一種玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接裝置及方法，具體涉及一種在電場(chǎng)作用下進(jìn)行的長(zhǎng)玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接裝置及方法，屬于異種材料連接的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療，汽車(chē)電子和軍事等技術(shù)領(lǐng)域。玻璃與金屬的鍵合是MEMS封裝中最常用的一種技術(shù)，其中玻璃片與金屬的可以通過(guò)陽(yáng)極鍵合成功實(shí)現(xiàn)二者之間的連接。由于在陽(yáng)極鍵合過(guò)程中離子是沿電場(chǎng)方向遷移實(shí)現(xiàn)界面連接的，所以要求電場(chǎng)方向垂直于鍵合面。傳統(tǒng)的陽(yáng)極鍵合一般要求玻璃厚度在毫米級(jí)，這樣可以施加幾百伏的電壓實(shí)現(xiàn)鍵合，而對(duì)于一些長(zhǎng)度在數(shù)十厘米的玻璃器件的鍵合理論上就需要施加數(shù)十萬(wàn)伏的高壓，高壓會(huì)影響傳感器的性能，且操作難度增大。對(duì)于這種情況國(guó)內(nèi)外普遍采用粘結(jié)技術(shù)來(lái)代替陽(yáng)極鍵合技術(shù)，由于粘結(jié)劑的揮發(fā)對(duì)高真空度影響較大，且粘結(jié)件的穩(wěn)定性和耐候性欠佳，因此無(wú)法滿(mǎn)足MEMS器件對(duì)可靠性的要求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明旨在提供一種玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接裝置及方法，提供一種長(zhǎng)玻璃管與金屬板擴(kuò)散連接的方法，該方法通過(guò)電場(chǎng)與溫度場(chǎng)的綜合作用實(shí)現(xiàn)玻璃管與金屬的擴(kuò)散反應(yīng)連接，具有穩(wěn)定、可靠和高效的特點(diǎn)。
[0004]本發(fā)明提供了一種玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接裝置，包括電源、玻璃管、金屬板，其特征在于:所述電源為高壓直流電源，電源兩端分別連接上電極和下電極，上、下電極之間設(shè)有石墨模具，玻璃管嵌套在石墨模具中，玻璃管下端與金屬板接觸，金屬板與下電極接觸，石墨模具的頂部與上電極接觸，上電極上端面設(shè)有壓頭，壓頭向下施加軸向壓力。
[0005]上述裝置中，所述石墨模具為帶有環(huán)狀孔的圓柱形石墨電極，圓柱形石墨電極的環(huán)狀內(nèi)孔的深度小于玻璃管的高度，圓柱形石墨電極的直徑比玻璃管的直徑大20-30mm，為了防止玻璃與石墨模具熱膨脹系數(shù)的差異，環(huán)狀孔的內(nèi)徑比玻璃管的內(nèi)徑小0.2_，環(huán)狀孔的外徑比玻璃管的外徑大0.2mm。
[0006]本發(fā)明提供了一種玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接方法，將玻璃管嵌套進(jìn)帶有環(huán)狀孔的圓柱形石墨電極中，在電場(chǎng)和溫度場(chǎng)的綜合作用下，玻璃基體中的Li2O和K2O電離分解，形成Li+，K+和02_，02_沿電場(chǎng)方向快速遷移至玻璃和金屬的界面同金屬反應(yīng)形成連接，Li+和K+沿電場(chǎng)方向向相反的方向移動(dòng)在玻璃表面析出形成金屬鹽。
[0007]上述方法包括以下步驟:將玻璃管嵌套到帶有環(huán)狀孔的圓柱石墨電極中，將金屬板疊放在玻璃管的另一端，然后將其放置到鍵合爐中的下電極和上電極之間，并通過(guò)壓頭向試樣施加軸向壓力,接通加熱電源將試樣加熱到300-500°C，在保溫的同時(shí)對(duì)樣品施加穩(wěn)定的直流強(qiáng)電場(chǎng)促進(jìn)擴(kuò)散連接的發(fā)生，隨后關(guān)閉高壓直流電源和加熱電源，鍵合完畢后試樣隨爐冷卻至室溫。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采取的工藝參數(shù)為:電場(chǎng)300-800V，通電時(shí)間l-5min，壓力0.5-lMPa。
[0008]所述玻璃管中含有Li2O和K20，Li2O含量為2-7%，K2O含量為1_4%，所述金屬板為T(mén)i板、Al板、可伐合金板或者是具有金屬特性的Si板。
[0009]進(jìn)一步地，所述玻璃管的成分為:5.2% Li2O, 3.6% B2O3, 3.2% Al2O3, 2%K20，其余為 Si02。
[0010]上述玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接方法，所述的反應(yīng)擴(kuò)散連接是在電場(chǎng)作用下，玻璃基體中堿金屬氧化物電離分解，其中O2-同金屬板反應(yīng)形成連接，反應(yīng)過(guò)程的化學(xué)方程式為:
Li2O — 2L1.+02-K2O — 2K++02-xM+ y02^ MxO y
M代表金屬兀素符號(hào)，MxOy代表金屬氧化物。本發(fā)明玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接方法的特點(diǎn)在于，以Li2O代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃中的Na2O,在連接過(guò)程中Li+的半徑相對(duì)Na+要小，其遷移阻力相對(duì)較小，可以快速向陰極遷移，產(chǎn)生空位，減小了 02_向陽(yáng)極處的界面遷移的阻力，促使大量的02_快速的遷移到玻璃-金屬界面，有利于提高連接界面的強(qiáng)度。
[0011]本發(fā)明提出的玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接方法，首次實(shí)現(xiàn)了玻璃管與金屬的連接，其特點(diǎn)在于:
(O向玻璃基體中添加Li2O取代原玻璃基體中的Na2O,利用Li+原子半徑小的特點(diǎn)促進(jìn)離子遷移的數(shù)量和速度，增大界面反應(yīng)形成的化學(xué)鍵的密度。
[0012](2)利用帶有環(huán)狀孔的圓柱石墨電極改變電場(chǎng)的分布形式，使得電場(chǎng)作用力集中施加在石墨模具與金屬板之間，而嵌套進(jìn)石墨內(nèi)部的玻璃幾乎不受電場(chǎng)作用。
[0013](3)在連接界面形成了氧化物連接層，實(shí)現(xiàn)了玻璃與金屬的化學(xué)連接，連接強(qiáng)度穩(wěn)定可靠。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接裝置的示意圖。
[0015]1、下電極，2、上電極,3、金屬板,4、玻璃管,5、石墨模具,6、壓頭,7、電源。
【具體實(shí)施方式】
[0016]如圖1所示，一種玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接裝置，包括電源7、玻璃管4、金屬板3，其特征在于:所述電源7為高壓直流電源，電源7兩端分別連接上電極2和下電極1，上、下電極之間設(shè)有石墨模具5，玻璃管4嵌套在石墨模具5中，玻璃管4下端與金屬板3接觸，金屬板3與下電極I接觸，石墨模具5的頂部與上電極2接觸，上電極2上端面設(shè)有壓頭6，壓頭6向下施加軸向壓力。
[0017]所述石墨|旲具5為帶有環(huán)狀孔的圓柱形石墨電極，圓柱形石墨電極的環(huán)狀內(nèi)孔的深度小于玻璃管4的高度，圓柱形石墨電極的直徑比玻璃管的直徑大20-30mm，為了防止玻璃與石墨模具熱膨脹系數(shù)的差異，環(huán)狀孔的內(nèi)徑比玻璃管的內(nèi)徑小0.2mm，環(huán)狀孔的外徑比玻璃管的外徑大0.2mm。
[0018]采用圖1所示的裝置實(shí)施玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接，下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的方法，但不局限于以下實(shí)施例。
[0019]實(shí)施例1:玻璃管-Ti的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接
Ti板厚度為1mm，玻璃管長(zhǎng)度100mm，內(nèi)外徑分別為20mm和21mm，玻璃成分:5.2% Li2O,3.6% B2O3, 3.2% Al2O3, 2%K20，其余為S12, Ti板和玻璃的鍵合面經(jīng)過(guò)打磨和拋光，表面粗糙度小于I μ m，按圖1所示方式將Ti板和嵌套在石墨中的玻璃管放置于電極之間的，加熱使?fàn)t溫升至400°C，打開(kāi)高壓直流電源，向樣品施加800V的直流電壓，保持5min后，同時(shí)關(guān)閉加熱電源和高壓直流電源，試樣隨爐冷卻至室溫。整個(gè)過(guò)程向樣品施加單向壓力IMPa，以保證鍵合界面能夠緊密接觸。
[0020]采用下述方法測(cè)試樣品性能:在拉伸試驗(yàn)前要先用粗砂紙把金屬片表面打磨使其粗糙化，再把加工好的鋁棒通過(guò)粘附模具用AB膠粘在金屬片的表面。玻璃管一側(cè)，直接將鋁棒插入玻璃管，用AB膠水粘附好。將兩側(cè)的鋁棒加持在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)試，拉伸試驗(yàn)的加載速率為lmm/min。
[0021]測(cè)得鍵合后樣品界面的拉伸強(qiáng)度為12MPa。
[0022]實(shí)施例2:玻璃管-Si的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接
