金屬玻璃化的封接方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種金屬玻璃化的封接方法，包括：金屬封接件封接部位的預處理：通過對金屬封接件封接部位的金屬表面進行化學處理以在金屬封接件封接部位表面形成金屬化合物預處理層；封接玻璃膏劑的制備：將與金屬封接件的金屬基體的熱膨脹系數匹配、且玻璃組分與預處理層之間能夠相互擴散和滲透的玻璃制成玻璃粉后與粘結劑、溶劑混合調制成膏劑；金屬封接件的玻璃化：將所述膏劑均勻涂覆于所述金屬封接件封接部位的表面形成玻璃涂覆層并在保護性氣氛下進行熱處理以形成玻璃化層；以及金屬封接件與陶瓷的封接：將形成有玻璃化層的金屬封接件與待封的陶瓷部件的封接部位配合好后于惰性氣氛下進行封接。
【專利說明】金屬玻璃化的封接方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬-陶瓷封接【技術領域】，具體涉及一種將金屬玻璃化，進而與陶瓷 進行封接的方法。

【背景技術】
[0002] 金屬與陶瓷的封接工藝在現代工業(yè)技術中的應用有著十分重要的意義。不僅是真 空電子器件中的關鍵工藝，而且其應用范圍越來越廣，目前還普遍應用于集成電路封裝、原 子能、高能物理、能源、醫(yī)療設備、化工、汽車工業(yè)、國防科技等領域。金屬與陶瓷封接技術隨 著多學科的交叉而加倍發(fā)展起來，它是材料應用的延伸，是一門工藝性和實用性都很強的 基礎技術。隨著真空電子器件向大功率方向發(fā)展以及金屬與陶瓷封接工藝應用領域的日益 拓展，對封接界面的質量，如可靠性、氣密性、強度、穩(wěn)定性等提出了更高的要求。
[0003] 傳統(tǒng)的金屬與陶瓷封接，都先將陶瓷封接面金屬化，然后通過焊料與金屬進行封 接。陶瓷金屬化技術就是在陶瓷件與金屬件進行連接的表面涂覆由特定難熔金屬(鑰、鎢 等）和金屬氧化物(氧化鋁、氧化鈣、氧化硅等）組成的膏劑，并在還原氣氛中高溫（1300? 1600°C )燒結固化，使陶瓷件表面附著一層具有金屬性質的涂層，以便與金屬零件進行焊 接，構成陶瓷-金屬封接件。首先，陶瓷金屬化工藝需要在還原氣氛中高溫燒結固化，對氣 氛的控制有一定的要求，這無疑增加了操作的成本和難度；其次，利用陶瓷金屬化工藝獲得 的封接件用于對金屬鑰或鎢具有一定腐蝕性的環(huán)境時，封接界面的氣密性、穩(wěn)定性以及可 靠性將難以得到保證；此外，利用陶瓷金屬化工藝獲得的封接件在封接處含有多個界面層 (如陶瓷部件與金屬化層之間的界面，金屬化層與焊料之間的界面，焊料與金屬部件之間的 界面)，而界面層是整個封接件最薄弱的地方，因而陶瓷金屬化封接技術對封接工藝過程的 控制提出了更高的要求。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種金屬與陶瓷封接的新思路，以克服現有技術的不足。本 發(fā)明的發(fā)明人經研究發(fā)現，先將金屬封接件的封接部位玻璃化，即先將金屬封接件的封接 部位進行預處理，包括氧化、硫化、磷化、硼化、氮化等，可以在封接部位表面形成一層預處 理層，再在預處理層上涂覆一層由玻璃粉調成的膏劑，在惰性氣氛下進行高溫熱處理，利用 預處理層與玻璃組分的相互擴散、融合，在金屬封接件的封接部位可以形成組分具有梯度 分布的結合牢固的玻璃化層，然后直接與陶瓷通過玻璃化層進行封接，可以實現這一目的。
[0005] 在此，本發(fā)明提供一種金屬玻璃化的封接方法，所述方法包括： (1) 金屬封接件封接部位的預處理：通過對金屬封接件封接部位的金屬表面進行化學 處理以在金屬封接件封接部位表面形成金屬化合物預處理層； (2) 封接玻璃膏劑的制備：將與金屬封接件的金屬基體的熱膨脹系數匹配、且玻璃組 分與預處理層之間能夠相互擴散和滲透的玻璃制成玻璃粉后與粘結劑、溶劑混合調制成膏 劑； (3) 金屬封接件的玻璃化：將所述膏劑均勻涂覆于所述金屬封接件封接部位的表面形 成玻璃涂覆層并在保護性氣氛下進行熱處理以形成玻璃化層；以及 (4) 金屬封接件與陶瓷的封接：將形成有玻璃化層的金屬封接件與待封的陶瓷部件的 封接部位配合好后于惰性氣氛下進行封接。
