任利娜，張建勛，鞠 鶴（. 西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 70049；. 西北有色金屬研究院西安泰金工業(yè)電化學(xué)技術(shù)有限公司，西安 7006）

玻璃金屬多針封接件的過渡環(huán)封研究*

任利娜1, 2，張建勛1，鞠 鶴2
（1. 西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710049；
2. 西北有色金屬研究院西安泰金工業(yè)電化學(xué)技術(shù)有限公司，西安 710016）

摘 要：“14針密排”玻璃-金屬封接件在生產(chǎn)及應(yīng)用過程中常會出現(xiàn)玻璃炸裂，繼而引起元件封接強(qiáng)度、氣密性、熱穩(wěn)定性及耐沖壓性等綜合性能降低甚至報(bào)廢。結(jié)合其特殊的導(dǎo)電性能和氣密性設(shè)計(jì)要求，分析認(rèn)為玻璃產(chǎn)生微裂紋的原因是封接元件膨脹系數(shù)不相匹配。利用“環(huán)封”工藝逐級過渡玻璃和金屬之間的膨脹系數(shù)差異，同時(shí)結(jié)合玻璃抗壓不抗拉的特性，達(dá)到“匹配封接”，徹底解決普遍存在于該類元器件中的致命問題。

關(guān)鍵詞：玻璃-金屬封接；匹配封接；非匹配封接；過渡環(huán)封

1　引言

玻璃-金屬封接技術(shù)是一門既與材料科學(xué)有關(guān)，又與機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等有關(guān)的交叉學(xué)科[1～3]，具有密封性能優(yōu)良、可靠性高、使用壽命長以及較好的機(jī)械穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于電子元器件、半導(dǎo)體器件、密封繼電器等軍用、民用以及航空領(lǐng)域。軍用微電子器件的封裝廣泛采用玻璃與金屬或陶瓷外殼實(shí)現(xiàn)氣密封接，其中金屬外殼大都采用柯伐（Kovar）合金作為引線和基座的材料。該類封接利用玻璃與金屬的氧化膜相互浸潤結(jié)合來實(shí)現(xiàn)匹配封接[2]，最大的優(yōu)點(diǎn)就是氣密性和可靠性高，但是存在柯伐合金價(jià)格昂貴、加工困難、低導(dǎo)磁高電阻及焊接和耐腐蝕性能較差的缺點(diǎn)[2]。實(shí)際生產(chǎn)中，由于應(yīng)用場合和要求的不同，常常會出現(xiàn)用于高壓、高機(jī)械應(yīng)力和高溫度應(yīng)力場合的非匹配封接件。這種封接方式得以廣泛采用的最大優(yōu)點(diǎn)在于，用碳鋼/純Fe基座來代替Kovar基座，在降低價(jià)格的同時(shí)，易加工、焊接和抗蝕性能等得到很大程度的提高。但是基座采用此類材料也出現(xiàn)新的問題，即與Kovar引線及硅硼玻璃的膨脹系數(shù)差異引起的非匹配封接。如果工藝處理不當(dāng)，由膨脹系數(shù)相差較大導(dǎo)致的微裂會使這類產(chǎn)品的氣密性和強(qiáng)度等基本性能難以保證[2]。與此同時(shí)，非匹配封接優(yōu)良的綜合性使其越來越受到重視。“壓力封接”作為非匹配封接的一種，越來越多地應(yīng)用于電子元器件封接中。因此，通過了解玻璃和金屬在封接過程中的特性及應(yīng)力影響因素來調(diào)整封接工藝對解決非匹配封接中出現(xiàn)的問題非常重要。

本文涉及的“14針密排”結(jié)構(gòu)玻璃封接插件是目前航天等軍工高科技領(lǐng)域應(yīng)用較多的一個(gè)基板與多個(gè)芯柱密排分布的典型，由SPCC碳鋼基座、4J29芯柱以及玻璃坯構(gòu)成。針對最初廠家設(shè)計(jì)的封接工藝中出現(xiàn)的炸裂問題，利用“玻璃抗壓不抗拉”的特性，采用新型方法對材料進(jìn)行封接前處理和對封接工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，有效解決了炸裂問題。

2　實(shí)驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的材料有石墨模具、SPCC基板、4J29芯柱及DM-305鉬組玻璃坯，主要零部件如圖1所示。

