低温封接用非结晶型铋硼酸盐玻璃焊料的制备

作     者：贺一峰 

作者单位：景德镇陶瓷大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李秀英

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：铋硼酸盐玻璃 真空玻璃 润湿性 化学稳定性 热性能 

摘      要：低熔点玻璃封接温度低、制备和封接工艺简单、封接效果好。随着世界各国对含铅封接材料使用的严格限制以及电子元器件向小型化和高精密化发展,要求研发具有低封接温度（T400℃）、高封接强度的无铅低熔点玻璃焊料。目前封接温度T400℃的玻璃焊料普遍存在玻璃形成能力较差、熔体冷却或封接过程中易析晶、焊料热膨胀系数普遍高于10×10/℃、不适合封接绝大多数无机非金属材料等方面的问题。本论文采用熔体冷却法,制备了高CuO含量的ZnO-CuO-BiO-BO（ZCBiB）和ZnO-CuO-BiO-BO-（AlO）-Si O（ZCBiBAS）体系玻璃。采用X射线衍射仪（XRD）、红外光谱仪（FIT-IR）、差热分析仪（DTA）和热膨胀仪研究了玻璃的结构和热性能;溶解速率法研究了玻璃的化学稳定性;纽扣烧结实验研究了玻璃在基片上的润湿性和封接温度;附着力测试法和十字交叉法研究了玻璃的封接强度。论文重点研究了BO/BiO比、CuO/BiO比和ZnO/CuO比对ZCBiB体系玻璃结构及性能（化学稳定性、热学性能、烧结性能、封接性能等）的影响;ZnO/BO比和AlO/Si O比对ZCBiBAS体系玻璃结构和性能的影响;筛选了综合性能良好的玻璃焊料,选择了部分焊料用于封接钢化玻璃、平板玻璃或95-AlO陶瓷,研究了封接件的封接强度。研究发现:（1）在ZnO-CuO-BiO-BO（ZCBiB）四元玻璃体系中,提高BO/BiO或CuO/BiO比使热膨胀系数（CTE）、密度（ρ）和摩尔体积（V）降低,封接温度（T）和起始结晶温度（T）明显提高,而对玻璃的化学稳定性影响较小。较高的CuO/ZnO比值对化学稳定性、ρ、V和T影响较小,但会导致热稳定性较低。该体系玻璃焊料的耐水性接近商用平板玻璃,T=375～480℃、α=（7.0～10.5）×10/℃。绝大多数焊料在平板玻璃基片上的润湿性好、封接过程中不析晶,属于非结晶型焊料。部分焊料的T400℃、α=（8.8～9.0）×10/℃,焊料与平板玻璃基片、钢化玻璃基片的附着力强,粘结强度满足封接真空玻璃的应用要求。（2）在ZCBiB四元玻璃体系的基础上,将BiO含量从～80 wt.%降低至～60wt.%并外掺少量Si O和AlO来降低成本、提高玻璃形成能力,制备了CuO和BiO分别固定为15 mol%和20 mol%的ZnO-CuO-BiO-BO-AlO-Si O（ZCBiBAS）玻璃体系。该体系玻璃在熔体冷却和封接过程中均不析晶,为非结晶型焊料;耐水性可与商用平板玻璃相媲美;封接温度Ts=445～490℃,热膨胀系数α=（6.5～8.2）×10/℃;封接温度下玻璃焊料在平板玻璃和氧化铝基片上的润湿性好。论文优取了Ts450℃、α=8.2×10/℃的焊料来封接平板玻璃;优选了Ts500℃、α=6.5×10/℃的焊料来封接纯度为95 wt.%的氧化铝陶瓷（95-AlO）。封接件的强度均能够满足应用要求,表明选取的玻璃焊料适用于封接平板玻璃、氧化铝等无机非金属材料。