钎焊及玻璃焊料课件

先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining玻璃钎焊及玻璃焊料玻璃钎焊及玻璃焊料1先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoiningp玻璃与玻璃的封接p玻璃与金属的封接p玻璃与陶瓷的封接封接对象玻璃与玻璃的封接封接对象2先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining气密性封接气密性封接陶瓷双列直插封装的密封陶瓷双列直插封装的密封n首先将可伐引线框架用临时软化的玻璃粘接到基板上首先将可伐引线框架用临时软化的玻璃粘接到基板上n完成芯片和引线键合完成芯片和引线键合n在封冒机中用封接温度为在封冒机中用封接温度为400左右的玻璃实现密封左右的玻璃实现密封气密性封接陶瓷双列直插封装的密封3先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining硬玻璃密封硬玻璃密封(承载玻璃承载玻璃/硬玻璃硬玻璃)n用高熔点的硅硼玻璃在约用高熔点的硅硼玻璃在约1100的温度下将可伐引线框架和的温度下将可伐引线框架和可伐密封环粘接到基板表面可伐密封环粘接到基板表面n粘接芯片和引线键合粘接芯片和引线键合n使用钎料合金实现盖板与密封环的封接使用钎料合金实现盖板与密封环的封接硬玻璃密封(承载玻璃/硬玻璃)4先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining其他类型陶瓷封装的密封其他类型陶瓷封装的密封侧面钎焊陶瓷封装侧面钎焊陶瓷封装扁平封装扁平封装其他类型陶瓷封装的密封侧面钎焊陶瓷封装扁平封装5先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining片式载体片式载体片式载体6先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining1.1.玻璃与其它材料的封接机理玻璃与其它材料的封接机理玻璃与其它材料封接的含义：玻璃与其它材料封接的含义：加热无机玻璃，使其与其它材料表面达到良好的浸润而紧密的结合在一起，随后玻璃和其它材料冷却到室温时，玻璃和其它材料仍能牢固的封接在一起，成为一个整体封接玻璃特点：封接玻璃特点：p是指一切能与其它材料如各种金属或合金、陶瓷以及玻璃封接在一起的玻璃p气密性和耐热性优于有机高分子材料p电绝缘性能方面优于金属材料1.玻璃与其它材料的封接机理玻璃与其它材料封接的含义：加热7先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining封接机理涉及两个基本的条件：封接机理涉及两个基本的条件：(1)两者热膨胀系数要十分接近两者热膨胀系数要十分接近(经验值：差值不超过经验值：差值不超过10%)封接封接成败的关键。成败的关键。玻璃和其它材料应从室温到低于玻璃退火温度上限的温度范围内，它们的膨胀曲线尽可能一致。反之，封接处即行开裂，或慢性漏气。(2)必须使玻璃能润湿其它材料表面必须使玻璃能润湿其它材料表面同样关键。同样关键。液滴在固体表面的润湿现象封接机理涉及两个基本的条件：(1)两者热膨胀系数要十分接近(8先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining对封接件及其封接玻璃的性能要求：对封接件及其封接玻璃的性能要求：(1)对封接件的要求对封接件的要求(电真空器件电真空器件)良好的电真空气密性必要的热稳定性及电性能足够的机械强度较好的防潮性及耐腐蚀性能对封接件及其封接玻璃的性能要求：(1)对封接件的要求(电真空9先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining(2)对对封封接玻璃的要求接玻璃的要求玻璃的抗玻璃的抗热震性震性(热膨膨胀系数和封接件系数和封接件的几何形状和尺寸的几何形状和尺寸有关有关)急热时玻璃表面产生压应力，内部受到拉应力；反之则反。