專利名稱：金屬與玻璃及陶瓷之間的陽極焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于異質(zhì)材料的連接技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種金屬與玻璃及陶瓷之間的陽極焊接方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)及新材料的發(fā)展，金屬與玻璃及陶瓷(絕緣材料)的連接(封接)技術(shù)也一直在不斷的向前發(fā)展，在工業(yè)中的應(yīng)用越來越多，重要性與日俱增。
金屬與陶瓷及玻璃的連接方法主要有真空釬焊、膠接、蒸著。上述方法通常存在以下缺陷陶瓷與金屬的真空釬焊連接需要較高的溫度和真空設(shè)備，能耗較大。
蒸著法是將陶瓷或玻璃置于真空中，使金屬氣化，從而將陶瓷或金屬表面金屬化，耗能比較大。
金屬與陶瓷及玻璃的粘接，雖然方法簡單，但使用溫度不高，結(jié)合強(qiáng)度較低，長期服役，粘接劑會(huì)發(fā)生老化，使粘接失效。
陽極焊于20世紀(jì)60年代末由Daniel.I.Pomerantz發(fā)現(xiàn)并申請專利。發(fā)展至今已有三十多年的時(shí)間。這期間，Wallis、Pomerantz、Anthony、Albaugh、Denee、Arata等人作了一些工作，所進(jìn)行的研究多集中在玻璃與硅、玻璃與金屬的結(jié)構(gòu)上。其研究的重點(diǎn)是在真空或者在惰性氣體保護(hù)下的焊接，其焊接的范圍受真空設(shè)備的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種金屬與玻璃及陶瓷之間的陽極焊接方法。
實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案是，一種金屬與玻璃及陶瓷之間焊接的方法，包括接頭為陶瓷與金屬之間焊接或接頭為玻璃與金屬之間焊接或接頭為玻璃與半導(dǎo)體材料之間焊接，其特征在于，按以下步驟進(jìn)行1)接頭為陶瓷與金屬之間焊接①將以上接頭材料分別的單面進(jìn)行機(jī)械拋光處理，而后分別在丙酮和酒精中進(jìn)行清洗、烘干后，按拋光面之間結(jié)合裝配；②將裝配好的試樣放入爐中夾具上進(jìn)行固定，其中陶瓷接陰極，金屬材料接陽極；③將夾具放在爐中升溫到300℃～500℃，施加800V～1000V的直流電壓，維持溫度、電壓30min～50min以后，將直流電壓停止，試樣隨爐冷卻至室溫，即可將上述接頭焊接在一起。
2)接頭為玻璃與金屬之間焊接①將以上接頭材料分別的單面進(jìn)行機(jī)械拋光處理，而后分別在丙酮和酒精中進(jìn)行清洗、烘干后，按拋光面之間結(jié)合裝配；②將裝配好的試樣放入爐中夾具上進(jìn)行固定，其中玻璃接陰極，金屬接陽極；③裝夾于特制夾具上，放在爐中升溫到250℃～450℃，施加600V～900V的直流電壓，維持溫度、電壓15min～50min以后，直流電壓停止，試樣隨爐冷卻至室溫，即可將上述接頭焊接在一起。
3)接頭為玻璃與半導(dǎo)體材料之間焊接①將以上接頭材料分別的單面進(jìn)行機(jī)械拋光處理，而后分別在丙酮和酒精中進(jìn)行清洗、烘干后，按拋光面之間結(jié)合裝配；②將裝配好的試樣放入爐中夾具上進(jìn)行固定，其中玻璃接陰極，半導(dǎo)體材料接陽極；③裝夾于特制夾具上，放在爐中升溫到350℃～400℃，施加710V～840V的直流電壓，維持溫度、電壓15min～50min以后，直流電壓停止，試樣隨爐冷卻至室溫，即可將上述接頭焊接在一起。
