CN102976635B - 一种玻璃与铜或铜合金连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种玻璃与铜或铜合金连接方法，它涉及连接玻璃与铜或铜合金的软钎焊连接方法，它要解决现有玻璃与金属的连接方法工艺复杂，连接温度高和接头质量低的问题。连接方法：一、铜或铜合金放入丙酮中清洗后再用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后烘干；二、打磨后的玻璃基片放入丙酮清洗后再用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后采用离子束轰击，在玻璃基片上先蒸镀Cr薄膜，再蒸镀Cu薄膜；三、低温钎料放入丙酮清洗，再用无水乙醇和去离子水清洗，吹干；四、配制松香氯化锌基钎剂；五、利用石墨板组装焊接工件；六、焊接工件放入加热设备钎焊。本发明连接温度较低，工艺简单，得到的接头质量高。本发明应用于玻璃与金属的钎焊。
Description
技术领域
本发明涉及一种连接玻璃与铜或铜合金的软钎焊连接方法。
背景技术
玻璃与金属进行连接己广泛应用于传感器的装配、密封及包装。与硅压电传感器相比，玻璃与金属连接后制成的压力传感器可应用于严酷的工作环境。与塑料密封连接器相比，玻璃与金属连接而成的连接器具有较好的机械强度、耐高温性和良好的密封性，满足在航天***工程和战略战术武器***火工品中对连接器的高精度、高可靠性的要求。玻璃为无机非金属材料，主要为离子键和共价键结构，具有非常稳定的电子配对和化学稳定性，与金属有本质的不同，故在玻璃与金属的连接上存在较大困难。目前，玻璃与金属的主要连接方法有：钎焊、扩散焊、熔封及阳极键合。真空扩散焊接可以获得金属与玻璃的连接，但扩散焊工艺成本高且对焊件表面质量要求苛刻，较高的加热温度（>700℃）会在焊后接头中产生较大的残余应力，使接头力学性能不高，如专利号:200810243068.7，题目：玻璃与金属真空扩散焊接工艺。真空钎焊可获得质量较好的封接接头。但其该方法需要较高的真空度和专门的抗高温耐热夹具，工艺复杂且成本较高，如专利号:200910234678.5，题目：一种玻璃和金属真空钎焊工艺。熔封的方法连接玻璃和铁镍钴合金，工艺复杂，接头密封性不好，难以满足压电传感器中玻璃和金属连接接头质量要求，如专利号:200820124787.2，题目：一种玻璃-金属气密封接件。阳极键合的方法可在较高温度下实现连接硼硅玻璃和金属的连接，但是键合所需的电压高并要求加工试件的尺寸小，如专利号:201210145546.7，题目：基于静电键合的玻璃/硅/玻璃三层结构材料的制备方法。
发明内容
本发明目的是为了解决现有玻璃与金属的连接方法工艺复杂，连接温度高和接头质量低的问题，而提供一种玻璃与铜或铜合金连接方法。
本发明玻璃与铜或铜合金连接方法，是通过下列步骤实现：
一、将打磨后的铜或铜合金放入丙酮中超声清洗8～15min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后放入烘干箱中烘干，得到表面处理后的铜或铜合金；
二、打磨后的玻璃基片放入丙酮中超声清洗8～15min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后得到清洗后的玻璃基片，采用离子束轰击清洗后的玻璃基片3～5min，再在玻璃基片上先用电子束蒸镀厚度为250～350nm的Cr薄膜，再蒸镀厚度为700～900nm的Cu薄膜，得到镀膜后的玻璃基片；
三、将低温钎料放入丙酮中超声清洗8～15min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后得到清洗后的低温钎料；
四、将0.3～0.5g的氯化锌和0.5～0.7g的松香与8～12mL的酒精和2～4mL的乙二醇混合均匀，静置50～85min得到松香氯化锌基钎剂；
五、将步骤一得到的表面处理后的铜或铜合金放在下石墨板上，在表面处理后的铜或铜合金上对齐放置清洗后的低温钎料，然后在清洗后的低温钎料表面滴上步骤四得到的松香氯化锌基钎剂，使松香氯化锌基钎剂均匀覆盖在低温钎料表面，再对齐叠放上镀膜后的玻璃基片，用上石墨板压在镀膜后的玻璃基片的上表面，得到组装好的焊接工件；
六、把步骤五得到的组装好的焊接工件放置在加热设备中，随炉加热升温至90～110℃，保温8～12min，然后继续升温至135～145℃保温8～12min后随炉冷却，完成玻璃与铜或铜合金的连接；
其中步骤一所述的铜合金为黄铜、青铜或白铜；
步骤二所述的玻璃基片的材料为硫系玻璃、卤化物玻璃、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃；
