CN104692676B - 一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置及方法，属于异种材料连接的技术领域，其特征是将玻璃嵌套进环状的石墨模具内，通过石墨模具改变电场的分布方式，使得电场集中施加在玻璃的底部，同时将传统玻璃中的Na2O替换为Li2O，通过高温和高压电场促使玻璃基体中碱金属氧化物电离分解迁移，提高了键合界面的反应速度和化学键的密度，有利于提高连接界面的强度。实现了长玻璃管与金属板的连接，为复杂电子器件的设计提供了技术支持。

Description

一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置及方法
技术领域
本发明涉及一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置及方法，具体涉及一种在电场作用下进行的长玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置及方法，属于异种材料连接的技术领域。
背景技术
MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，已经广泛应用于医疗，汽车电子和军事等技术领域。玻璃与金属的键合是MEMS封装中最常用的一种技术，其中玻璃片与金属的可以通过阳极键合成功实现二者之间的连接。由于在阳极键合过程中离子是沿电场方向迁移实现界面连接的，所以要求电场方向垂直于键合面。传统的阳极键合一般要求玻璃厚度在毫米级，这样可以施加几百伏的电压实现键合，而对于一些长度在数十厘米的玻璃器件的键合理论上就需要施加数十万伏的高压，高压会影响传感器的性能，且操作难度增大。对于这种情况国内外普遍采用粘结技术来代替阳极键合技术，由于粘结剂的挥发对高真空度影响较大，且粘结件的稳定性和耐候性欠佳，因此无法满足MEMS器件对可靠性的要求，无法实现工业化生产。
发明内容
本发明旨在提供一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置及方法，提供一种长玻璃管与金属板扩散连接的方法，该方法通过电场与温度场的综合作用实现玻璃管与金属的扩散反应连接，具有稳定、可靠和高效的特点。
本发明提供了一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置，包括电源、玻璃管、金属板，其特征在于：所述电源为高压直流电源，电源两端分别连接上电极和下电极，上、下电极之间设有石墨模具，玻璃管嵌套在石墨模具中，玻璃管下端与金属板接触，金属板与下电极接触，石墨模具的顶部与上电极接触，上电极上端面设有压头，压头向下施加轴向压力。
上述装置中，所述石墨模具为带有环状孔的圆柱形石墨电极，圆柱形石墨电极的环状内孔的深度小于玻璃管的高度，圆柱形石墨电极的直径比玻璃管的直径大20-30mm，为了防止玻璃与石墨模具热膨胀系数的差异，环状孔的内径比玻璃管的内径小0.2mm，环状孔的外径比玻璃管的外径大0.2mm。
本发明提供了一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法，将玻璃管嵌套进带有环状孔的圆柱形石墨电极中，在电场和温度场的综合作用下，玻璃基体中的Li2O和K2O电离分解，形成Li+，K+和O2-，O2-沿电场方向快速迁移至玻璃和金属的界面同金属反应形成连接，Li+ 和K+沿电场方向向相反的方向移动在玻璃表面析出形成金属盐。
上述方法包括以下步骤：将玻璃管嵌套到带有环状孔的圆柱石墨电极中，将金属板叠放在玻璃管的另一端，然后将其放置到键合炉中的下电极和上电极之间，并通过压头向试样施加轴向压力，接通加热电源将试样加热到300-500℃，在保温的同时对样品施加稳定的直流强电场促进扩散连接的发生，随后关闭高压直流电源和加热电源，键合完毕后试样随炉冷却至室温。实验过程中采取的工艺参数为：电场300-800V，通电时间1-5min，压力0.5-1MPa。
所述玻璃管中含有Li2O和K2O，Li2O含量为2-7%，K2O含量为1-4%，所述金属板为Ti板、Al板、可伐合金板或者是具有金属特性的Si板。
进一步地，所述玻璃管的成分为：5.2% Li2O， 3.6% B2O3， 3.2% Al2O3，2%K2O，其余为 SiO2。
上述玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法，所述的反应扩散连接是在电场作用下，玻璃基体中碱金属氧化物电离分解，其中O2-同金属板反应形成连接，反应过程的化学方程式为：
Li2O→2Li++O2-
K2O→2K++O2-
xM+ yO2-→MxOy
M代表金属元素符号，MxOy代表金属氧化物。本发明玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法的特点在于，以Li2O代替传统玻璃中的Na2O，在连接过程中Li+ 的半径相对Na+要小，其迁移阻力相对较小，可以快速向阴极迁移，产生空位，减小了O2-向阳极处的界面迁移的阻力，促使大量的O2-快速的迁移到玻璃-金属界面，有利于提高连接界面的强度。
本发明提出的玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法，首次实现了玻璃管与金属的连接，其特点在于：
（1）向玻璃基体中添加Li2O取代原玻璃基体中的Na2O，利用Li+ 原子半径小的特点促进离子迁移的数量和速度，增大界面反应形成的化学键的密度。
（2）利用带有环状孔的圆柱石墨电极改变电场的分布形式，使得电场作用力集中施加在石墨模具与金属板之间，而嵌套进石墨内部的玻璃几乎不受电场作用。
（3）在连接界面形成了氧化物连接层，实现了玻璃与金属的化学连接，连接强度稳定可靠。
附图说明
图1为玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置的示意图。
1、下电极，2、上电极，3、金属板，4、玻璃管，5、石墨模具，6、压头，7、电源。
具体实施方式
如图1所示，一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置，包括电源7、玻璃管4、金属板3，其特征在于：所述电源7为高压直流电源，电源7两端分别连接上电极2和下电极1，上、下电极之间设有石墨模具5，玻璃管4嵌套在石墨模具5中，玻璃管4下端与金属板3接触，金属板3与下电极1接触，石墨模具5的顶部与上电极2接触，上电极2上端面设有压头6，压头6向下施加轴向压力。
所述石墨模具5为带有环状孔的圆柱形石墨电极，圆柱形石墨电极的环状内孔的深度小于玻璃管4的高度，圆柱形石墨电极的直径比玻璃管的直径大20-30mm，为了防止玻璃与石墨模具热膨胀系数的差异，环状孔的内径比玻璃管的内径小0.2mm，环状孔的外径比玻璃管的外径大0.2mm。
采用图1所示的装置实施玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接，下面通过实施例来进一步说明本发明的方法，但不局限于以下实施例。
实施例1：玻璃管-Ti的电场辅助扩散连接
Ti板厚度为1mm，玻璃管长度100mm，内外径分别为20mm和21mm，玻璃成分：5.2%Li2O， 3.6% B2O3， 3.2% Al2O3，2%K2O，其余为 SiO2，Ti板和玻璃的键合面经过打磨和抛光，表面粗糙度小于1μm，按图1所示方式将Ti板和嵌套在石墨中的玻璃管放置于电极之间的，加热使炉温升至400℃，打开高压直流电源，向样品施加800V的直流电压，保持5min后，同时关闭加热电源和高压直流电源，试样随炉冷却至室温。整个过程向样品施加单向压力1MPa，以保证键合界面能够紧密接触。
采用下述方法测试样品性能：在拉伸试验前要先用粗砂纸把金属片表面打磨使其粗糙化，再把加工好的铝棒通过粘附模具用AB胶粘在金属片的表面。玻璃管一侧，直接将铝棒***玻璃管，用AB胶水粘附好。将两侧的铝棒加持在拉伸试验机上进行拉伸试验测试，拉伸试验的加载速率为1mm/min。
测得键合后样品界面的拉伸强度为12MPa。
实施例2：玻璃管-Si的电场辅助扩散连接
Si板厚度为1mm，玻璃管长度150mm，内外径分别为20mm和21mm，玻璃成分：5.2%Li2O， 3.6% B2O3， 3.2% Al2O3，2%K2O，其余为 SiO2，Ti板和玻璃的键合面经过打磨和抛光，表面粗糙度小于1μm，按图1所示方式将Si板和嵌套在玻璃中的玻璃管放置于电极之间的，加热使炉温升至350℃，打开高压电源，向样品施加400V的电压，保持5min后，同时关闭加热电源和高压电源，试样随炉冷却至室温。整个过程向样品施加单向压力0.5MPa，以保证键合界面能够紧密接触。
采用实施例1的方法测试样品性能，测得键合后样品界面的拉伸强度为8MPa。

