可伐合金/玻璃封接技术研究

1、课题研究的意义与背景

玻璃材料因高温耐磨、耐蚀、绝缘，抗氧化能力强等特点被广泛应用，但玻璃本身的低延性和较差的冲击韧性限制了其在工程中的应用。由此，结合了玻璃与金属双重优良性能的玻璃金属复合连接体应运而生，并广泛应用于微电子封装、电池、仪器仪表、太阳能真空集热管等领域^[1-3]，因此，研究玻璃与金属封接有重要意义。可伐合金是三元合金材料,其主要成分是铁、钴和镍,热膨胀系数在48#215;10^-7～50#215;10^-7之间。它可以与钼组玻璃封接,常用的是DM305或DM308等硬质玻璃。以上两种钼组玻璃和热膨胀系数也是48#215;10^-7-50#215;10^-7范围之间,是很好的匹配封接材料^[4]。

匹配封接大都采用可伐合金和高硅硼硬玻璃，由于玻璃与可伐合金并不浸润，因而一般都是通过可伐合金表面的氧化膜与玻璃的浸润融合实现气密封接^[5]。国内相关封装厂的实际生产工艺大都如下：可伐合金在高温湿氢中脱碳除气#8212;#8212;可伐合金引线和底盘表面预氧化处理#8212;#8212;可伐合金引线和底盘与玻坯装架#8212;#8212;在高温惰性或微氧化气氛中实现玻璃与可伐合金的紧密结合^[6-7]。该工艺涉及到三个关键热处理步骤，分别是脱碳、氧化和熔封。

去除可伐合金材料中的杂质、气体,特别是氧和碳一类的化合物质。未经烧氢处理的可伐与玻璃熔封时会产生大量的气泡,造成漏气或炸裂,破坏了气密性和机械强度。烧氢处理后的可伐合金与玻璃封接,封接面光滑透明,呈灰色。且封接面结合牢固,气密性能好,见图1。

图1　封接示意图

可伐合金与玻璃在火焰熔封之前,先将可伐放在火焰上进行氧化,就是将可伐烧到发红或暗红色,但不宜烧到发亮,使其氧化过度。经过处理的可伐材料,不能用手直接接触,以免沾污,也不能长期暴露于大气里,否则需要重新烧氢处理,经过氧化后的可伐合金,便可以与玻璃直接熔封。根据封接件的结构形体、大小来决定是用玻璃车床还是用手工封接,通常有双包边封接和单包边封接两种(也叫双面封接和单面封接)。

(1)单面封接

选一段玻璃管内径略大于金属管处外半径,套在金属管上,长约3毫米(金属口径大,套在上面的玻璃长些,反之就要短些,应根据具体情况定,接触面过少强度弱)。火焰着重烧在金属部位玻璃部位火焰少些,因为玻璃是绝缘性材料,不易导热,受热部分容易烧熔。而金属导热性能好,容易散热。若金属表面温度不高,玻璃就不容易粘合上去。当金属和玻璃升到一定温度时,两者就会自行熔粘。因为金属表面有一层氧化层,起到媒介作用,所以能与玻璃坚固地粘结在一起。再加大火焰提高温度,使玻璃熔融光滑,边烧边轻微吹气,不使玻璃变形,封接完毕再进行退火。但此熔封方法的缺点是熔封牢度不高，熔封温度过高，气密性不高，建议使用中间封接粉，例如封接玻璃粉D240，封接后的各项性能稳定，具有很高的经济效益。