本發(fā)明的其它一些特點(diǎn)是，接頭結(jié)合面需要進(jìn)行機(jī)械拋光，結(jié)合面之間，無需添加中間層。
所述的機(jī)械拋光的粗糙度為0.5μm～1.0μm。
加熱用的爐子無需抽真空，焊接氣氛為不流通的大氣環(huán)境。
采用本發(fā)明的方法，無需加壓或施加輕微壓力，在直流電場作用下，焊接面貼合在一起，溫度升高之后，在電場作用下使非金屬材料產(chǎn)生極化并使電子及離子向界面運(yùn)動(dòng)，在界面處發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成氧化物及尖晶石，實(shí)現(xiàn)一體化連接。


圖1是本發(fā)明的陽極焊接裝置示意圖；圖2是加熱爐升溫加電方式曲線圖；圖3是本發(fā)明的實(shí)施例K4玻璃與Kovar合金的界面能譜線掃描結(jié)果圖譜；圖4是K4玻璃與硅焊的掃描電鏡照片(Mag＝4000X)。
具體實(shí)施例方式
為了更清楚的理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
按照本發(fā)明的技術(shù)方案，金屬與玻璃及陶瓷之間的陽極焊接方法包括接頭為陶瓷與金屬之間焊接或接頭為玻璃與金屬之間焊接或接頭為玻璃與半導(dǎo)體材料之間焊接。本發(fā)明所進(jìn)行的焊接過程全部是在大氣條件下進(jìn)行的，主要考查溫度、電壓、通電時(shí)間對焊接過程的影響。試驗(yàn)裝置原理如圖1示。該裝置包括加熱爐和電源控制柜，加熱爐和電源控制柜之間有記錄裝置。
實(shí)驗(yàn)前將被焊試樣單面進(jìn)行機(jī)械拋光處理(0.5μm-1μm)，而后分別在丙酮和酒精中進(jìn)行清洗，烘干后將裝配好的試樣放入爐中夾具上進(jìn)行固定，其中玻璃接陰極，金屬及半導(dǎo)體材料接陽極。開始升溫通電，升溫、通電、保溫、斷電、降溫方式如圖2所示。加電的同時(shí)，啟動(dòng)記錄儀，記錄回路中的電流變化情況。停止加電后，試樣冷卻，至室溫時(shí)取出。
以下是發(fā)明人給出的實(shí)施例，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1鋁-K4玻璃的陽極焊材料組成成分該實(shí)驗(yàn)材料為K4玻璃與純鋁，玻璃與鋁片為12mm×12mm，表面均需進(jìn)行機(jī)械拋光，并分別在丙酮與酒精中清洗。焊接過程在圖1所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行大氣中的焊接，焊后隨爐冷卻至室溫。
在最佳工藝參數(shù)內(nèi)(溫度250℃～400℃，電壓600V～800V)，焊合率達(dá)90％以上，試驗(yàn)表明，焊合率隨溫度與電壓的增大而增大。升高的溫度的作用是使玻璃中的連接較弱的離子脫離束縛，在電場作用下發(fā)生定向移動(dòng)。溫度的提高有利于離子擴(kuò)散的進(jìn)行。但溫度的提高，使得兩種材料的熱膨脹系數(shù)不匹配問題加劇，同時(shí)溫度提高到一定限值(≥400℃，800V)后，將很容易發(fā)生擊穿，因此溫度不宜太高。此外，電壓的作用是形成電場，產(chǎn)生強(qiáng)大的電場力，使工件密合。同樣，當(dāng)電壓加到一定值(≥800V，400℃)后，也很容易發(fā)生擊穿，因此電壓的選擇還需視所選材料及溫度而定?？傊?，溫度與電壓有一個(gè)最佳匹配的問題。
焊后冷卻速度過大，容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊接失敗，因此需控制冷卻速度。將冷速控制在4K/s～5K/s可達(dá)到最佳焊接效果。時(shí)間、壓力、升溫速度、電極的形狀等均對焊接過程有著不容忽視的作用。
