低熔封接玻璃的研究進(jìn)展
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維普資訊 http://www.cqvip.com低熔封接玻璃的研究進(jìn)展/郭宏偉等 ·283·低熔封接玻璃的研究進(jìn)展郭宏偉 劉新年 趙彥釗 高檔妮(陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,咸陽 712081)摘要 低熔封接玻璃是一種先進(jìn)的焊接材料,由于其具有低的熔化溫度和封接溫度,優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性,而在很多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用,實現(xiàn)了玻璃、陶瓷、金屬、半導(dǎo)體間的相互封接。綜述了低熔封接玻璃的研究現(xiàn)狀,展望了低熔封接玻璃向無鉛化發(fā)展的趨勢,指出了無鉛低熔封接玻璃今后的研究方向。關(guān)鍵詞 低熔封接玻璃 焊接材料 填料 無鉛化 磷酸鹽Progressin Research on Low-melting Sealing GlassGUO Hongwei LIU Xinnian ZHAO Yanzhao GAO Dangni(SchoolofMaterialsScience& Engineering,ShaanxiUniversityofScienceand Technology,Xianyang 712081)Abstract Low-melting sealing glassisan advancedsealing material,which iswidely used in am ny fieldsduetO ’tsi low melting temperature and sealing temperature,excelentmechanicalstrength and chemicalstability.Ithas ac—tualized thesealing betweenglass,ceramic,metaland semiconductor.Thispapersummarizesthecurrentsituation oflow-melting sealing glass.predictsthedevelopmenttrendoflead-freelow-melting sealing glass,and pointsoutthefur—therresearch direction oflead-free low-melting sealing glass.Key words low-melting sealing glass,sealing material,filer,lead-free,phosphate0 引言低熔封接玻璃是一種先進(jìn)的焊接材料。該材料具有較低的熔化溫度和封接溫度(~5) (R為Li、Na、K或混合物) 10~60R2O+5~4OBaO 0.15 ~2.O (wt)A1N或鉛的物質(zhì),但難度大。所以,目前對無鉛封接玻璃的研究主要集中在磷酸鹽、釩酸鹽及硼酸鹽體系。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),磷酸鹽熱膨(CaO)+O.1~1OA1203+ 0.17 ~O.7 (wt)P2O5系 40~ 70P2O5(R=Li、Na、K) Si3N4、B Nsn()SiO2一 40~60SnO+5.5~ O~15TiO2或O~10CuOP (選擇一種認(rèn)為是205系 10SiO2+24.1~40P2O5 總量小于40%)表 3 商用含鉛封接玻璃與無鉛磷酸鹽封接玻璃的性能比較封接玻璃 轉(zhuǎn)變溫度 熱膨脹系數(shù)種類 玻璃系統(tǒng) Tg, ℃ TEC.×10一 /'c商用含鉛 PbO-ZnO-B2O3系 28O~520 7O~100封接玻璃 PbOSiO2一B2O3系 280~440 7O~100無鉛磷酸鹽 SnO-ZnO-P2O5系 <350 6O~11O封接玻璃 SnO-PeO3一P2O5系 25O~35O 6O~11OSnO-SiO2一P2O5系 28O~38O 9O~150KenjMorinaga等 ]以磷酸二氫銨、氧化亞錫和二氯化錫為原料制備的 SnO-SnC1z-pz05系封接玻璃,其 Ts(軟化溫度)在 5O~359。C之間,通過加入 鋰霞石、 鋰輝石和 ZrSiO4等填料,調(diào)節(jié)其熱膨脹系數(shù),制備的封接玻璃熱膨脹系數(shù) a=(95~ 110)×10 /℃。R Morend”]和沈健[1]等以磷酸二氫銨、氧化鋅和氧化亞錫等為原料,制備出 Zn()_SnO-P:05三元系統(tǒng)無鉛封接玻璃 該系統(tǒng)玻璃和含鉛玻璃的許多性質(zhì)相似,如 5OO~C 粘度小于 103Pa·S,封接過程中流動性好,不會過早析晶。另外,加入 ZnO還可以提高磷酸鹽玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性,熱膨脹系數(shù) a=(100t120)×10 /℃,完全可以取代現(xiàn)有的彩色顯像管屏與錐封接用玻璃焊料。但是磷酸鹽體系玻璃熔制工藝復(fù)雜,進(jìn)行大生產(chǎn)的工藝還需進(jìn)一步研究??祵幉AЧ緦?Zn()_ SnO-Pz05三元系統(tǒng)無鉛封接玻璃作了系統(tǒng)的研究,并在中國申請了專利 ]。L Koudelka等l2o]研究了ZnO-B203一 ()5三元系統(tǒng)的玻璃形成區(qū),測量了ZnO-B203一PzOs三元系統(tǒng)的玻璃的轉(zhuǎn)變溫度、熱膨脹系數(shù)和軟化溫度等。利用拉曼光譜和紅外光譜對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)增加 B203的量 ,將導(dǎo)致玻璃轉(zhuǎn)變溫度升高,熱膨脹系數(shù)降低。德留政隆l2lJ和盧安賢[。。