可伐合金气密封接的预氧化
发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:1599
冷文波 沈卓身 |
(北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083) |
摘 要:可伐合金和硅硼硬玻璃是通过可伐合金表面的氧化物与玻璃互溶而紧密结合在一起的，所以可伐合金的预氧化是金属外壳制造的一个非常重要的工艺环节，是直接影响气密封接的一个重要因素。为实现气密封接，可伐合金预氧化需要得到的氧化物应是fe3o4和feo，而不希望得到fe2o3。同时，氧化膜的厚度要控制在一定的范围内；氧化膜过薄则氧化物完全溶于玻璃，造成玻璃与金属基体表面的直接封接，使封接强度下降；氧化膜过厚则造成金属表面氧化物较粗糙疏松，封接件容易漏气。为达到上述两个目的，可以从可伐合金氧化的热力学和动力学出发，通过控制氧化气氛，氧化温度和时间来实现。
关键词：可伐合金；硅硼硬玻璃；金属封接；氧化；气氛
中图分类号：tn305．94 文献标识码：a 1 引言 玻璃-金属封接通过直插式引线使内部元件与外部连接在一起，这种气密封接的方法广泛应用于高可靠微电子封装的制造中。由于玻璃具有良好的绝缘性能，它能构成各种形状，并能与各种金属封接，故成为制造外壳与直插引线之间气密封接所用的最主要材料。在金属封装中广泛使用的玻璃是硼酸盐硬玻璃，金属是可伐合金。它们的膨胀系数非常接近，可以实现匹配封接。在金属封装制造工艺中与可伐合金直接有关的主要有脱炭，预氧化和熔封几步。脱炭主要是除去可伐合金中的气体，降低含碳量，预氧化主要是在可伐合金表面形成所需要的氧化膜，熔封主要是使氧化膜与玻璃熔合。可以看出，玻璃与金属封接实际上就是使氧化膜与玻璃熔合在—起，封接的可靠性主要取决于金属的氧化膜，正因为如此，国外一些学者认为电子元器件的气密封接技术也可以说成是金属的氧化处理技术。为实现气密封接，需要可伐合金预氧化得到的氧化物主要应是fe3o4和feo，而不希望得到fe2o3。同时，氧化膜的厚度要控制在一定的范围内：氧化膜过薄则完全熔于玻璃，造成玻璃与金属基体表面的直接封接，使封接强度下降；氧化膜过厚则造成金属表面残留较厚的粗糙疏松的氧化膜，使封接件易
发生漏气现象。 2 金属与玻璃封接的机理 由于金属和合金的化学键是金属键，玻璃的化学键是金属离子一共价混合型键，所以它们本身并不能直接封接。要在封接前对金属和合金进行预氧化，使之表面生成一层氧化膜，通过这层氧化膜金属和合金才能与玻璃封接。因而有必要了解玻璃与金属封接的机理，目前玻璃与金属封接有以下几种理论[1]： 2．1 热力学 形成可靠的玻璃金属封接的首要条件是熔化的玻璃必须能够润湿金属表面并在其上面铺展。液体和固体接触时，在它们之间形成一个新界面。按照经典的热力学理论，如果铺展后形成的新的固液界面的能量低于相应的固气界面的能量的话，液体将会铺展。它们的差值越大，铺展或浸润程度就越大。因此浸润的驱动力与固液和固气界面的能差有关。附着固体表面的液滴形状，通常用它的接触角θ来描述，它是三个能量的函数，当θ小于90°时，浸润发生，当9大于90’时，浸润不发生。界面液滴达到平衡条件，如杨氏经典方程所表示： 通常情况下，玻璃和纯金属表面几乎不浸润，但是当金属表面存在致密牢固且厚度均匀的氧化膜时，与熔融的玻璃浸润会降低系统的能量，将会促进浸润的发生，所以可伐合金表面进行预氧化是非常必要的。另外，氧化膜的成分不同，它与玻璃的浸润程度也不同，具有立方结构的氧化膜与熔融玻璃的浸润性较差，而且有尖晶石结构的低价氧化物与熔融玻璃具有良好的浸润性。这就说明了为什么要控制可伐合金预氧化所生成的氧化物成分。
2．2 机械结合 该理论认为金属和玻璃之间的粘附是通过机械啮合作用形成的。它一开始就得到认可是因为即使金属基体表面最初非常光滑，但是封接后金属和玻璃之间的界面通常变得十分粗糙，所以认为结合的形成是由于粗糙的基体和玻璃之间的机械啮合作用。基于该机理还衍生了许多理论，例如枝晶理论和电化学理论。其中枝晶理论认为在玻璃与金属封接之后，在界面处经常会生长出金属相的枝晶。枝晶的形成是由于玻璃中的氧化物与基体中的金属发生化学反应的结果。这些枝晶通过机械啮合作用固定住外面的玻璃，也就是起到金属和玻璃之间锚点的作用。而电化学理论认为金属受到熔融玻璃的电化学腐蚀，金属溶人玻璃
