從而保證其良好的氣密性。2. 1原材料必須嚴(yán)格檢查控制3. 1. 1原材料必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定有資料表明，在某批玻璃中的某種氧化物含量超出1.4%,結(jié)果封接溫度提高了 100 C,封接質(zhì)量依舊不好，因此嚴(yán)格材料的檢查及批使用前的小樣工藝試 驗(yàn)是必要的；原材料的雜質(zhì)含量必須嚴(yán)格控制，有資料表明，4J29柯伐合金中鈦含量達(dá)到0. 1%時(shí)，既使合金

7、中碳量在0. 01%,封接時(shí)亦會(huì)產(chǎn)生有害的封接（密集申?duì)睿?氣泡。2. 1. 2金屬的表面狀態(tài)應(yīng)加以控制用于電子封接的金屬材料其表面質(zhì)量必須控制。表面狀態(tài)必須良好，不應(yīng)有劃痕、拉傷等缺陷；表面粗糙度應(yīng)有相應(yīng)規(guī)定。表面狀態(tài)不好將影響玻璃與金屬的潤(rùn)濕效果，并會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品氣密性下降。2. 2優(yōu)化工藝、嚴(yán)格工藝2.2.1金屬的燒氧退火為了消除封接時(shí)在柯伐與玻璃界面處產(chǎn)生有害 （密集用狀）氣泡，應(yīng)在高溫、濕 氫中對(duì)金屬零件進(jìn)行去氣、脫碳；有資料介紹，經(jīng)1100cx1530min的處理后，金屬中含碳量可降至0.01%, 封接時(shí)極少出現(xiàn)氣泡； 為了達(dá)到良好的脫碳、去氣作用，燒氫退火溫度必須高于封接溫度 30

8、C 50 C ；柯伐合金在1050 c時(shí)，晶粒度會(huì)發(fā)生急驟長(zhǎng)大，在以后的釬焊、電鍍過程中不僅會(huì)降低引線強(qiáng)度，亦會(huì)導(dǎo)致慢性漏氣（晶粒度不宜低于5級(jí)）；推薦燒氫退火規(guī)范 1000 c1050 cx20min（可根據(jù)金屬件的幾何尺寸、形狀 及模具結(jié)構(gòu)對(duì)溫度作適當(dāng)調(diào)整）0注：a.熱處理后的金屬件應(yīng)妥善保存，且不應(yīng)久放。b.新的石墨模具亦可采用退火規(guī)范上限溫度在 N2或H2中進(jìn)行。2. 2. 2金屬的預(yù)氧化封接時(shí)往往采用中性氣氛 N2或微還原氣氛N2+H2（微量），為了達(dá)到玻璃與 金屬的良好潤(rùn)濕，對(duì)金屬必須進(jìn)行預(yù)氧化處理。金屬氧化物必須均勻致密；氧化層必須與金屬緊密粘附；氧化層厚度應(yīng)加以控制；氧化層不宜

9、過厚，亦不能過薄，否則均可能導(dǎo)致漏氣。a.當(dāng)氧化層太厚時(shí)，封接時(shí)氧化層不能完全滲入玻璃中，由此氧化層會(huì)形 成多孔路徑（漏氣源），同樣，過厚的氧化層易從柯伐基體上剝落，致使氧化層與 底金屬分離，因此達(dá)不到潤(rùn)濕密封作用。b.當(dāng)氧化層過薄時(shí)，玻璃與柯伐封接時(shí)不可能有良好的潤(rùn)濕，不僅封接強(qiáng) 度差，亦將會(huì)在外力作用下，產(chǎn)生引線與玻璃封接處漏氣。c.有資料介紹，柯伐合金最適當(dāng)?shù)难趸瘜雍穸仁?00800nm（測(cè)厚法）或0. 03mg0 . 07mg/cm2（稱重法）。生產(chǎn)中多以氧化層的顏色判斷，如規(guī)定為 蘭色斗蘭黑色（微還原或中性氣氛是前提條件）o推薦預(yù)氧化規(guī)范：800 c X 10min（空氣或濕N2中）