玻璃从应力集中的地方破裂，玻璃耐压不耐拉，抗拉强度仅是抗压强度的1/10，因而急冷和急热的速率相同时，玻璃经受急冷的破坏性比急热破坏性大得多。玻璃的玻璃的热膨膨胀系数系数选择与其它材料相封接的玻璃，两者的热膨胀系数要尽可能相近玻璃的玻璃的电绝缘性性电子领域要求具有较好的电绝缘性。Tk-100点：他是以体积电阻率108cm时的温度来表示玻璃绝缘性能的好坏，即取lg=8的温度定义为Tk-100点。Tk-100点越高，则玻璃的绝缘性越好。玻璃的抗水性玻璃的抗水性主要取决于玻璃的化学组成，尤其是碱金属氧化物，碱金属氧化物越少，抗水性越好。引入Al2O3、ZrO2、ZnO可提高抗水性。玻璃的玻璃的软化点化点软化点不要过高，过高导致熔封温度过高，另外不利于封接时的流动性(2)对封接玻璃的要求玻璃的抗热震性(热膨胀系数和封接件的几10先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining(2)对金属的要求对金属的要求恒定的热膨胀系数且与玻璃尽量一致封接温度内不产生同素异形的转化封接时首先要预氧化润湿角的几何图解(2)对金属的要求恒定的热膨胀系数且与玻璃尽量一致润湿角的几11先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining封接玻璃的分类封接玻璃的分类(按照封接时的烧结温度分类按照封接时的烧结温度分类)：(1)封接温度高于封接温度高于580oC的的低熔玻璃低熔玻璃以钠钙硅、硼硅酸盐玻璃为主，封接温度高具有很好的化学稳定性和机械强度，但应用面较小(2)封接温度介于封接温度介于500oC-580oC的低熔玻璃的低熔玻璃以PbO-B2O3系玻璃为主，可加入组分很多，如PbO-B2O3-SiO2-R2O(R=Li、Na、K)，PbO-B2O3-SiO2-RO(R=Ca、Ba、Sr)等(3)封接温度介于封接温度介于400oC-580oC的低熔玻璃的低熔玻璃同样以PbO-B2O3系玻璃为主，但PbO的含量一般大于70wt.%。还常加入少量Bi2O3、ZnO、BaO、SnO2、V2O5、La2O3等(4)封接温度介于封接温度介于350oC-400oC的低熔玻璃的低熔玻璃改性的PbO-B2O3系玻璃，加入剧毒和昂贵的Tl2O、TeO2或PbF2或HgO等具有强烈降低烧结温度的原料磷酸盐玻璃，主要用于热膨胀高于11的场合钒酸盐玻璃，以V2O5-P2O5、V2O5-TeO2等玻璃为主，加入P2O5和Tl2O降低烧结温度，是400oC以下气密封街最主要的材料(5)封接温度在封接温度在350oC-以下以下的低熔玻璃的低熔玻璃美国USP4743302专利320oC密封半导体器件外壳的PbO-V2O5-Bi2O3-ZnO美国USP5336644专利300oC-350oC密封芯片陶瓷外壳的Tl2O-V2O5-TeO2-As2O3日本的专利USP5116786报道了一种软化点在20oC的PbO-V2O5-TeO2玻璃另一类V2O5系玻璃，如Ag2O-V2O5-TeO2、PbO-P2O5-V2O5制成的银浆有更低的烧结温度这类玻璃极易析晶，化学稳定性很差，通常要求严格的工艺制度封接玻璃的分类(按照封接时的烧结温度分类)：(1)封接温度高12先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining封接玻璃组成的无铅化：封接玻璃组成的无铅化：Pb在玻璃中的作用优点：优点：电子元器件用封接玻璃绝大部分为含铅玻璃，氧化铅的质量分数一般在30%以上。Pb2+易与O2-形成四方锥体型PbO4 架状结构，很容易与其他氧化物形成玻璃，且玻璃形成区较大。由于Pb2+外层电子壳为18+2结构，极化性强，这使得含铅玻璃的熔化温度明显降低。含铅玻璃拥有一系列的优点，比如软化点低(Tf400oC)，流动性好，热膨胀系数适当(=9-10)，这使得含铅玻璃应用十分广泛缺点：缺点：由于铅是重金属，有极大的毒性，对环境以及人类健康有非常不利的影响，已经被美国环境保护协会列为17种损害人类健康和环境的物质之一封接玻璃组成的无铅化：Pb在玻璃中的作用优点：缺点：13先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining封接玻璃组成的无铅化：封接玻璃组成的无铅化：磷酸磷酸盐玻璃系玻璃系统磷酸盐玻璃具有较低的玻璃转化温度(Tg=270-400oC)和软化温度(Tf=290-420oC)以及高的热膨胀率(=11-16)钒酸酸盐玻璃系玻璃系统钒酸盐玻璃是以V2O5为主要成分形成的玻璃体系。