步骤二所述的采用离子束轰击清洗后的玻璃基片时的离子源离子电压为90～110V，离子流为2.5～4A。
本发明玻璃与铜或铜合金连接方法采用软钎焊工艺实现了玻璃与铜及其合金的钎焊连接，焊接温度在140℃左右，连接温度较低，节约能耗，焊接过程所使用的夹具简单，所用的加热设备为钎焊常规设备，钎焊工艺易行，玻璃与铜及其合金的最大连接面积可达100×30mm2，得到的焊接接头的剪切强度为32MPa，显示出良好的接头质量。本发明主要应用于玻璃与金属的钎焊。
附图说明
图1是具体实施方式一玻璃与铜或铜合金的钎焊装配示意图，1-上石墨板，2-玻璃基片，3-低温钎料，4-铜或铜合金，5-下石墨板。
具体实施方式
具体实施方式一：（请参考附图1）本实施方式玻璃与铜或铜合金连接方法按下列步骤实施：
一、将打磨后的铜或铜合金放入丙酮中超声清洗8～15min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后放入烘干箱中烘干，得到表面处理后的铜或铜合金；
二、打磨后的玻璃基片放入丙酮中超声清洗8～15min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后得到清洗后的玻璃基片，采用离子束轰击清洗后的玻璃基片3～5min，再在玻璃基片上先用电子束蒸镀厚度为250～350nm的Cr薄膜，再蒸镀厚度为700～900nm的Cu薄膜，得到镀膜后的玻璃基片；
三、将低温钎料放入丙酮中超声清洗8～15min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后得到清洗后的低温钎料；
四、将0.3～0.5g的氯化锌和0.5～0.7g的松香与8～12mL的酒精和2～4mL的乙二醇混合均匀，静置50～85min得到松香氯化锌基钎剂；
五、将步骤一得到的表面处理后的铜或铜合金放在下石墨板上，在表面处理后的铜或铜合金上对齐放置清洗后的低温钎料，然后在清洗后的低温钎料表面滴上步骤四得到的松香氯化锌基钎剂，使松香氯化锌基钎剂均匀覆盖在低温钎料表面，再对齐叠放上镀膜后的玻璃基片，用上石墨板压在镀膜后的玻璃基片的上表面，得到组装好的焊接工件；
六、把步骤五得到的组装好的焊接工件放置在加热设备中，随炉加热升温至90～110℃，保温8～12min，然后继续升温至135～145℃保温8～12min后随炉冷却，完成玻璃与铜或铜合金的连接；
其中步骤一所述的铜合金为黄铜、青铜或白铜；
步骤二所述的玻璃基片的材料为硫系玻璃、卤化物玻璃、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃；
步骤二所述的采用离子束轰击清洗后的玻璃基片时的离子源离子电压为90～110V，离子流为2.5～4A。
本实施方式玻璃与铜及铜合金连接方法采用软钎焊工艺实现了玻璃与铜及其合金的钎焊连接，焊接温度在135～145℃，连接温度较低，所使用的铜或铜合金的材料可以为纯铜、黄铜、青铜或白铜，玻璃基片的材料可以为硫系玻璃、卤化物玻璃、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃，玻璃与铜或铜合金的应用范围广，钎焊所用的夹具简单，无需经过复杂加工。
本实施方式所采用的松香氯化锌基钎剂是为了清除熔融钎料和母材表面的氧化膜，并呈薄膜层均匀覆盖在钎焊金属表面，有效隔绝空气，减小表面张力，促进钎料的润湿和铺展。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一打磨后的铜或铜合金是用碳化硅水砂纸打磨，打磨过程是依次使用80#砂纸，240#碳化硅水砂纸，400#砂纸，600#砂纸，800#砂纸，1000#砂纸的顺序逐级打磨。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二打磨后的玻璃基片是使用#80碳化硅水砂纸打磨。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中的低温钎料是In-48wt%Sn共晶合金。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤六中的加热设备是马弗炉。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤六然后继续升温至140℃保温10min后随炉冷却.。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：（请参考附图1）本实施方式玻璃与铜连接方法按下列步骤实施：
