结晶型低熔点封接玻璃研究

#工艺与应用#

Li2O-ZnO-SiO2系结晶型低熔点封接玻璃的研究

张永爱,郭太良

(福州大学物理与信息工程学院现代物理技术研究所,福建福州350002)

Study on the S ealing Glass of Lower Melting Point in System Li2O-ZnO-S iO2

ZHANG Yong-ai,GUO Ta-i liang

(I nstitute of M oder n Physics and T echnology,School of Physics and I nf or mation Engineer ing,

Fuz hou Univer sity,Fuz hou350002,China)

Abstract:This paper prepared the glass-ceramic solders of low er melting point in the system Li2O-ZnO-SiO2,w hich could be used to seal with soft g lass and metal.The Li2O-ZnO-SiO2system w as studied by means of different heat-treatment processes and by DSC and button test.T he results indicated that the glass solders have g ood flux ion property around600~640e and can seal w ith metal alloy and flat glass.T hen the technical pa-rameters including sealing tem perature,time and the oxidation thickness of metal alloy affected on sealing quality w ere discussed.

Key words:Li2O-ZnO-SiO2system;Low er melting point glass;Fluxion property;Sealing

摘要:研制了一种用于与软质玻璃和金属合金封接、以L i2O-ZnO-SiO2为基础的三元系结晶性低熔点玻璃焊料。通过不同的热处理制度以及DSC,纽扣试验等分析手段,对该体系焊料玻璃进行了研究。结果表明,玻璃焊料在600~640e的流散性良好,能与金属合金、平板玻璃封接。同时探讨了封接温度、封接时间、金属合金预处理的程度以及保护气氛等工艺参数对封接质量的影响。

关键词:L i2O-ZnO-SiO2系玻璃;低熔点玻璃;流散性;封接

中图分类号:T B756文献标识码:A文章编号:1002-8935(2006)02-0043-03

随着电子工业的发展,低熔点焊料玻璃广泛应用于电子封装、硅半导体、集成电路焊接式封装以及用于铁氧体磁头间隙等方面。玻璃焊料除用于封装外还用于金属、半导体、陶瓷的表面涂层,对其性能要求也日益苛刻和多样化,其中一个突出的技术难点是既要有低的熔封温度,又要保持合适的热膨胀系数,以满足封接匹配和使用要求。对于一般玻璃焊料,熔化温度降低,其热膨胀系数增加。而对于组成相似的结晶型玻璃焊料,可以通过结晶相控制焊料的热膨胀系数,同时玻璃的耐热性、化稳性以及强度和电性能等方面也较非结晶型玻璃优越。

结晶型玻璃焊料的物理性能本质上取决于玻璃中析出的晶相种类、数量及残余玻璃相的性质。与非结晶型焊料相比,结晶型玻璃焊料可以不加晶核剂而自发核化,其中Li2O-ZnO-SiO2和ZnO-SiO2系玻璃为代表,前者膨胀系数大,用于软质玻璃和金属合金的焊接,后者属低膨胀玻璃,用于硅元件封装式钼焊接。

本文着重讨论Li2O-ZnO-SiO2系玻璃焊料,研究了相关的封接工艺对封接质量的影响。

1实验

实验中所用的玻璃组成见表1。按表1的原料组成制备相应的玻璃配合料,在硅钼炉中以1250e 熔化3h后倒入水中淬冷。

用日本RIGAKU公司的TAS-100型差示分析仪研究玻璃析晶过程中的热效应;用纽扣实验比较玻璃的流散性,称取012g玻璃粉置于76YP-24B粉末压片机的中空圆柱形的压模中,施加35MPa的压力,压成药片状,然后置于光洁的玻璃基板上,于电炉中按预定的封接温度保温30min,观察其流散

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性;同时对玻璃焊料在大气和保护气氛中与金属封

接进行了比较。

表1 试验中玻璃的氧化物组成(单位:%(质量比))

编号SiO 2Li 2O ZnO B 2O 3M gO Na 2O S b 2O 31#5616910215103105100142

#

5916910185103105100143#6216910155103105100144#

6516

910

12

510

310

510

014

2 结果与讨论

211 DSC 分析与封接温度的确定

图1为1#玻璃样品的DSC 曲线图,图中,以第一个吸热谷起点a 表示固态玻璃的转变温度T g ,c 点所对应的温度称为玻璃结晶的起始温度T c ,在该温度下,玻璃成核的同时开始析晶;随着温度的升高晶体逐渐增多,而玻璃相不断减少,放热峰d 所对应的温度称为结晶峰顶温度T p ,该温度表示晶化速率达到最大的温度;由图1可看出,该组玻璃焊料的差示曲线图与其它玻璃有很大差别,吸热谷与放热峰之间没有一个明显的平台,且之间的间距很小,是典

型封接玻璃焊料的差示曲线图。

图1 1#玻璃的DSC 曲线

封接时必须保证玻璃焊料熔化并具有良好的流动性,才能充分与被封接材料浸润接触,其次封接

后,焊料有良好的耐热性,即在到达耐热极限前,不提前软化。为了观察玻璃焊料的软化和熔化情况,本实验将玻璃焊料粉末摊平在事先准备好的玻璃方块上在480e 以上加热玻璃焊料粉,每隔10e 观察其软化和熔化情况。实验发现,1#玻璃焊料粉末在550e 以上开始软化相互粘连,600e 以上基本开始与玻璃粘在一块,到640e 时,玻璃焊料流动摊开,由此确定封接温度选定为600~640e 之间是合

适的。这时,玻璃焊料呈现良好的流动性、浸润性,同时又不会超过普通玻璃的熔点。212 玻璃焊料流散性的测定

低熔玻璃焊料在熔融状态下,必须对被熔封的材质封接有良好的润湿性,一般以玻璃液滴的浸润角大小来衡量;但对于结晶型玻璃焊料而言,其在封接加热过程中因结晶过快使之过早/冻结0而失去流动性,所以以流散性来衡量,它是玻璃焊料与其它材料封接的一项极为重要的常规测试指标。1#

~4#

玻璃焊料的流散性如图2

。

图2 不同组分玻璃焊料的流散性

由图2可以看出,玻璃焊料在600e 保温20min 后开始摊开,温度继续升高,玻璃焊料的流散性不断提高(1#除外),当温度升到640e 时,此时焊料完全摊开。而1#

玻璃焊料在620e 之前流散性一直增加,在620e 之后流散性下降,原因是1#组分中ZnO 的含量最高(含21%),虽然它的软化点是该体系中最低的,但它的析晶能力是该组中最强的,因而随着温度的继续升高,玻璃焊料因结晶过快而来不及软化被/冻结0。而2#和3#在630e 之后继续升温,玻璃焊料也基本不再流动;相反4#玻璃焊料的流散性随着温度的升高增的最快,升温至620

e 后,焊料的流散性还继续增加,而且增加的还比较迅速,但此时的温度过高,对封接件有影响,所以,该体系玻璃焊料的ZnO 的含量最适合在15%~18%之间。

213 封接工艺参数对封接的影响

玻璃焊料与封接件封接的工艺参数包括封接温度、时间、氧化物和氧化膜的厚度以及保护气氛。根据玻璃焊料的粘温曲线、差热曲线、Tamman 曲线可选择合适的封接温度和时间。

温度是玻璃-金属封接中最关键的参数之一。封接温度过高,封接件容易受损,导致封接件质量降低;封接温度过低,封接材料难以进行有效充分封

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