玻璃表面润湿性及其与铜的低温连接

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玻璃材料具有较好的光学性质、抗氧化、耐磨、比重小等优点,是一种很好的光学材料。但玻璃材料脆性大,不耐热冲击,对应力和变形敏感,影响其光学性能。通过玻璃与金属的连接,利用金属好的导热性来减少玻璃的应力和变形是一种有效的手段。本文研究了玻璃表面金属化工艺及钎料在玻璃和镀层上的润湿,深入分析了不润湿和润湿机理,并在低温下实现玻璃与铜的钎焊连接。初步探究了电场作用下,玻璃与铜的钎焊,计算分析了键合机理。研究了工艺参数对接头界面组织和力学性能的影响,确定了最佳工艺参数。分析表明玻璃表面主要为SiO2、Na2O和CaO组成的非晶态结构。制备了与钎料相适应的松香基卤素软钎剂并分析了钎剂的作用机理。In-Sn钎料在各钎焊温度下均无法润湿玻璃表面,计算得出各温度下的钎料表面张力均大于玻璃的临界表面张力。喷砂粗化在玻璃面形成的―刻槽‖结构可以提高膜基机械锁合力,镀镍层结合力随施镀时间延长而下降,施镀50min时镀层与基体结合力最大。提高温度可以显著减少钎料在镀层上的润湿角,当温度为210℃时,润湿角最小为42.9°,低温时,镀层的溶解对润湿起主要作用;高温时,钎料扩散、镀层溶解及三相线处几何形貌变化共同起作用。Bi的加入可以细化钎料组织、降低钎料熔点,但增大熔程。当温度210℃,保温1min时,随着Bi的加入,钎料在镀层上润湿性下降,当Bi加入量为1.5wt%,润湿角提高到65.2°当钎焊温度190℃、保温时间5min时,玻璃/镀层/In-Sn/铜界面典型组织为:玻璃/Ni-P层/富P层/(Ni,Sn)28In72/Sn(s,s)/Sn(s,s)+Cu)3(In,Sn)/Cu)3(In,Sn)/铜。随着钎焊温度提高,玻璃侧界面形成富P层和(Ni,Sn)28In72金属间化合物层,温度较高时,玻璃侧界面会产生贯穿裂纹。采用电场辅助钎焊方法实现了铜与玻璃的连接,典型的接头界面结构为:Glass/β-Sn+(Sn-Al)共晶/Cu)6Sn5+Cu)3Sn/Cu。研究了连接机理,认为玻璃侧界面处发生镜像吸附形成新的≡Si-O-Sn和≡Si-O-Al化学键、氧化反应生成Al2O3和SnO,以及Al3+向玻璃网络结构中的扩散是形成有效连接的关键。随着温度和电压的提高,玻璃侧界面较平直无显著变化。接头抗剪强度均随电压和温度提高而增大,当键合温度400℃,键合电压1400V,保温时间10min时,接头的剪切强度最大为11.5MPa。断口分析表明,裂纹均从玻璃侧的钎料层启裂,然后向钎料内部扩展,最后断裂在铜侧的金属间化合物层,过程属于混合断裂。
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