玻璃与金属的封接机理 从金属外壳的外形、几何尺寸、引线〔脚〕数以及引出形式，其中零件可谓五 花八门、成千上万种，但按其封接应力〔熔封型式〕而言，主要是匹配封接和失配 封接，究其封接机理将涉及到二个方面的问题： 1. 1 玻璃与金属的润湿〔浸润〕问题 1.1.1 润湿问题 这里所谓的润湿问题则是指玻璃与金属的结合力问题， 要想到达玻璃与金属的良好密封，就必需使两者有良好的润湿性。 玻璃与金属的润湿同液体对固体外表润湿的道理-样，即如水滴与物体接触 时常消灭的两种状况一种是水滴在荷叶上呈圆球形，其润湿角 B 接近 180 C 〔见图 1〕这种润湿明显是不好的；另一种是水滴落在木板上呈扁平形，其 B 角近似于 0°见图 2〕 ，这便是很好的润湿。 1. 1 . 2 氧化物结合学说 这种学说认为：玻璃是由多种氧化物所组成，在封接过程中，金属外表的氧 化物能熔人玻璃内，从而成为玻璃成分的一局部，由此获得良好地密封。但该学 说未能对高价氧化物能存在于玻璃成分中，并不能与玻璃做到很好的封接作出解 释，而电力结合学说则从金属氧化物属于离键晶体构造的观点动身对其作了相应 的解释。 1 . 3 电力结合学说 这种学说认为：金属外表形成低价氧化物时，金属内层价电子并不参与化合 作用，而形成高价氧化物时，金属内层价电子将参与化合作用。因此，金属氧化 物的离子半径大小是随金属化合价的凹凸而不同。 在高价氧化物时，由于金属离 子半径 小，被氧离子严密包围，使金属离子不能与玻璃中的正负离子很好地结合。 当形成低价氧化物时，由于金属离子和四周的氧离子之间形成较大空隙， 其电力 线可以延长 出来，与玻璃中的正负离子获得最大的结合力和最小的排斥力， 从而得到满足的封接〔见图 3〕。 润湿角与金属化合价间关系曲线； 金属外表形成高价氧化物时与玻璃的电力线结合关系图； 金属外表形成低价氧化物时与玻璃的电力线结合关系图； 金属外表没有被氧化时与玻璃电力线结合关系曲线。 由以上的分析告知我们，在金属外表形成低价氧化层才能获得玻璃与金属的 良好润湿效果。 1. 2 膨胀系数问题 这里所谓的膨胀系数问题则是指在熔封过程中［主要是室温至应变点〔Tg〕温 度范围内］玻璃与金属的膨胀系数应尽可能到达全都，原则上两者膨胀系数之差 “厶 0 应不大于 10 %,这时，便可获得最小的封接应力〔既无害应力〕，从而获得良 好的密封效果。鉴于玻璃能承受较大的压应力，因此，在设计外壳和选择材料时， 往往期望外层金属的膨胀系数略高于中间玻璃， 中间玻璃的膨胀系数略高于中心 金属〔引出线、管〕即遵循 a 外金中玻内金的原则。 在匹配封接中，常用的封接材料是 4J29 柯伐合金与钼组玻璃相封接 GBn97 中规定 4J29 合金的平均线 中规定 DM-305 的 a:48~50 X 10-7/C；规定 DM-308 的 a:47-49 X0-7 /C；有资料报导：当封接温度为 970 C 时，DM-305 的润湿角为 150，DM-308 的润湿角为 300。〔从玻璃强度耐热度及 TK-100 点来看，DM-308 玻璃略优于 DM-305 玻璃〕。 由以上的介绍告知我们，选择。系数的一般原则及匹配封接可获得无有害应 力 的高强度封接，有助于猎取良好的气密封接。 在失配封接中，对于 a 系数的选择原则是a 外金 a 中玻＜a 内金，应用的是 压缩封接原理即保证外部金属对中间玻璃产生较大的径向压应力 〔足以抵消内金属对中间玻璃所产生的径向拉应力 〕，最终保证 〔极易产生漏气部位 〕内金属与中间玻璃的封接处到达玻璃受到三向压应力， 从而提高气密性。 笔者在《半导体技 术》 1990 年 1 期发表了《压缩封接及其应力计算公式简介》一文，故不对失配 封接赘述。 与气密性相关的因素及留意事项 封接机理必需指导工艺，因此优选工艺、严格掌握工艺 〔包括原材料的掌握 〕 才能使封接件获得良好的润湿和最小的封接应力，从而保证其良好的气密性。 