10、。2. 2. 3封接溫度封接溫度、時(shí)間、氣氛俗稱封接中的三要素，三者相輔相成，絕不可孤立對(duì)待。一般對(duì)封接氣氛采用中性氮?dú)?，亦有采?N2+H2（微量）的微還原氣氛（筆者 認(rèn)為，若有4個(gè)9干燥N:氣氛為宜）。在固定氣氛前提下，溫度與時(shí)間對(duì)封接 而言，溫度又是主導(dǎo)方面。溫度高點(diǎn)，時(shí)間可短點(diǎn)；溫度低點(diǎn)，時(shí)間則可長(zhǎng)點(diǎn)； 可根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，裝配方式、幾何尺寸而定，總之，要保證獲得符合要求的良好 封接外觀。但溫度的高低亦是有限度的，一般以無封接外觀廢品為準(zhǔn)，例如：溫度過低，玻璃的粘度大，則流動(dòng)性差，往往會(huì)產(chǎn)生漏洞、鼓坯、不平、 不光滑的外觀（當(dāng)封接外形達(dá)到要求時(shí)則就不屬溫度偏低了），同時(shí)亦會(huì)因溫度低、潤(rùn)濕性

11、差而產(chǎn)生封接強(qiáng)度低，可能導(dǎo)致產(chǎn)品漏氣；溫度過高，玻璃的流動(dòng)性好，易產(chǎn)生流玻（撲玻）、玻點(diǎn)（珠）同時(shí)亦會(huì)因溫 度過高使玻璃、金屬中釋放出氣體，而產(chǎn)生封接 （用狀）氣泡，導(dǎo)致封接強(qiáng)度差， 封接件漏氣；推薦封接溫度范圍：970 C-1020 C,對(duì)于摻Cr203或進(jìn)行某種改性的鑰 組玻璃，亦可對(duì)溫度作以適當(dāng)調(diào)整；封接后封接界面亦應(yīng)有顏色控制， 有報(bào)導(dǎo)要求呈灰色，如若呈銀白色則為 氧化不足，如呈黑色則為氧化過重（多為封接時(shí)間過長(zhǎng)或返燒產(chǎn)品 L可采取解剖 法觀察玻璃與金屬的粘附情況。2.2.4電鍍功率型、大腔體外殼僅適于掛鍍；底板鍍層硬度、厚度不宜過大，否則會(huì)影響封蓋質(zhì)量；底板鍍層金屬盡可能熔點(diǎn)低一些，

12、 過高會(huì)影響封蓋質(zhì)量，對(duì)底座的引線局部鍍 金應(yīng)加以研究。3對(duì)分析漏氣的幾點(diǎn)思路應(yīng)針對(duì)外殼漏氣的失效模式、不同情況作不同的分析，粗略提出幾點(diǎn)分析：3. 1. 1多品種普遍產(chǎn)生漏氣應(yīng)檢查原材料的使用及原材料的質(zhì)量；查工藝規(guī)范，重點(diǎn)工序（熔封）是否發(fā)生了變化。3. 1. 2單一品種較大比例漏氣若未經(jīng)鑒定的新產(chǎn)品則應(yīng)查結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝的合理性；加工零件的一致性如何。（預(yù)氧化、玻坯、金屬件尺寸及裝配效果、零件外觀質(zhì)量 ）。3. 1. 3環(huán)境試驗(yàn)后漏氣工藝不合理，內(nèi)應(yīng)力大;玻璃強(qiáng)度不好;玻璃熱穩(wěn)定性差。3.1.4封蓋后漏氣底座封接質(zhì)量不好；座、蓋配合尺寸不好；座、蓋硬度大；座鍍層過厚、熔點(diǎn)偏高；封蓋模具問題（結(jié)構(gòu)尺寸及粗糙度）；封蓋規(guī)范控制不合理。對(duì)于嚴(yán)重漏氣問題，一則應(yīng)根據(jù)不同失效模式，有針對(duì)性地查找原因，做相 應(yīng)工藝試驗(yàn)，同時(shí)亦應(yīng)借助科學(xué)的手段對(duì)失效樣品進(jìn)行解剖分析： 如金相法檢查 金屬晶粒度、氧化層的厚度；用電子衍射測(cè)定氧化層的組織成分； 用探針記錄玻 璃與金屬的熔封界面狀況等，將有助于原因的分析。4結(jié)束語(yǔ)氣密性技術(shù)的研究需要不斷積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)亦應(yīng)注重提高理論分析能 力，達(dá)到二者的結(jié)合（除技術(shù)問題之外、加強(qiáng)生產(chǎn)管理及質(zhì)量監(jiān)督控制亦是非常 重要的一個(gè)方面）。隨著器件發(fā)展的需要，對(duì)外殼氣密性要求亦在提高，對(duì)于空間工程要？quot;漏率"在10-3P