研究了 03一BaO-ZnO系統(tǒng)玻璃的形成規(guī)律及組成與性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明:該系統(tǒng)玻璃的形成范圍較寬,但 B203的引入摩爾分?jǐn)?shù)最高不能超過 75 ,最低不能少于 25 。B2 的含量過高,熔體冷卻時容易分相,而 B2 的含量過低時,溶體在冷卻時又容易結(jié)晶。獲得的玻璃線膨脹系數(shù)在(6O~lOO)×lO /℃之間;轉(zhuǎn)變溫度在 530 580。C之間;室溫下電阻率在 (2~5)×10 Q·m之間。在脹系數(shù)大,熔制工藝復(fù)雜;釩酸鹽玻璃為層狀結(jié)構(gòu),易吸收水分,從而在燒結(jié)體系中易形成氣泡,同時存在熱膨脹系數(shù)匹配及成本問題;而硼酸鹽體系必須加入 Bi、Cd等降低熔點的物質(zhì),這些物質(zhì)對環(huán)境和人體同樣有很大的危害。因此,本文認(rèn)為,在以上對無鉛無鎘等低熔封接玻璃的研究基礎(chǔ)上,還應(yīng)該加強(qiáng)對以下幾方面的研究。(1)尋找新的玻璃形成體系 尋找新的玻璃形成體系,或根據(jù)新的玻璃形成理論指導(dǎo)開發(fā)新的實用性玻璃體系,以滿足各行各業(yè)對無鉛低熔封接溫度的要求。(2)建立新的玻璃形成理論 現(xiàn)有實驗條件使熔制條件冷卻速度等玻璃形成條件得到了很大改善,類似于逆性玻璃的學(xué)說有利于在現(xiàn)有無鉛低熔封接玻璃基礎(chǔ)上實現(xiàn)突破,從而有利于擴(kuò)大玻璃形成范圍,建立新的玻璃形成理論和結(jié)構(gòu)學(xué)說。(3)利用粉體制備技術(shù)對無鉛低熔封接玻璃進(jìn)行改性 由于無鉛低熔封接玻璃產(chǎn)品形態(tài)為粉體,其在制備器件過程中經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成燒結(jié)物,因而可將粉體制備技術(shù)用于無鉛低熔封接玻璃的燒結(jié),也可以采用化學(xué)氣相沉積等方法制備封接玻璃。此外在復(fù)合型無鉛低熔封接玻璃中,可以將填料以納米尺寸粉體結(jié)晶物加入,以很少的用量起到意想不到的效果。還可以利用非晶包覆技術(shù),在一些具有負(fù)膨脹特性的粉體表面包覆無鉛低熔封接玻璃,以便從化學(xué)穩(wěn)定性、熱膨脹性等性能上對無鉛低熔封接玻璃進(jìn)行改性。4 結(jié)語科技和社會進(jìn)步要求低熔封接玻璃的組成向無鉛無鎘等無污染和低熔化方向發(fā)展。我國在無鉛無鎘等無公害封接玻璃方面研究較少,加入 WTO以后更應(yīng)積極開展無鉛無鎘等無公害封接玻璃的研究。另外,尋求新的玻璃形成體系,建立新的玻璃形成理論和結(jié)構(gòu)學(xué)說,采用新的制備技術(shù)將成為今后無鉛低熔封接玻璃研究和開發(fā)的方向。參考文獻(xiàn)1 王敏.改用無鉛焊料——您是否有所準(zhǔn)備.世界產(chǎn)品與技術(shù),2001,9:432 祝大同.新世紀(jì):走向綠色化的電子產(chǎn)品“EGG200”國際會議側(cè)記.世界產(chǎn)品與技術(shù),2001,6:7O3 Draftproposalfora European Parliamentand CouncilDirec—tive on Waste Electricaland Electronic Equipment.2000.64 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PT,PZT及其少量摻雜物,需擴(kuò)大選擇不同的陶瓷和聚合物基體材料;制備工藝大多為普通的溶液共混熱壓法和熱軋成膜法,難以促進(jìn)壓電陶瓷的分散性和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的均勻性,影響了復(fù)合材料的壓電性能,應(yīng)進(jìn)一步探討新的制備工藝。此外,對陶瓷顆粒表面改性處理、采用混合復(fù)合型、優(yōu)化最佳配合比例等方面尚可著手進(jìn)行研究,并深入開展壓電陶瓷與聚合物之間耦合作用機(jī)制的研究和壓電復(fù)合材料的應(yīng)用與開發(fā)。2 鄒小平,張良瑩,姚熹.球形鐵電陶瓷顆粒一聚合物復(fù)合材料的熱釋電性.壓電與聲光,1997,19(5):343 3 王樹彬,徐延獻(xiàn),韓杰才,等.PZT/PVDF壓電復(fù)合材料的制備及其性能的研究.復(fù)合材料學(xué)報,2000,17(4):14 Toshinobu Yogo,HirogukiWkai,WataruSakanato,eta1.JMaterRes,1999,(418):32755 Kwonboon Han,Ahmad Safari,Richard E Riman.J AmCeram OS c,1991,74(7):16996 李坤,李金花.PLZT陶瓷纖維/環(huán)氧樹脂 1-3復(fù)合材料的制備和性能研究.無機(jī)材料學(xué)報,2004,19(2),3617 羅學(xué)濤,陳立富.定向 BaTi()3晶須/PVDF壓電復(fù)合材料的制備及性能研究.無機(jī)材料學(xué)報,2004,19(1),1838 嚴(yán)繼康,等.壓電復(fù)合材料的制備.昆明理工大學(xué)學(xué)報,2000,25(6):379 Hornsby,John S,eta1.Finitedifferencemodelingofpiezo—electric composite transducers with 0—3 connectivity.IEEETransDielectr Electr Insul,2004,11(1):1910 WindlassH,RaiP,eta1.oC loidalprocessingofpolymerceramic nanocomposite integral 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