圖1 封接材料示意圖

2.2實(shí)驗(yàn)方法

首先，將試驗(yàn)所用的封接材料SPCC基板、4J29芯柱及DM-305玻璃坯在石墨模具中裝配，然后放入N2氣保護(hù)的網(wǎng)帶爐中經(jīng)1 020 ℃高溫熔封，得到如圖2所示的“14針玻璃-金屬封接產(chǎn)品”。實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行，其工藝流程分別如圖3和圖4所示。實(shí)驗(yàn)1選用廠家提供的DM305玻璃坯進(jìn)行常規(guī)熔封，如圖3所示。

圖2 14針型插件玻璃-金屬封接示意圖

圖3 基本封接工藝流程圖

圖4 過渡環(huán)封工藝流程圖

實(shí)驗(yàn)2選用兩種膨脹系數(shù)為α玻1和α玻2的玻璃粉（α4J29芯柱＜α玻2＜α玻1＜αSPCC基板），制成玻璃坯，并經(jīng)過特殊工藝流程進(jìn)行封接實(shí)驗(yàn)。

3　結(jié)果及討論

對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)1封接后處于內(nèi)部比較密集的封接孔附近出現(xiàn)以芯柱為中心呈放射狀炸裂的微裂紋和沿金屬呈環(huán)狀的微裂紋。而采用新型封接工藝的實(shí)驗(yàn)2，能夠有效防止封接玻璃中出現(xiàn)微裂甚至炸裂的出現(xiàn)。

3.1封接過程中出現(xiàn)炸裂的原因分析

實(shí)驗(yàn)1的封接工藝屬于一般的封接方法，出現(xiàn)炸裂的原因有：封接玻璃與金屬元件膨脹系數(shù)不匹配；封接元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因?qū)е聭?yīng)力過于集中，不能克服或緩沖玻璃中的應(yīng)力。

3.1.1 非匹配封接

非匹配封接是相對匹配封接而言的，所謂匹配封接是指玻璃的膨脹系數(shù)與被封接材料的膨脹系數(shù)相接近，通常兩者間的膨脹系數(shù)差小于10%，應(yīng)力可控制在安全范圍內(nèi)，不會引起封接件玻璃炸裂。非匹配封接是玻璃和金屬件膨脹系數(shù)差大于10%，封接后玻璃中存在很大的應(yīng)力。

實(shí)驗(yàn)1中所用的封接配件的膨脹系數(shù)分別為：在室溫～300℃內(nèi)，αSPCC基板=(12～13.5)×10-6℃-1、α4J29芯柱=4.7×10-6℃-1，α玻DM305=4.8×10-6℃-1?；迮c封接玻璃之間的膨脹系數(shù)相差甚大，這是由于錯(cuò)誤的壓力封接設(shè)計(jì)導(dǎo)致的，存在很大的安全隱患。而芯柱與玻璃之間膨脹系數(shù)是正常匹配的，所以整體屬于非匹配封接，元件之間膨脹系數(shù)的差異極易引起玻璃炸裂。

3.1.2 絕緣子玻璃炸裂原因分析

從以上對3種封接材料膨脹系數(shù)的分析以及對金屬基座、芯柱及玻璃坯的生產(chǎn)和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行跟蹤分析，可以將導(dǎo)致玻璃絕緣子炸裂的因素歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）膨脹系數(shù)差異較大導(dǎo)致的非匹配封接；（2）傳統(tǒng)封接工藝中存在不合理制定；

（3）封接后，玻璃絕緣子中仍有殘余應(yīng)力；（4）基板上封接孔過于密集。

3.2預(yù)防玻璃絕緣子炸裂的方法——過渡環(huán)封

基于膨脹系數(shù)遞級的思想，引入中間玻璃來減小封接元件之間的膨脹系數(shù)差異，同時(shí)結(jié)合合理的中間處理工藝，制定出過渡環(huán)封工藝流程為：玻璃粉牌號選擇→制坯（根據(jù)基板、芯柱的尺寸計(jì)算玻璃坯重量）→確定大、小玻璃坯的壁厚→對材料進(jìn)行退火預(yù)處理→選擇合適的封接參數(shù)→選擇高純石磨模具→過渡封接。具體過程如圖4所示。

3.2.1 兩種玻璃粉的選擇及制坯

由于SPCC基板材料膨脹系數(shù)較大，所以采取非匹配封接中的壓縮封接，即玻璃的膨脹系數(shù)略小于基板膨脹系數(shù)，封接后基板對玻璃產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力。選擇膨脹系數(shù)較大的鐵封玻璃粉與SPCC碳鋼封接，將αTF=(8.9～9.3)×10-6℃-1的玻璃粉制成外圈的大玻璃坯與基板封接。由于4J29芯柱的膨脹系數(shù)較小，故選擇與之能夠匹配封接的DM-305玻璃粉，具體膨脹系數(shù)為α玻=4.8×10-6℃-1，制成小玻璃坯與芯柱。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，制成大、小玻璃坯的兩種玻璃粉同屬于鈉鋁硼硅氧化物玻璃粉，故在軟化點(diǎn)以上溫度能夠很好地熔合在一起，TF玻璃粉和DM-305 恰好能夠滿足要求。