玻璃與鋁的陽極焊是通過玻璃中的堿性陽離子Na+，O2-，H+的傳輸而進(jìn)行的，玻璃中的Na+是主要的傳導(dǎo)離子。
實(shí)施例2可伐合金-K4玻璃的陽極焊可伐(Kovar)合金在20℃～450℃具有與硼硅玻璃相近的線膨脹系數(shù)和良好的低溫穩(wěn)定性，在與金屬焊接過程中，可以減小由于異種材料熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。該合金與玻璃的焊接件主要用于電真空元器件中，如發(fā)射管、振蕩器、密封插頭、磁控管等處。
K4玻璃試樣尺寸為10mm×10mm×2mm，Kovar合金試樣尺寸為10mm×10mm×15mm。
試驗(yàn)過程將K4玻璃和Kovar合金進(jìn)行表面單面拋光處理，表面粗糙度達(dá)0.5μm～1.0μm，再用丙酮和酒精清洗，將兩拋光面相對貼合，放入夾具中裝配好，其中，Kovar合金與陽極相連，K4玻璃與陰極相連，如圖1所示。將焊件裝配好后，放入爐中加熱，當(dāng)溫度升至指定溫度，再加一定的直流電壓(U)，保持15～50min后，斷開電源，焊件隨爐冷卻，當(dāng)焊接溫度在350℃～450℃之間、焊接電壓在800V～900V之間時(shí)，獲得的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為10MPa～20MPa。
在陽極焊過程中，由于外加電場的作用，K4玻璃中的Na+向陰極移動(dòng)，使得玻璃中靠近陽極的一面產(chǎn)生貧Na+區(qū)。在強(qiáng)電場作用下產(chǎn)生的離子遷移，除了玻璃中較活躍的陽離子向陰極移動(dòng)外，還包括連接陽極金屬中的陽離子向玻璃中遷移，以及玻璃中相對不活躍的陰離子向陽極遷移。在貧化區(qū)內(nèi)，由于Na+向陰極遷移，引起負(fù)電荷增多，因此在貧化區(qū)靠近玻璃體一側(cè)產(chǎn)生負(fù)電荷聚集區(qū)，該區(qū)與陽極之間形成強(qiáng)大的電場，使兩種材料緊密接觸。在貧化區(qū)非負(fù)電荷聚集區(qū)，陽極金屬正離子向玻璃中擴(kuò)散，而玻璃中的負(fù)離子向陽極移動(dòng)，最終在界面處發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)，所生成的復(fù)合化合物將被焊接件牢固地連接在一起。
在焊接Kovar合金和K4玻璃時(shí)，幾乎沒有發(fā)生開裂現(xiàn)象，這使得Kovar合金成為一種理想的玻璃焊接材料。
Kovar合金和K4玻璃在陽極焊過程中形成了以FeSiO3和Fe7SiO10以及一些非晶態(tài)物質(zhì)為主的過渡層，并將被焊材料焊合在一起。K4玻璃與Kovar合金的界面能譜線掃描結(jié)果如圖3所示。
實(shí)施例3K4玻璃與單晶硅片的陽極焊
K4玻璃的試樣尺寸為10mm×10mm×2mm。單晶Si片的試樣尺寸為10mm×10mm×0.3mm。
焊接試驗(yàn)裝置及過程試樣在裝配前進(jìn)行表面拋光(粗糙度0.5～1.0μm)和表面清洗(用丙酮和酒精清洗表面)，將兩試樣裝配好后放入爐中，其中硅片與陽極相連，玻璃與陰極連接。待試樣加熱至350℃～400℃溫度后，給被焊試樣加710V～840V直流電壓，保持15～50min后，斷開電源，試件隨爐冷卻。
