釬焊及玻璃焊料課件

先進焊接與連接國家重點實驗室StateKeyLabofAdvancedWeldingandJoining玻璃釬焊及玻璃焊料玻璃釬焊及玻璃焊料1玻璃與玻璃的封接玻璃與金屬的封接玻璃與陶瓷的封接封接對象玻璃與玻璃的封接封接對象2氣密性封接陶瓷雙列直插封裝的密封首先將可伐引線框架用臨時軟化的玻璃粘接到基板上完成芯片和引線鍵合在封冒機中用封接溫度為400℃左右的玻璃實現(xiàn)密封氣密性封接陶瓷雙列直插封裝的密封3硬玻璃密封(承載玻璃/硬玻璃)用高熔點的硅硼玻璃在約1100℃的溫度下將可伐引線框架和可伐密封環(huán)粘接到基板表面粘接芯片和引線鍵合使用釬料合金實現(xiàn)蓋板與密封環(huán)的封接硬玻璃密封(承載玻璃/硬玻璃)4其他類型陶瓷封裝的密封側(cè)面釬焊陶瓷封裝扁平封裝其他類型陶瓷封裝的密封側(cè)面釬焊陶瓷封裝扁平封裝5片式載體片式載體61.玻璃與其它材料的封接機理玻璃與其它材料封接的含義：加熱無機玻璃，使其與其它材料表面達到良好的浸潤而緊密的結(jié)合在一起，隨后玻璃和其它材料冷卻到室溫時，玻璃和其它材料仍能牢固的封接在一起，成為一個整體封接玻璃特點：是指一切能與其它材料如各種金屬或合金、陶瓷以及玻璃封接在一起的玻璃氣密性和耐熱性優(yōu)于有機高分子材料電絕緣性能方面優(yōu)于金屬材料1.玻璃與其它材料的封接機理玻璃與其它材料封接的含義：加熱7封接機理涉及兩個基本的條件：(1)兩者熱膨脹系數(shù)要十分接近(經(jīng)驗值：差值不超過10%)——封接成敗的關(guān)鍵。玻璃和其它材料應(yīng)從室溫到低于玻璃退火溫度上限的溫度范圍內(nèi)，它們的膨脹曲線盡可能一致。反之，封接處即行開裂，或慢性漏氣。(2)必須使玻璃能潤濕其它材料表面——同樣關(guān)鍵。液滴在固體表面的潤濕現(xiàn)象封接機理涉及兩個基本的條件：(1)兩者熱膨脹系數(shù)要十分接近(8對封接件及其封接玻璃的性能要求：(1)對封接件的要求(電真空器件)良好的電真空氣密性必要的熱穩(wěn)定性及電性能足夠的機械強度較好的防潮性及耐腐蝕性能對封接件及其封接玻璃的性能要求：(1)對封接件的要求(電真空9(2)對封接玻璃的要求玻璃的抗熱震性(熱膨脹系數(shù)和封接件的幾何形狀和尺寸有關(guān))急熱時玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)部受到拉應(yīng)力；反之則反。玻璃從應(yīng)力集中的地方破裂，玻璃耐壓不耐拉，抗拉強度僅是抗壓強度的1/10，因而急冷和急熱的速率相同時，玻璃經(jīng)受急冷的破壞性比急熱破壞性大得多。玻璃的熱膨脹系數(shù)選擇與其它材料相封接的玻璃，兩者的熱膨脹系數(shù)要盡可能相近玻璃的電絕緣性電子領(lǐng)域要求具有較好的電絕緣性。Tk-100點：他是以體積電阻率108Ω?cm時的溫度來表示玻璃絕緣性能的好壞，即取lgρ=8的溫度定義為Tk-100點。Tk-100點越高，則玻璃的絕緣性越好。玻璃的抗水性主要取決于玻璃的化學組成，尤其是堿金屬氧化物，堿金屬氧化物越少，抗水性越好。引入Al2O3、ZrO2、ZnO可提高抗水性。