Si板厚度為Imm,玻璃管長(zhǎng)度150mm,內(nèi)外徑分別為20mm和21mm,玻璃成分:5.2% Li2O,3.6% B2O3, 3.2% Al2O3, 2%K20，其余為S12, Ti板和玻璃的鍵合面經(jīng)過(guò)打磨和拋光，表面粗糙度小于I μ m，按圖1所示方式將Si板和嵌套在玻璃中的玻璃管放置于電極之間的，加熱使?fàn)t溫升至350°C，打開(kāi)高壓電源，向樣品施加400V的電壓，保持5min后，同時(shí)關(guān)閉加熱電源和高壓電源，試樣隨爐冷卻至室溫。整個(gè)過(guò)程向樣品施加單向壓力0.5MPa，以保證鍵合界面能夠緊密接觸。
[0023]采用實(shí)施例1的方法測(cè)試樣品性能，測(cè)得鍵合后樣品界面的拉伸強(qiáng)度為8MPa。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接裝置，包括電源、玻璃管、金屬板，其特征在于:所述電源為高壓直流電源，電源兩端分別連接上電極和下電極，上、下電極之間設(shè)有石墨模具，玻璃管嵌套在石墨模具中，玻璃管下端與金屬板接觸，金屬板與下電極接觸，石墨模具的頂部與上電極接觸，上電極上端面設(shè)有壓頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接裝置，其特征在于:所述石墨模具為帶有環(huán)狀孔的圓柱形石墨電極，圓柱形石墨電極的環(huán)狀內(nèi)孔的深度小于玻璃管的高度，圓柱形石墨電極的直徑比玻璃管的直徑大20-30mm，環(huán)狀孔的內(nèi)徑比玻璃管的內(nèi)徑小0.2mm,環(huán)狀孔的外徑比玻璃管的外徑大0.2mm。
3.一種玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接方法，采用權(quán)利要求1或2所述的裝置實(shí)施，其特征在于:將玻璃管嵌套進(jìn)帶有環(huán)狀孔的圓柱形石墨電極中，在電場(chǎng)和溫度場(chǎng)的綜合作用下，玻璃基體中的金屬氧化物電離分解，形成金屬離子和氧離子，氧離子沿電場(chǎng)方向快速遷移至玻璃和金屬的界面同金屬反應(yīng)形成連接，金屬離子沿電場(chǎng)方向向相反的方向移動(dòng)在玻璃表面析出形成金屬鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接方法，其特征在于:包括以下步驟:將玻璃管嵌套進(jìn)石墨模具中，將金屬板疊放在玻璃管的另一端，然后將試樣放置在上電極和下電極之間，通過(guò)壓頭向試樣施加軸向壓力，接通加熱電源將試樣加熱到300-500°C，保溫；然后通過(guò)高壓直流電源向樣品施加高壓，促進(jìn)擴(kuò)散連接的發(fā)生，隨后關(guān)閉高壓直流電源和加熱電源，鍵合完畢后試樣隨爐冷卻至室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接方法，其特征在于:連接過(guò)程中采取的工藝參數(shù)為:電壓U=300-800V，高壓直流電源通電時(shí)間t=l-5分鐘，壓力P=0.5-lMPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接方法，其特征在于:所述玻璃管中含有Li2O和K20，Li2O含量:2-7%，K2O含量1_4%，所述金屬板為T(mén)i板、Al板、可伐合金板或者是具有金屬特性的Si板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接方法，其特征在于:所述玻璃管的成分為:5.2% Li2O, 3.6% B2O3, 3.2% Al2O3, 2%K20，其余為 S120
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種玻璃管與金屬板的電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接裝置及方法，屬于異種材料連接的技術(shù)領(lǐng)域，其特征是將玻璃嵌套進(jìn)環(huán)狀的石墨模具內(nèi)，通過(guò)石墨模具改變電場(chǎng)的分布方式，使得電場(chǎng)集中施加在玻璃的底部，同時(shí)將傳統(tǒng)玻璃中的Na2O替換為L(zhǎng)i2O，通過(guò)高溫和高壓電場(chǎng)促使玻璃基體中堿金屬氧化物電離分解遷移，提高了鍵合界面的反應(yīng)速度和化學(xué)鍵的密度，有利于提高連接界面的強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)玻璃管與金屬板的連接，為復(fù)雜電子器件的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。
【IPC分類(lèi)】C03C27-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104692676
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510081087
【發(fā)明人】胡利方, 陳大明, 李育德, 張華 , 陳少平, 孟慶森
【申請(qǐng)人】太原理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年2月15日