在焊接過程中用測試系統(tǒng)記錄電流的變化，發(fā)現(xiàn)焊接電流單調(diào)升至一最大值后，緩慢下降。在焊接過程中，電路中產(chǎn)生微弱的電流，這一現(xiàn)象表明玻璃中離子在電場作用下移動(dòng)，從而在回路中產(chǎn)生電流，隨著時(shí)間的延長，離子移動(dòng)趨于飽和，電流逐漸減小。在一定溫度下，隨電場強(qiáng)度的減小，焊接過程離子遷移量減小，焊接電流減小。電壓不變時(shí)，溫度降低，離子擴(kuò)散能力減弱，焊接過程電流減小。
在一定電壓下焊合率隨溫度的升高而增大，因?yàn)闇囟仍礁?，越有利于離子擴(kuò)散遷移，但溫度也不能超過一定值，否則會(huì)導(dǎo)致電流過大而擊穿試件。同樣，在一定范圍內(nèi)，焊合率隨電壓的升高而增大。
可見，K4玻璃與硅片焊接時(shí)存在一個(gè)最佳工藝參數(shù)范圍，在此范圍內(nèi)進(jìn)行焊接，均可得到理想的焊接接頭。試驗(yàn)證明K4玻璃與硅片焊接時(shí)的最佳工藝參數(shù)為電壓710V～840V，溫度350℃～400℃。
K4玻璃屬SiO2B2O3NaO玻璃系，含有較多的堿金屬氧化物，尤其是鈉的氧化物，在焊接過程中，電流主要由堿金屬離子傳導(dǎo)，并且當(dāng)玻璃中含有Al2O3時(shí)，會(huì)促使堿金屬離子活性增加。鈉離子在電場的作用下向陰極聚集，使玻璃被焊面產(chǎn)生一層貧Na+區(qū)，而在玻璃的另一面以Na+或NaOH形式析出。同時(shí)，Si與向焊縫聚集的氧離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成緊密的接頭。溫度升高或者場強(qiáng)增加，離子活動(dòng)能力增強(qiáng)，促使硅與氧擴(kuò)散能力加大，在結(jié)合面處結(jié)合力增高，焊接接頭的掃描電鏡照片如圖4所示。
在焊接過程中由于兩材料熱膨脹系數(shù)不一樣而產(chǎn)生的應(yīng)力，可以通過焊后緩冷來消除，在本焊接工藝中獲得了滿意的效果。
力學(xué)試驗(yàn)證明K4玻璃與硅片的陽極焊能獲得高質(zhì)量的焊接接頭，接頭的抗拉強(qiáng)度大于母材的。
實(shí)施例4Y-ZrO2與鋁箔的陽極焊連接ZrO2是氧離子型導(dǎo)電陶瓷，具有耐高溫和導(dǎo)電率高的優(yōu)點(diǎn)，是燃料電池和化學(xué)傳感器的優(yōu)良材料。用Y2O3增韌的ZrO2改善了陶瓷原有的韌性低和抗熱震性差的缺點(diǎn)。其中鋁箔與陽極相連，Y-ZrO2與陰極連接。焊接溫度300℃～500℃，電壓800V～1000V，壓力5Pa～10Pa，時(shí)間30min～50min；得到的接頭強(qiáng)度大于25MPa。
實(shí)施例5鋁基復(fù)合材料與陶瓷的連接鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最廣泛和最成熟，已成功地應(yīng)用于航空、航天、車輛及電子行業(yè)。金屬基復(fù)合材料除了高強(qiáng)度、高彈性模量和低膨脹系數(shù)外，還具有優(yōu)良的韌性、抗沖擊及抗熱震性，耐熱性高，橫向力學(xué)性能好，不燃燒，不吸潮，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好，耐輻射，以及高真空環(huán)境穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為微電子器件基板的首選材料。
采用SiC顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，分別與硼硅玻璃和β-Al2O3進(jìn)行連接。其中鋁基復(fù)合材料接陽極，硼硅玻璃和β-Al2O3接陰極。連接溫度300℃～500℃，電壓400V～600V，壓力5Pa～10Pa，時(shí)間15min～30min；得到的接頭強(qiáng)度為18MPa～25Mpa。