玻璃的軟化點軟化點不要過高，過高導致熔封溫度過高，另外不利于封接時的流動性(2)對封接玻璃的要求玻璃的抗熱震性(熱膨脹系數(shù)和封接件的幾10(2)對金屬的要求恒定的熱膨脹系數(shù)且與玻璃盡量一致封接溫度內(nèi)不產(chǎn)生同素異形的轉(zhuǎn)化封接時首先要預氧化潤濕角的幾何圖解(2)對金屬的要求恒定的熱膨脹系數(shù)且與玻璃盡量一致潤濕角的幾11封接玻璃的分類(按照封接時的燒結(jié)溫度分類)：(1)封接溫度高于580oC的低熔玻璃以鈉鈣硅、硼硅酸鹽玻璃為主，封接溫度高具有很好的化學穩(wěn)定性和機械強度，但應(yīng)用面較小(2)封接溫度介于500oC-580oC的低熔玻璃以PbO-B2O3系玻璃為主，可加入組分很多，如PbO-B2O3-SiO2-R2O(R=Li、Na、K)，PbO-B2O3-SiO2-RO(R=Ca、Ba、Sr)等(3)封接溫度介于400oC-580oC的低熔玻璃同樣以PbO-B2O3系玻璃為主，但PbO的含量一般大于70wt.%。還常加入少量Bi2O3、ZnO、BaO、SnO2、V2O5、La2O3等(4)封接溫度介于350oC-400oC的低熔玻璃改性的PbO-B2O3系玻璃，加入劇毒和昂貴的Tl2O、TeO2或PbF2或HgO等具有強烈降低燒結(jié)溫度的原料磷酸鹽玻璃，主要用于熱膨脹高于11的場合釩酸鹽玻璃，以V2O5-P2O5、V2O5-TeO2等玻璃為主，加入P2O5和Tl2O降低燒結(jié)溫度，是400oC以下氣密封街最主要的材料(5)封接溫度在350oC-以下的低熔玻璃美國USP4743302專利320oC密封半導體器件外殼的PbO-V2O5-Bi2O3-ZnO美國USP5336644專利300oC-350oC密封芯片陶瓷外殼的Tl2O-V2O5-TeO2-As2O3日本的專利USP5116786報道了一種軟化點在20oC的PbO-V2O5-TeO2玻璃另一類V2O5系玻璃，如Ag2O-V2O5-TeO2、PbO-P2O5-V2O5制成的銀漿有更低的燒結(jié)溫度這類玻璃極易析晶，化學穩(wěn)定性很差，通常要求嚴格的工藝制度封接玻璃的分類(按照封接時的燒結(jié)溫度分類)：(1)封接溫度高12封接玻璃組成的無鉛化：Pb在玻璃中的作用優(yōu)點：電子元器件用封接玻璃絕大部分為含鉛玻璃，氧化鉛的質(zhì)量分數(shù)一般在30%以上。Pb2+

易與O2-形成四方錐體型[PbO4]架狀結(jié)構(gòu)，很容易與其他氧化物形成玻璃，且玻璃形成區(qū)較大。由于Pb2+外層電子殼為18+2結(jié)構(gòu)，極化性強，這使得含鉛玻璃的熔化溫度明顯降低。含鉛玻璃擁有一系列的優(yōu)點，比如軟化點低(Tf<400oC)，流動性好，熱膨脹系數(shù)適當(а=9-10)，這使得含鉛玻璃應(yīng)用十分廣泛缺點：由于鉛是重金屬，有極大的毒性，對環(huán)境以及人類健康有非常不利的影響，已經(jīng)被美國環(huán)境保護協(xié)會列為17種損害人類健康和環(huán)境的物質(zhì)之一封接玻璃組成的無鉛化：Pb在玻璃中的作用優(yōu)點：缺點：13封接玻璃組成的無鉛化：磷酸鹽玻璃系統(tǒng)磷酸鹽玻璃具有較低的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg=270-400oC)和軟化溫度(Tf=290-420oC)以及高的熱膨脹率(а=11-16)釩酸鹽玻璃系統(tǒng)釩酸鹽玻璃是以V2O5為主要成分形成的玻璃體系。