V2O5能与许多氧化物形成玻璃，并具有较大的玻璃形成区。钒酸盐玻璃具有低的玻璃化转变温度(Tg=260-420oC)和软化点(Tf=270-440oC)，相对宽泛的热膨胀系数(=4-16)。但是，由于V2O5在蒸汽状态下有剧毒，价格昂贵，且钒酸盐玻璃为层状结构，容易吸收水分造成烧结体形成气泡这也限制了它的实际应用。硼酸硼酸盐玻璃系玻璃系统硼酸盐玻璃是以硼酸盐为主要原料，加入其他氧化物而制备的玻璃。B2O3是玻璃形成体，可以单独形成玻璃，也可以跟其他氧化物一起形成玻璃。相比于其他低熔点封接玻璃体系，硼酸盐玻璃系统具有相对较高的玻璃化转变温度(Tg=400-600oC)，较高的软化温度(Tf=430-610oC)和相对较低的热膨胀系数(=5-11)铋酸酸盐玻璃系玻璃系统铋酸盐玻璃是以Bi2O3为主要成分形成的玻璃体系。铋酸盐玻璃系统中含有大量的Bi2O3，由于Bi2O3不是玻璃形成体，所以很难单独形成玻璃，需要在体系中加入传统的玻璃网络形成体(SiO2、B2O3、P2O5等)才能形成稳定的玻璃。Bi2O3在玻璃中能显著降低玻璃的黏度，增大玻璃的密度，这与PbO 的作用相似。封接玻璃组成的无铅化：磷酸盐玻璃系统磷酸盐玻璃具有较低的玻璃14先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining影响影响封接件最主要的因素有如下四方面封接件最主要的因素有如下四方面：(1)金属的氧化；(2)玻璃和金属的膨胀系数；(3)玻璃的强度和界面扩散；(4)封接件的形状、尺寸以及表面粗糙度等等2.2.玻璃封接工艺的影响因素玻璃封接工艺的影响因素影响封接件最主要的因素有如下四方面：(1)金属的氧化；2.15先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining(1)金属金属的氧的氧化化一般认为 玻璃与金属的封接状况与金属表面氧化物的状态有关。要使玻璃与盎属成功地封接，金属表面的氧化物必须致密而牢固并且氧化物的厚度要高度均匀。盒属表面可能的氧化过程氧化初期在金属表面上形成的氧化层呈岛状。金属离子和电子穿过氧化物层向外扩散；而氧则在氧化物一空气界面上吸附，氧离子穿过界面并通过氧化物层向内扩散，形成离子型晶体结构的金属氧化物层。这两个扩散过程也同时并存。因氧离子半径大于金属离子半径，所 氧氧的扩散较小，金属离子的迁移率较的扩散较小，金属离子的迁移率较大，氧化膜大，氧化膜主要主要形成在外表，向外形成在外表，向外生长生长氧化膜的形成氧化膜的形成(1)金属的氧化一般认为 玻璃与金属的封接状况与金属表面氧化16先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining氧氧化对化学键化对化学键键型的键型的影响影响离子共价混合型化学键金属氧化金属基体表面的低价氧化物从化学键类型角度来看，它接近于金属，因此能与金属牢固地结合氧化程度较高的外表层氧化物的化学键键性与玻璃类似，故能与玻璃牢固地结合“电子元件的气密封接技术也可说成是金属的氧化处理技术”，问题的关键是氧化程度要掌握得适中，既不能过份，又不能不足。氧化过度氧化过度是指金属表面层中近似玻璃的化学键过多，而近似金属键性不足，很容易全部溶解到玻璃体中去。氧氧化不足化不足是指金属表面层中化学键的性质近似金属者过多，而近似玻璃者不足，这时两者间的润湿性很差，不可能形成良好的封接。氧化对化学键键型的影响离子共价混合型化学键金属氧化金属基体17先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining常用封接金属及其氧化物组成与玻璃封接界面颜色范围常用封接金属及其氧化物组成与玻璃封接界面颜色范围18先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining玻璃成分对化学键键性的影响玻璃成分对化学键键性的影响为什么硫系玻璃的粘附性很好?