[0006] 本發(fā)明在進行了表面預處理的金屬封接件封接部位形成組分具有梯度分布的結 合牢固的玻璃化層；然后直接與陶瓷通過玻璃化層進行封接。與傳統(tǒng)的陶瓷金屬化的封接 方法相比，本發(fā)明金屬玻璃化的封接方法中，金屬與玻璃之間通過組分的相互擴散、融合， 形成了組分梯度變化的界面層，通過化學鍵的作用將金屬與玻璃結合在一起，使得兩者的 結合非常牢固，界面穩(wěn)定性高，氣密性好。又，由于金屬的表面處理工藝較為成熟，因此可根 據金屬表面處理工藝的不同選擇熱膨脹系數與之相匹配的封接玻璃，大大拓展了金屬玻璃 化封接方法的應用范圍。而且，金屬玻璃化后可直接與陶瓷進行封接，不需要額外添加焊 料，簡化了封接工藝，同時減少了封接界面，提高了封接工藝的可靠性與穩(wěn)定性。
[0007] 在本發(fā)明中，所述金屬可以包括不銹鋼、可伐合金、Ni、Ti、Mo、Mn、Al、W及其合金。
[0008] 在本發(fā)明中，所述化學處理可以為氧化、硫化、磷化、硼化、氮化、或鹵化。通過所 述化學處理，可以在金屬封接件封接部位表面形成含金屬氧化物、金屬硫化物、金屬磷化 物、金屬硼化物、金屬氮化物、或金屬鹵化物的預處理層。又，形成的預處理層的厚度可以為 1 ?10 U m。
[0009] 根據金屬基體的不同以及所述化學處理的不同，可以選擇不同的玻璃體系作為封 接介質，使玻璃與金屬基體的熱膨脹系數匹配，且玻璃組分與預處理層之間可以相互擴散、 滲透，從而形成致密的玻璃化層。相反地，又由于金屬表面進行化學處理的工藝較為成熟， 因此可根據待封接陶瓷的熱膨脹系數選擇合適組分的封接玻璃，再根據封接玻璃的組分對 金屬進行對應的表面處理。這大大拓展了金屬玻璃化封接技術的應用范圍。
[0010] 在一個優(yōu)選的實施形態(tài)中，所述化學處理為氧化，所述玻璃為硅酸鹽玻璃和/或 硼硅酸鹽玻璃。
[0011] 在另一個優(yōu)選的實施形態(tài)中，所述化學處理為硫化，所述玻璃為硫化物玻璃。
[0012] 在又一個優(yōu)選的實施形態(tài)中，所述化學處理為磷化，所述玻璃為磷酸鹽玻璃。
[0013] 在又一個優(yōu)選的實施形態(tài)中，所述化學處理為硼化，所述玻璃為硼硅酸鹽玻璃。
[0014] 在又一個優(yōu)選的實施形態(tài)中，所述化學處理為氮化，所述玻璃為含氮玻璃。
[0015] 在又一個優(yōu)選的實施形態(tài)中，所述化學處理為鹵化，所述玻璃為鹵化物玻璃。
[0016] 在所述步驟（2)中，所述玻璃粉的粒徑可以為2?200 ilm。
[0017] 所述粘結劑可以為聚乙烯醇縮丁醛、乙基纖維素、松香和/或硝化纖維。
[0018] 所述溶劑可以為乙醇、丙酮、松油醇、醋酸丁酯、正丁醇和/或環(huán)己酮。
[0019] 較佳地，所述玻璃粉、粘結劑、溶劑的重量比可以為（40wt%?80wt%) : (2wt%? 10wt%) :(15wt% ?55%)。
[0020] 在所述步驟（3)中，所述涂覆可以為浸涂、噴涂、絲網印刷、機械涂覆等。
[0021] 所述熱處理可以是在600?IKKTC保溫10?50分鐘。經過該熱處理，所述預處 理層與玻璃之間通過組分的相互擴散、融合，形成了組分梯度變化的界面層，通過化學鍵的 作用將金屬與玻璃結合在一起，使得兩者的結合非常牢固，界面穩(wěn)定性高，氣密性好。
[0022] 所述保護性氣氛可以為濕N2/H2混合氣、或濕Ar/H2混合氣，其中，所述保護性氣氛 中水汽H2O的含量可以為0. 3?3vol%，H2的含量可以為0. 1?I. 5vol%。
[0023] 所述玻璃化層的厚度可以為0. 5?3mm。
[0024] 在所述步驟（4)中，所述封接可以是在Ar或N2氣氛下于600?1200°C封接30? 120分鐘。由于是金屬玻璃化后直接與陶瓷進行封接，不需要額外添加焊料，因此簡化了封 接工藝，同時減少了封接界面，提高了封接工藝的可靠性與穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的金屬玻璃化的原理示意圖。

【具體實施方式】
[0026] 以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發(fā)明，應理解，下述實施方式僅用于 說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0027] 本發(fā)明的目的是提供一種金屬與陶瓷封接的新思路，以克服現有技術的不足。本 發(fā)明公開了一種金屬玻璃化的封接方法，先將金屬封接件的封接部位玻璃化，然后直接與 陶瓷通過玻璃化層進行封接。圖1是本發(fā)明的金屬玻璃化的原理示意圖，參見圖1，金屬玻 璃化就是先將金屬封接件的封接部位進行預處理，包括氧化、硫化、磷化、硼化、氮化等，從 而在封接部位表面形成一層預處理層，再在預處理層上涂覆一層由玻璃粉調成的膏劑，在 惰性氣氛下進行高溫熱處理，利用預處理層與玻璃組分的相互擴散、融合，在金屬封接件的 封接部位形成組分具有梯度分布的結合牢固的玻璃化層，例如參見圖1，擴散層包括玻璃層 組分和金屬表面預處理的產物。