一、将打磨后的纯铜放入丙酮中超声清洗10min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后放入烘干箱中烘干，得到表面处理后的纯铜；
二、打磨后的硫系玻璃基片放入丙酮中超声清洗10min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后得到清洗后的玻璃基片，采用离子束轰击清洗后的玻璃基片3min，再在玻璃基片上先用电子束蒸镀厚度为300nm的Cr薄膜，再蒸镀厚度为800nm的Cu薄膜，得到镀膜后的玻璃基片；
三、将低温钎料In-48wt%Sn共晶合金放入丙酮中超声清洗10min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后得到清洗后的低温钎料；
四、将0.35g的氯化锌和0.65g的松香与10mL的酒精和2.5mL的乙二醇混合均匀，静置60min得到松香氯化锌基钎剂；
五、将步骤一得到的表面处理后纯铜放在下石墨板上，在表面处理后的纯铜上对齐放置清洗后的低温钎料，然后在清洗后的低温钎料表面滴上步骤四得到的松香氯化锌基钎剂，使松香氯化锌基钎剂均匀覆盖在低温钎料表面，再对齐叠放上镀膜后的玻璃基片，用上石墨板压在镀膜后的玻璃基片的上表面，得到组装好的焊接工件；
六、把步骤五得到的组装好的焊接工件放置在加热设备中，随炉加热升温至100℃，保温10min，然后继续升温至140℃保温10min后随炉冷却，完成玻璃与铜的连接；
步骤二所述的采用离子束轰击清洗后的玻璃基片时的离子源离子电压为100V，离子流为3A。
本实施方式玻璃基片尺寸为10×10×3mm，纯铜片的尺寸为10×10×1mm，得到的焊接接头的剪切强度为32MPa。
本实施方式玻璃与铜的连接钎焊装配示意图如图1所示。
Claims (4)
1.一种玻璃与铜或铜合金连接方法，其特征在于玻璃与铜或铜合金连接方法是通过下列步骤实现：
一、将打磨后的铜或铜合金放入丙酮中超声清洗8～15min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后放入烘干箱中烘干，得到表面处理后的铜或铜合金；
二、打磨后的玻璃基片放入丙酮中超声清洗8～15min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后得到清洗后的玻璃基片，采用离子束轰击清洗后的玻璃基片3～5min，再在玻璃基片上先用电子束蒸镀厚度为250～350nm的Cr薄膜，再蒸镀厚度为700～900nm的Cu薄膜，得到镀膜后的玻璃基片；
三、将低温钎料放入丙酮中超声清洗8～15min，然后分别用无水乙醇和去离子水清洗，吹干后得到清洗后的低温钎料；
四、将0.3～0.5g的氯化锌和0.5～0.7g的松香与8～12mL的酒精和2～4mL的乙二醇混合均匀，静置50～85min得到松香氯化锌基钎剂；
五、将步骤一得到的表面处理后的铜或铜合金放在下石墨板上，在表面处理后的铜或铜合金上对齐放置清洗后的低温钎料，然后在清洗后的低温钎料表面滴上步骤四得到的松香氯化锌基钎剂，使松香氯化锌基钎剂均匀覆盖在低温钎料表面，再对齐叠放上镀膜后的玻璃基片，用上石墨板压在镀膜后的玻璃基片的上表面，得到组装好的焊接工件；
六、把步骤五得到的组装好的焊接工件放置在加热设备中，随炉加热升温至90～110℃，保温8～12min，然后继续升温至135～145℃保温8～12min后随炉冷却，完成玻璃与铜或铜合金的连接；
其中步骤一所述的铜合金为黄铜、青铜或白铜；
步骤二所述的玻璃基片的材料为硫系玻璃、卤化物玻璃、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃；
步骤二所述的采用离子束轰击清洗后的玻璃基片时的离子源离子电压为90～110V，离子流为2.5～4A；
步骤二打磨后的玻璃基片是使用#80碳化硅水砂纸打磨；步骤三中的低温钎料是In-48wt％Sn共晶合金。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃与铜或铜合金连接方法，其特征在于步骤一打磨后的铜或铜合金是用碳化硅水砂纸打磨，打磨过程是依次使用80#砂纸，240#碳化硅水砂纸，400#砂纸，600#砂纸，800#砂纸，1000#砂纸的顺序逐级打磨。
3.根据权利要求1所述的一种玻璃与铜或铜合金连接方法，其特征在于步骤六中的加热设备是马弗炉。
4.根据权利要求3所述的一种玻璃与铜或铜合金连接方法，其特征在于步骤六然后继续升温至140℃保温10min后随炉冷却。
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