(As2S3、SbS3、ZnS等)可调整玻璃成分来改变化学键键性。从玻璃的组成着手，使玻璃的化学键键性向金属靠拢。原因：原因：由于它的化学键属于共价 半金属键，或是共价 半金属离子混合型化学键。玻璃中化学键的金属部分是与金属能形成良好粘附的原因。一般说来，高铅玻璃与金属的粘附性能也很好，这是由于氧化铅在使用过程中能向低价态还原，反之，这一过程将使金属在某种程度上氧化，双方呈现与对方化学键性质相接近的成分，从而提高了它们相互间的粘附和结合能力。玻璃成分对化学键键性的影响为什么硫系玻璃的粘附性很好?(As19先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining(2)玻璃和金属的玻璃和金属的膨胀系数膨胀系数(减小应力减小应力)d为在任意温度时，产生的与金属间的收缩差(2)玻璃和金属的膨胀系数(减小应力)d为在任意温度时，20先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining(3)玻璃的强度和界面玻璃的强度和界面扩散扩散消除界面气泡：消除界面气泡：封接处大量气泡(尤其是成串气泡)的存在是很有害的，因为它能降低机械强度和造成慢性漏气。界面直接扩散，或玻璃焊料熔融扩散：界面直接扩散，或玻璃焊料熔融扩散：无论是相互扩散或是熔化扩散 界面附近的组成、性质和材质内都的组成、性质是不同的，这种变化对封接件的稳定性有很大的影响原因原因1：溶解在金属中的气体在封接加热耐放出，是产生气泡的一个原因，这在钨、铝、铂等金属是少见的，而镍、铁及其合金鞍多。为此，除选用真空治炼法制得的金属外，通常可利用在真空中或氢气中加热金属预先去气来消除此因素。原因原因2：产生气泡的另一个原因是碳，特别是金属表面层中的碳，在封接时套氧化成二氧化碳气体而造成气泡，这在镍、铁及其台金中亦较其它金属为严重。解决过个问题的方法是把金属放在湿氢或真空中适火，以去掉气体和碳从而杜绝气泡的产生。遇火温度一般在9001100oC(3)玻璃的强度和界面扩散消除界面气泡：封接处大量气泡(尤其21先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining(4)封接件的形状、尺寸以及表面粗糙度等等封接件的形状、尺寸以及表面粗糙度等等暂时应力(后加工)与永久应力的叠加利用金属薄边的可塑性进行封接，甚至可以利用金属的弹性来进行封接金属表面的粗糙度和金属成分选择性地被氧化，这样，玻璃在粗糙金属表面上的粘附力比光抛金属表面的结合力。(4)封接件的形状、尺寸以及表面粗糙度等等暂时应力(后加工)22先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining3.3.玻璃钎料的制备玻璃钎料的制备3.玻璃钎料的制备23先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining复合玻璃焊料复合玻璃焊料(1)使用法则使用法则 复合型焊料的使用是基于骨料和基料的某些性能遵循加和法则。以膨胀系数为例：=1p1+2p2 式中a、a1、a2 分别为复合料、骨料和基料之膨胀系数；P1、p2 分别为骨料和基料的重量百分组成。在某种基料中引入锂霞石例子：例子：为了降低PbO-B2O3-Al2O3系基玻璃的热膨胀系数，使之与a为7.7的材质封接，并要求温度不超过400oC这种情况下可考虑使用复合型焊料，添加10%为的锂霞石即可达到目的。复合玻璃焊料(1)使用法则 复合型焊料的使用是基于骨料和基料24先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining(2)影响因素影响因素a颗粒度b软化温度和熔封温度(2)影响因素a颗粒度b软化温度和熔封温度25先进 焊接 与连接 国 家 重 点实 验室StateKeyL abofAdvancedWeldingandJoining主要复合玻璃焊料中的骨料主要复合玻璃焊料中的骨料主要复合玻璃焊料中的骨料26