冷文波 沈卓身 | (北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083) |
摘 要:可伐合金和硅硼硬玻璃是通过可伐合金表面的氧化物与玻璃互溶而紧密结合在一起的，所以可伐合金的预氧化是金属外壳制造的一个非常重要的工艺环节，是直接影响气密封接的一个重要因素。为实现气密封接，可伐合金预氧化需要得到的氧化物应是fe3o4和feo，而不希望得到fe2o3。同时，氧化膜的厚度要控制在一定的范围内；氧化膜过薄则氧化物完全溶于玻璃，造成玻璃与金属基体表面的直接封接，使封接强度下降；氧化膜过厚则造成金属表面氧化物较粗糙疏松，封接件容易漏气。为达到上述两个目的，可以从可伐合金氧化的热力学和动力学出发，通过控制氧化气氛，氧化温度和时间来实现。
关键词：可伐合金；硅硼硬玻璃；金属封接；氧化；气氛
中图分类号：tn305．94 文献标识码：a 1 引言 玻璃-金属封接通过直插式引线使内部元件与外部连接在一起，这种气密封接的方法广泛应用于高可靠微电子封装的制造中。由于玻璃具有良好的绝缘性能，它能构成各种形状，并能与各种金属封接，故成为制造外壳与直插引线之间气密封接所用的最主要材料。在金属封装中广泛使用的玻璃是硼酸盐硬玻璃，金属是可伐合金。它们的膨胀系数非常接近，可以实现匹配封接。在金属封装制造工艺中与可伐合金直接有关的主要有脱炭，预氧化和熔封几步。脱炭主要是除去可伐合金中的气体，降低含碳量，预氧化主要是在可伐合金表面形成所需要的氧化膜，熔封主要是使氧化膜与玻璃熔合。可以看出，玻璃与金属封接实际上就是使氧化膜与玻璃熔合在—起，封接的可靠性主要取决于金属的氧化膜，正因为如此，国外一些学者认为电子元器件的气密封接技术也可以说成是金属的氧化处理技术。为实现气密封接，需要可伐合金预氧化得到的氧化物主要应是fe3o4和feo，而不希望得到fe2o3。同时，氧化膜的厚度要控制在一定的范围内：氧化膜过薄则完全熔于玻璃，造成玻璃与金属基体表面的直接封接，使封接强度下降；氧化膜过厚则造成金属表面残留较厚的粗糙疏松的氧化膜，使封接件易
发生漏气现象。 2 金属与玻璃封接的机理 由于金属和合金的化学键是金属键，玻璃的化学键是金属离子一共价混合型键，所以它们本身并不能直接封接。要在封接前对金属和合金进行预氧化，使之表面生成一层氧化膜，通过这层氧化膜金属和合金才能与玻璃封接。因而有必要了解玻璃与金属封接的机理，目前玻璃与金属封接有以下几种理论[1]： 2．1 热力学 形成可靠的玻璃金属封接的首要条件是熔化的玻璃必须能够润湿金属表面并在其上面铺展。液体和固体接触时，在它们之间形成一个新界面。按照经典的热力学理论，如果铺展后形成的新的固液界面的能量低于相应的固气界面的能量的话，液体将会铺展。它们的差值越大，铺展或浸润程度就越大。因此浸润的驱动力与固液和固气界面的能差有关。附着固体表面的液滴形状，通常用它的接触角θ来描述，它是三个能量的函数，当θ小于90°时，浸润发生，当9大于90’时，浸润不发生。界面液滴达到平衡条件，如杨氏经典方程所表示： 通常情况下，玻璃和纯金属表面几乎不浸润，但是当金属表面存在致密牢固且厚度均匀的氧化膜时，与熔融的玻璃浸润会降低系统的能量，将会促进浸润的发生，所以可伐合金表面进行预氧化是非常必要的。另外，氧化膜的成分不同，它与玻璃的浸润程度也不同，具有立方结构的氧化膜与熔融玻璃的浸润性较差，而且有尖晶石结构的低价氧化物与熔融玻璃具有良好的浸润性。这就说明了为什么要控制可伐合金预氧化所生成的氧化物成分。
2．2 机械结合 该理论认为金属和玻璃之间的粘附是通过机械啮合作用形成的。它一开始就得到认可是因为即使金属基体表面最初非常光滑，但是封接后金属和玻璃之间的界面通常变得十分粗糙，所以认为结合的形成是由于粗糙的基体和玻璃之间的机械啮合作用。基于该机理还衍生了许多理论，例如枝晶理论和电化学理论。其中枝晶理论认为在玻璃与金属封接之后，在界面处经常会生长出金属相的枝晶。枝晶的形成是由于玻璃中的氧化物与基体中的金属发生化学反应的结果。这些枝晶通过机械啮合作用固定住外面的玻璃，也就是起到金属和玻璃之间锚点的作用。而电化学理论认为金属受到熔融玻璃的电化学腐蚀，金属溶人玻璃
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