[0028] 具體地，作為示例，本發(fā)明的金屬玻璃化的封接方法可以包括以下步驟。
[0029] ( 1)金屬封接件封接部位的預處理 所述的預處理包括但不限于氧化、硫化、磷化、硼化、氮化、鹵化等；所述的金屬包括但 不限于不銹鋼、可伐合金，Ni、Ti、Mo、Mn、Al、W等及其合金。參見以下反應式，通過所述預 處理，可以在金屬封接件封接部位的表面形成金屬化合物（MXn)預處理層，

【權利要求】
1. 一種金屬玻璃化的封接方法，其特征在于，所述方法包括： (1) 金屬封接件封接部位的預處理：通過對金屬封接件封接部位的金屬表面進行化學 處理以在金屬封接件封接部位表面形成金屬化合物預處理層； (2) 封接玻璃膏劑的制備：將與金屬封接件的金屬基體的熱膨脹系數匹配、且玻璃組 分與預處理層之間能夠相互擴散和滲透的玻璃制成玻璃粉后與粘結劑、溶劑混合調制成膏 劑； (3) 金屬封接件的玻璃化：將所述膏劑均勻涂覆于所述金屬封接件封接部位的表面形 成玻璃涂覆層并在保護性氣氛下進行熱處理以形成玻璃化層；以及 (4) 金屬封接件與陶瓷的封接：將形成有玻璃化層的金屬封接件與待封的陶瓷部件的 封接部位配合好后于惰性氣氛下進行封接。
2. 根據權利要求1所述的封接方法，其特征在于，所述金屬包括不銹鋼、可伐合金、Ni、 11、]?〇、]\111、41、1及其合金。
3. 根據權利要求1或2所述的封接方法，其特征在于，所述化學處理為氧化、硫化、磷 化、硼化、氮化、或鹵化，形成的預處理層的厚度為1?10 μ m。
4. 根據權利要求1?3中的任一項所述的封接方法，其特征在于，所述化學處理為氧 化，所述玻璃為硅酸鹽玻璃和/或硼硅酸鹽玻璃。
5. 根據權利要求1?3中的任一項所述的封接方法，其特征在于，所述化學處理為硫 化，所述玻璃為硫化物玻璃。
6. 根據權利要求1?3中的任一項所述的封接方法，其特征在于，所述化學處理為磷 化，所述玻璃為磷酸鹽玻璃。
7. 根據權利要求1?3中的任一項所述的封接方法，其特征在于，所述化學處理為硼 化，所述玻璃為硼硅酸鹽玻璃。
8. 根據權利要求1?3中的任一項所述的封接方法，其特征在于，所述化學處理為氮 化，所述玻璃為含氮玻璃。
9. 根據權利要求1?3中的任一項所述的封接方法，其特征在于，所述化學處理為鹵 化，所述玻璃為齒化物玻璃。
10. 根據權利要求1?9中的任一項所述的封接方法，其特征在于，在所述步驟（2)中， 所述玻璃粉的粒徑為2?200mm ; 所述粘結劑為聚乙烯醇縮丁醛、乙基纖維素、松香和/或硝化纖維； 所述溶劑為乙醇、丙酮、松油醇、醋酸丁酯、正丁醇和/或環(huán)己酮； 所述玻璃粉、粘結劑、溶劑的重量比為（40wt%?80wt%) : (2wt%?10wt%) : (15wt%? 55%)。
11. 根據權利要求1?10中的任一項所述的封接方法，其特征在于，在所述步驟（3) 中， 所述涂覆為浸涂、噴涂、絲網印刷、機械涂覆等； 所述熱處理是在600?1100°C保溫10?50分鐘； 所述保護性氣氛為濕N2/H2混合氣、或濕Ar/H2混合氣，其中，所述保護性氣氛中水汽 H20的含量為0· 3?3vol%，H2的含量為(λ 1?L 5vol% ; 所述玻璃化層的厚度為〇. 5?3mm。
12.根據權利要求1?11中的任一項所述的封接方法，其特征在于，在所述步驟（4) 中，所述封接是在Ar或N2氣氛下于600?1200°C封接30?120分鐘。
【文檔編號】C04B37/02GK104276837SQ201310292361
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月12日 優(yōu)先權日:2013年7月12日
【發(fā)明者】溫兆銀, 吳相偉, 鹿燕, 胡英瑛, 張敬超, 吳梅芬 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所