V2O5能與許多氧化物形成玻璃，并具有較大的玻璃形成區(qū)。釩酸鹽玻璃具有低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg=260-420oC)和軟化點(Tf=270-440oC)，相對寬泛的熱膨脹系數(shù)(а=4-16)。但是，由于V2O5在蒸汽狀態(tài)下有劇毒，價格昂貴，且釩酸鹽玻璃為層狀結(jié)構(gòu)，容易吸收水分造成燒結(jié)體形成氣泡這也限制了它的實際應(yīng)用。硼酸鹽玻璃系統(tǒng)硼酸鹽玻璃是以硼酸鹽為主要原料，加入其他氧化物而制備的玻璃。B2O3是玻璃形成體，可以單獨形成玻璃，也可以跟其他氧化物一起形成玻璃。相比于其他低熔點封接玻璃體系，硼酸鹽玻璃系統(tǒng)具有相對較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg=400-600oC)，較高的軟化溫度(Tf=430-610oC)和相對較低的熱膨脹系數(shù)(а=5-11)鉍酸鹽玻璃系統(tǒng)鉍酸鹽玻璃是以Bi2O3為主要成分形成的玻璃體系。鉍酸鹽玻璃系統(tǒng)中含有大量的Bi2O3，由于Bi2O3不是玻璃形成體，所以很難單獨形成玻璃，需要在體系中加入傳統(tǒng)的玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體(SiO2、B2O3、P2O5等)才能形成穩(wěn)定的玻璃。Bi2O3在玻璃中能顯著降低玻璃的黏度，增大玻璃的密度，這與PbO的作用相似。封接玻璃組成的無鉛化：磷酸鹽玻璃系統(tǒng)磷酸鹽玻璃具有較低的玻璃14影響封接件最主要的因素有如下四方面：(1)金屬的氧化；(2)玻璃和金屬的膨脹系數(shù)；(3)玻璃的強度和界面擴散；(4)封接件的形狀、尺寸以及表面粗糙度等等2.玻璃封接工藝的影響因素影響封接件最主要的因素有如下四方面：(1)金屬的氧化；2.15(1)金屬的氧化一般認為玻璃與金屬的封接狀況與金屬表面氧化物的狀態(tài)有關(guān)。要使玻璃與盎屬成功地封接，金屬表面的氧化物必須致密而牢固．并且氧化物的厚度要高度均勻。盒屬表面可能的氧化過程氧化初期在金屬表面上形成的氧化層呈島狀。金屬離子和電子穿過氧化物層向外擴散；而氧則在氧化物一空氣界面上吸附，氧離子穿過界面并通過氧化物層向內(nèi)擴散，形成離子型晶體結(jié)構(gòu)的金屬氧化物層。這兩個擴散過程也同時并存。因氧離子半徑大于金屬離子半徑，所氧的擴散較小，金屬離子的遷移率較大，氧化膜主要形成在外表，向外生長氧化膜的形成(1)金屬的氧化一般認為玻璃與金屬的封接狀況與金屬表面氧化16氧化對化學鍵鍵型的影響離子—共價混合型化學鍵金屬氧化金屬基體表面的低價氧化物從化學鍵類型角度來看，它接近于金屬，因此能與金屬牢固地結(jié)合氧化程度較高的外表層氧化物的化學鍵鍵性與玻璃類似，故能與玻璃牢固地結(jié)合“電子元件的氣密封接技術(shù)也可說成是金屬的氧化處理技術(shù)”，問題的關(guān)鍵是氧化程度要掌握得適中，既不能過份，又不能不足。