采用手動制坯機(jī)壓制玻璃坯，玻璃坯的總重量可參考公式G=k(R孔-R柱)2×3.14×γ×σ來精確計(jì)算，其中G為玻璃坯總重量，R柱為基板孔半徑，R柱為芯柱的半徑，γ為玻璃密度，σ為基板厚度，k為修正系數(shù)（1～1.1）。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大、小玻璃坯壁厚不能任意選取，否則也會影響最終封接效果。經(jīng)過多組正交試驗(yàn)得出較為合理的結(jié)論：小玻璃坯的壁厚越小，越有利于大、小玻璃坯在高溫封接中的熔合，對有效過渡為匹配封接越有利，同時(shí)也利于裝配。本文所涉及的14針封接產(chǎn)品，小玻璃坯的厚度控制在0.2 mm以內(nèi)最好。

3.2.2 金屬材料的封接前處理

為了獲得高氣密封接，通常對金屬材料要去應(yīng)力退火和凈化處理[2]。對SPCC基板和4J29芯柱在低溫下進(jìn)行真空去應(yīng)力退火，目的在于：（1）消除機(jī)械加工應(yīng)力；（2）消除加工硬化；（3）使金屬材料內(nèi)部組織均勻細(xì)化、穩(wěn)定一致；（4）對金屬表面進(jìn)行脫碳處理；（5）去除金屬在熱加工過程中內(nèi)部所吸附的氣體；（6）進(jìn)一步清潔金屬元件。同時(shí)，真空凈化能夠有效去除4J29合金表面的有機(jī)雜質(zhì)及H、S等有害元素[3]。為了達(dá)到上述目的，升溫速度、退火溫度、保溫時(shí)間及冷卻速度等熱處理因素必須得到有效的控制。同時(shí)，SPCC基板和4J29芯柱在封接裝配前還要用乙醇等分別進(jìn)行清洗，保證金屬表面清潔。

3.2.3 封接

將上述提到的封接元件按照要求進(jìn)行預(yù)處理后，分別將SPCC基板、大玻璃坯、小玻璃坯及4J29芯柱按照順序依次裝配，放入網(wǎng)帶爐進(jìn)行“過渡環(huán)封”熔封，工藝曲線見圖5。金屬與玻璃封接的相關(guān)參數(shù)有封接溫度、升溫速度、保溫時(shí)間及降溫速度等。

封接溫度是根據(jù)玻璃的軟化溫度來決定的，理論上要求玻璃的粘度應(yīng)該在10-6～10-4Pa·s之間[2]。升溫速度應(yīng)該控制在6～10℃·min-1，不宜太快或者太慢。升溫速度太慢會延長元件在爐膛內(nèi)停留的時(shí)間，使得玻璃容易受到石墨粉塵的污染；升溫速度太快會導(dǎo)致玻璃內(nèi)部顆粒因?yàn)槭軣岵痪鶆蚨w濺或者沿芯柱表面爬桿。同時(shí)，如果封接爐網(wǎng)帶速度過快，也就是升溫速度過快、保溫時(shí)間不夠，封接溫度過高、冷卻速度過快也會導(dǎo)致炸裂產(chǎn)生。

保溫時(shí)間主要是根據(jù)組件大小和多少來確定，一般只要保證每個(gè)元件的溫度都達(dá)到封接溫度即可。而且在封接過程中，若長時(shí)間持續(xù)高溫或溫度偏高，會使玻璃產(chǎn)生分相和二次結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致玻璃內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻，從而改變了玻璃的固有屬性[2]；玻璃二次再結(jié)晶后，內(nèi)部部分晶粒異常長大，晶粒界面上產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致最終炸裂。同時(shí)，封接前各配件的應(yīng)力釋放不夠徹底，封接后隨著應(yīng)力的不斷釋放，也會產(chǎn)生細(xì)微裂紋。