權(quán)利要求
1.一種金屬與玻璃及陶瓷之間焊接的方法，包括接頭為陶瓷與金屬之間焊接或接頭為玻璃與金屬之間焊接或接頭為玻璃與半導(dǎo)體材料之間焊接，其特征在于，按以下步驟進(jìn)行1)接頭為陶瓷與金屬之間焊接①將以上接頭材料分別的單面進(jìn)行機(jī)械拋光處理，而后分別在丙酮和酒精中進(jìn)行清洗、烘干后，按拋光面之間結(jié)合裝配；②將裝配好的試樣放入爐中夾具上進(jìn)行固定，其中陶瓷接陰極，金屬材料接陽極；③將夾具放在爐中升溫到300℃～500℃，施加800V～1000V的直流電壓，維持溫度、電壓30～50min以后，將直流電壓停止，試樣隨爐冷卻至室溫，即可將上述接頭焊接在一起；2)接頭為玻璃與金屬之間焊接①將以上接頭材料分別的單面進(jìn)行機(jī)械拋光處理，而后分別在丙酮和酒精中進(jìn)行清洗、烘干后，按拋光面之間結(jié)合裝配；②將裝配好的試樣放入爐中夾具上進(jìn)行固定，其中玻璃接陰極，金屬接陽極；③裝夾于特制夾具上，放在爐中升溫到250℃～450℃，施加600V～900V的直流電壓，維持溫度、電壓15min～50min以后，直流電壓停止，試樣隨爐冷卻至室溫，即可將上述接頭焊接在一起；3)接頭為玻璃與半導(dǎo)體材料之間焊接①將以上接頭材料分別的單面進(jìn)行機(jī)械拋光處理，而后分別在丙酮和酒精中進(jìn)行清洗、烘干后，按拋光面之間結(jié)合裝配；②將裝配好的試樣放入爐中夾具上進(jìn)行固定，其中玻璃接陰極，半導(dǎo)體材料接陽極；③裝夾于特制夾具上，放在爐中升溫到350℃～400℃，施加710V～840V的直流電壓，維持溫度、電壓15min～50min以后，直流電壓停止，試樣隨爐冷卻至室溫，即可將上述接頭焊接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與玻璃及陶瓷之間焊接的方法，其特征在于，接頭結(jié)合面需要進(jìn)行機(jī)械拋光，結(jié)合面之間，無需添加中間層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬與玻璃及陶瓷之間焊接的方法，所述的機(jī)械拋光的粗糙度為0.5μm～1.0μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與玻璃及陶瓷之間焊接的方法，加熱用的爐子無需抽真空，焊接氣氛為不流通的大氣環(huán)境。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬與玻璃及陶瓷之間的陽極焊接方法，屬于異質(zhì)材料的連接技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的焊接氣氛是在大氣中，其焊接溫度低，在無需填加任何中間材料的情況下直接進(jìn)行固態(tài)連接，工件變形小，工藝過程簡單，既能在真空或保護(hù)氣氛下實(shí)現(xiàn)精密焊接，也可在空氣中實(shí)現(xiàn)精密焊接?？捎糜诟鞣N硼硅酸玻璃、鈉鈣硅酸鹽玻璃、氧化鋁硅酸鹽玻璃、纖維光學(xué)玻璃、石英、藍(lán)寶石、微晶玻璃、β－Al
文檔編號(hào)B23K31/12GK1541802SQ20031010589
公開日2004年11月3日 申請日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者薛錦, 潘希德, 王裕文, 蔚曉嘉, 盧學(xué)剛, 孟慶森, 喻萍, 張麗娜, 董現(xiàn)春, 薛 錦 申請人:西安交通大學(xué)