2．1 原材料必需严格检查掌握 2．1．1 原材料必需符合标准标准的规定 ① 的某种氧化物含量超出 有资料说明，在某批玻璃中 1. 4%，结果封接温度提 高了 100 C,封接质量照旧不好，因此严格材料的检查及批使用前的小样工艺试 验是必要的； ② 原材料的杂质含量必需严格控 制，有资料说明， 4J29 柯伐合金中钛含量到达 0. 1%时，既使合金中碳量在 0. 01%，封接时亦会产生有害的封接 〔密集串状〕 气泡。 2. 1 . 2 金属的外表状态应加以掌握 用于电子封接的金属材料其外表质量必需掌握。 ① 外表状态必需良好，不应有划痕、拉伤等缺陷； ② 外表粗糙度应有相应规定。 外表状态不好将影响玻璃与金属的润湿效果，并会导致产品气密性下降。 2. 2 优化工艺、严格工艺 2. 2. 1 金属的烧氧退火 ① 为了消退封接时在柯伐与玻璃界面处产生有害 〔密集串状 〕气泡，应在高温、湿氢中对金属零件进展去气、脱碳； ② 有资料介绍，经 1100 °CX15~30mi n 的处理后，金属中含碳量可降至 0.01 %， 封 接时极少消灭气泡； ③ 为了到达良好的脱碳、 去气作用，烧氢退火温度必需高于封接温度 30C~50C； ④ 柯伐合金在 1050 C 时，晶粒度会发生急骤长大，在以后的钎焊、电镀过程中 不仅会降低引线强度，亦会导致慢性漏气 〔晶粒度不宜低于 5 级〕 ； ⑤ 推举烧氢退火标准 1000 C ~1050 °CX20min〔可依据金属件的几何尺寸、外形 及模具构造对温度作适当调整 〕。 注：a.热处理后的金属件应妥当保存，且不应久放。 b.的石墨模具亦可承受退火标准上限温度在 N2 或 H2 中进展。 2. 2 金属的预氧化 封接时往往承受中性气氛 N2 或微复原气氛 N2+H2〔微量〕，为了到达玻璃与 金属的良好润湿，对金属必需进展预氧化处理。 ① 金属氧化物必需均匀致密； ② 氧化层必需与金属严密粘附； ③ 氧化层厚度应加以掌握； 氧化层不宜过厚，亦不能过薄，否则均可能导致漏气。 当氧化层太厚时，封接时氧化层不能完全渗入玻璃中，由此氧化层会形 成多孔路径 〔漏气源 〕，同样，过厚的氧化层易从柯伐基体上剥落，致使氧化层与 底金属分别，因此达不到润湿密封作用。 当氧化层过薄时，玻璃与柯伐封接时不行能有良好的润湿，不仅封接强 度差，亦将会在外力作用下，产生引线与玻璃封接处漏气。 c. 适当的氧化层厚度是 有资料介绍，柯伐合金最 200~800nm〔测厚法〕或 0. 03mg~0 . 07mg /cm2〔称重法〕。生产中多以氧化层的颜色推断，如规定为 兰色斗兰黑色 〔微复原或中性气氛是前提条件 〕。 ④ 推举预氧化标准：800 C x 10min〔空气或湿 N2 中〕。 封接温度 封接温度、时间、气氛俗称封接中的三要素，三者相辅相成，绝不行孤立对 待。一般对封接气氛承受中性氮气，亦有承受 N2+H2〔 微量〕的微复原气氛 〔笔者 认为，假设有 4 个 9 枯燥 N:气氛为宜〕。在固定气氛前提下，温度与时间对封接 而 言，温度又是主导方面。温度高点，时间可短点；温度低点，时间则可长点； 可依据产品构造，装配方式、几何尺寸而定，总之，要保证获得符合要求的良好 封接外观。但温度的凹凸亦是有限度的，一般以无封接外观废品为准，例如： ① 温度过低，玻璃的粘度大，则流淌性差，往往会产生漏洞、鼓坯、不平、 不光滑的外观 〔 当封接外形到达要求时则就不属温度偏低了 〕 ，同时亦会因温度 低、润湿性差而产生封接强度低，可能导致产品漏气； ② 温度过高，玻璃的流淌性好，易产生流玻〔扑玻〕、玻点〔珠〕同时亦会因温 度过高使玻璃、金属中释放出气体，而产生封接 〔串状 〕气泡，导致封接

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