Claims (6)

1.一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置，包括电源、玻璃管、金属板，其特征在于：所述电源为高压直流电源，电源两端分别连接上电极和下电极，上、下电极之间设有石墨模具，玻璃管嵌套在石墨模具中，玻璃管下端与金属板接触，金属板与下电极接触，石墨模具的顶部与上电极接触，上电极上端面设有压头；所述石墨模具为带有环状孔的圆柱形石墨电极，圆柱形石墨电极的环状内孔的深度小于玻璃管的高度，圆柱形石墨电极的直径比玻璃管的直径大20-30mm，环状孔的内径比玻璃管的内径小0.2mm，环状孔的外径比玻璃管的外径大0.2mm。
2.一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法，采用权利要求1所述的装置实施，其特征在于：将玻璃管嵌套进带有环状孔的圆柱形石墨电极中，在电场和温度场的综合作用下，玻璃基体中的金属氧化物电离分解，形成金属离子和氧离子，氧离子沿电场方向快速迁移至玻璃和金属的界面同金属反应形成连接，金属离子沿电场方向向相反的方向移动在玻璃表面析出形成金属盐。
3.根据权利要求2所述的玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法，其特征在于：包括以下步骤：将玻璃管嵌套进石墨模具中，将金属板叠放在玻璃管的另一端，然后将试样放置在上电极和下电极之间，通过压头向试样施加轴向压力，接通加热电源将试样加热到300-500℃，保温；然后通过高压直流电源向样品施加高压，促进扩散连接的发生，随后关闭高压直流电源和加热电源，键合完毕后试样随炉冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法，其特征在于：连接过程中采取的工艺参数为：电压U=300-800V，高压直流电源通电时间t=1-5分钟，压力P=0.5-1MPa。
5.根据权利要求3所述的玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法，其特征在于：所述玻璃管中含有Li2O和K2O，Li2O含量：2-7%，K2O含量1-4%，所述金属板为Ti板、Al板、可伐合金板或者是具有金属特性的Si板。
6.根据权利要求5所述的玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法，其特征在于：所述玻璃管的成分为：5.2% Li2O， 3.6% B2O3， 3.2% Al2O3，2%K2O，其余为 SiO2。
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