在降溫階段，降溫速度是根據(jù)玻璃-金屬封接過程中的物理化學(xué)特性來確定的。根據(jù)理論，玻璃在高溫熔化過程中持續(xù)時(shí)間的長短直接影響玻璃絕緣子的性能。玻璃在其軟化點(diǎn)以上的溫度范圍持續(xù)較長時(shí)間，玻璃體內(nèi)易產(chǎn)生局部晶粒異常長大現(xiàn)象，使得玻璃內(nèi)部存在難以消除的晶間應(yīng)力，導(dǎo)致最終封接后產(chǎn)生裂紋。所以玻璃與金屬封接過程完成后應(yīng)立即降溫至玻璃軟化溫度點(diǎn)以下。

當(dāng)溫度迅速降至比軟化點(diǎn)溫度低80～100 ℃左右的時(shí)候，保溫10 min后再緩慢降溫，這樣就比較符合玻璃和金屬封接的物理化學(xué)特性，能夠有效消除應(yīng)力，同時(shí)防止微量玻璃析晶。由于封接后玻璃絕緣子冷卻速度比較快（相對于玻璃絕緣子去除應(yīng)力的降溫速度），玻璃與金屬封接處有較大不均勻的應(yīng)力。這種應(yīng)力的存在會使玻璃絕緣子機(jī)械強(qiáng)度大大下降。此應(yīng)力很容易引起芯柱給玻璃施加外力，使玻璃炸裂。為了進(jìn)一步減少玻璃內(nèi)部不均勻應(yīng)力，必須對金屬零件及時(shí)進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，將殘余應(yīng)力徹底消除，其具體操作工藝過程如圖6所示。

圖6 退火工藝曲線

將封接件放入常溫退火爐中，隨爐升溫至去應(yīng)力溫度（一般選取金屬的退火溫度下限，同時(shí)注意不能高于玻璃的軟化點(diǎn)溫度），保溫一定時(shí)間（玻璃與金屬封接處應(yīng)力完全消失），再按照一定的降溫速度冷卻至常溫。即使金屬對玻璃還存在一定的壓應(yīng)力，但這種壓應(yīng)力也是有一定均勻梯度的，能夠抵消掉容易使玻璃絕緣子炸裂的外加拉應(yīng)力，這也是利用玻璃的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度的特性（DM-305玻璃的抗壓強(qiáng)度為108 kg·mm-2，而抗拉強(qiáng)度只有7.7 kg·mm-2，二者相差15倍）來實(shí)現(xiàn)的。

4　 結(jié)論

（1）通過對“14針插件”進(jìn)行引入適合膨脹系數(shù)的中間玻璃，可使得非匹配封接轉(zhuǎn)化為匹配封接。（2）利用“過渡環(huán)封”工藝，通過選取合適的玻璃粉進(jìn)行封接，可以有效解決非匹配封接中的炸裂問題。（3）對封接元件進(jìn)行真空退火去應(yīng)力及潔凈處理，掌握好溫度和保溫時(shí)間，可使玻璃絕緣子的炸裂現(xiàn)象得到很大程度的改善和消除，是非常重要的封接輔助技巧。（4）對封接后的元器件進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，消除殘余應(yīng)力，保證絕緣子玻璃不會出現(xiàn)微裂紋。

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中圖分類號：TN305.94, TG113.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1681-1070（2015）06-0009-04

收稿日期：2015-2-2

*基金項(xiàng)目：西安市2014年工業(yè)發(fā)展專項(xiàng)（GYZX14-02-12）

作者簡介：

任利娜（1980—），女，陜西西安人，工程師，博士，研究方向?yàn)椴牧衔锢砼c化學(xué)。

Study on Multi-pin Glass-to-metal Seal by Transition Matching

REN Lina1, 2, ZHANG Jianxun1, JU He2
（1. School of materials Science & Engineering, Xi’an Jiao Tong University, Xi’an 710049, China; 2. Xi’an Taijin Industrial Electrochemical Technology Co. Ltd., Northwest Institute for Non-Ferrous Metal Research, Xi’an 710016, China）

Abstract:Cracks as the very bad defects always appear in the production and application of the 14-pin glassto-metal seal, and for the result, the comprehensive performance such as sealing strength, air-tightness, thermal stability and stamping resistance will be reduced and even the element scrapped cause of it. Combining with its design requirements for special conductive and air-tightness performance, unmatched expansion coefficient have been regarded as the main reason causing micro cracks. Transition ring glass-tometal technology have been used to reduce the expansion coefficient difference to get the matched glass-tometal seal and solve such common problem in multi-pin glass-to-meal seal components in the paper.

Key words:electron technology; un-matched seal; insulation resistance; transition ring-seal