氧化過度是指金屬表面層中近似玻璃的化學鍵過多，而近似金屬鍵性不足，很容易全部溶解到玻璃體中去。氧化不足是指金屬表面層中化學鍵的性質(zhì)近似金屬者過多，而近似玻璃者不足，這時兩者間的潤濕性很差，不可能形成良好的封接。氧化對化學鍵鍵型的影響離子—共價混合型化學鍵金屬氧化金屬基體17常用封接金屬及其氧化物組成與玻璃封接界面顏色范圍常用封接金屬及其氧化物組成與玻璃封接界面顏色范圍18玻璃成分對化學鍵鍵性的影響為什么硫系玻璃的粘附性很好?(As2S3、SbS3、ZnS等)

——可調(diào)整玻璃成分來改變化學鍵鍵性。從玻璃的組成著手，使玻璃的化學鍵鍵性向金屬靠攏。原因：由于它的化學鍵屬于共價——半金屬鍵，或是共價——半金屬——離子混合型化學鍵。玻璃中化學鍵的金屬部分是與金屬能形成良好粘附的原因。一般說來，高鉛玻璃與金屬的粘附性能也很好，這是由于氧化鉛在使用過程中能向低價態(tài)還原，反之，這一過程將使金屬在某種程度上氧化，雙方呈現(xiàn)與對方化學鍵性質(zhì)相接近的成分，從而提高了它們相互間的粘附和結(jié)合能力。玻璃成分對化學鍵鍵性的影響為什么硫系玻璃的粘附性很好?(As19(2)玻璃和金屬的膨脹系數(shù)(減小應(yīng)力)△d為在任意溫度時，產(chǎn)生的與金屬間的收縮差(2)玻璃和金屬的膨脹系數(shù)(減小應(yīng)力)△d為在任意溫度時，20(3)玻璃的強度和界面擴散消除界面氣泡：封接處大量氣泡(尤其是成串氣泡)的存在是很有害的，因為它能降低機械強度和造成慢性漏氣。界面直接擴散，或玻璃焊料熔融擴散：無論是相互擴散或是熔化擴散界面附近的組成、性質(zhì)和材質(zhì)內(nèi)都的組成、性質(zhì)是不同的，這種變化對封接件的穩(wěn)定性有很大的影響原因1：溶解在金屬中的氣體在封接加熱耐放出，是產(chǎn)生氣泡的一個原因，這在鎢、鋁、鉑等金屬是少見的，而鎳、鐵及其合金鞍多。為此，除選用真空治煉法制得的金屬外，通?？衫迷谡婵罩谢驓錃庵屑訜峤饘兕A先去氣來消除此因素。原因2：產(chǎn)生氣泡的另一個原因是碳，特別是金屬表面層中的碳，在封接時套氧化成二氧化碳氣體而造成氣泡，這在鎳、鐵及其臺金中亦較其它金屬為嚴重。解決過個問題的方法是把金屬放在濕氫或真空中適火，以去掉氣體和碳．從而杜絕氣泡的產(chǎn)生。遇火溫度一般在900～1100oC(3)玻璃的強度和界面擴散消除界面氣泡：封接處大量氣泡(尤其21(4)封接件的形狀、尺寸以及表面粗糙度等等暫時應(yīng)力(后加工)與永久應(yīng)力的疊加利用金屬薄邊的可塑性進行封接，甚至可以利用金屬的彈性來進行封接金屬表面的粗糙度和金屬成分選擇性地被氧化，這樣，玻璃在粗糙金屬表面上的粘附力比光拋金屬表面的結(jié)合力。(4)封接件的形狀、尺寸以及表面粗糙度等等暫時應(yīng)力(后加工)223.玻璃釬料的制備3.玻璃釬料的制備23復合玻璃焊料(1)使用法則復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則。以膨脹系數(shù)為例：а=

а1p1+

а2p2

式中a、a1、a2——分別