玻璃金属多针封接件的过渡环封研究*

任利娜，张建勋，鞠 鹤（. 西安交通大学材料科学与工程学院，西安 70049；. 西北有色金属研究院西安泰金工业电化学技术有限公司，西安 7006）

玻璃金属多针封接件的过渡环封研究*

任利娜1, 2，张建勋1，鞠 鹤2
（1. 西安交通大学材料科学与工程学院，西安 710049；
2. 西北有色金属研究院西安泰金工业电化学技术有限公司，西安 710016）

摘 要：“14针密排”玻璃-金属封接件在生产及应用过程中常会出现玻璃炸裂，继而引起元件封接强度、气密性、热稳定性及耐冲压性等综合性能降低甚至报废。结合其特殊的导电性能和气密性设计要求，分析认为玻璃产生微裂纹的原因是封接元件膨胀系数不相匹配。利用“环封”工艺逐级过渡玻璃和金属之间的膨胀系数差异，同时结合玻璃抗压不抗拉的特性，达到“匹配封接”，彻底解决普遍存在于该类元器件中的致命问题。

关键词：玻璃-金属封接；匹配封接；非匹配封接；过渡环封

1　引言

玻璃-金属封接技术是一门既与材料科学有关，又与机械设计、结构力学等有关的交叉学科[1～3]，具有密封性能优良、可靠性高、使用寿命长以及较好的机械稳定性等优点，因而被广泛应用于电子元器件、半导体器件、密封继电器等军用、民用以及航空领域。军用微电子器件的封装广泛采用玻璃与金属或陶瓷外壳实现气密封接，其中金属外壳大都采用柯伐（Kovar）合金作为引线和基座的材料。该类封接利用玻璃与金属的氧化膜相互浸润结合来实现匹配封接[2]，最大的优点就是气密性和可靠性高，但是存在柯伐合金价格昂贵、加工困难、低导磁高电阻及焊接和耐腐蚀性能较差的缺点[2]。实际生产中，由于应用场合和要求的不同，常常会出现用于高压、高机械应力和高温度应力场合的非匹配封接件。这种封接方式得以广泛采用的最大优点在于，用碳钢/纯Fe基座来代替Kovar基座，在降低价格的同时，易加工、焊接和抗蚀性能等得到很大程度的提高。但是基座采用此类材料也出现新的问题，即与Kovar引线及硅硼玻璃的膨胀系数差异引起的非匹配封接。如果工艺处理不当，由膨胀系数相差较大导致的微裂会使这类产品的气密性和强度等基本性能难以保证[2]。与此同时，非匹配封接优良的综合性使其越来越受到重视。“压力封接”作为非匹配封接的一种，越来越多地应用于电子元器件封接中。因此，通过了解玻璃和金属在封接过程中的特性及应力影响因素来调整封接工艺对解决非匹配封接中出现的问题非常重要。

本文涉及的“14针密排”结构玻璃封接插件是目前航天等军工高科技领域应用较多的一个基板与多个芯柱密排分布的典型，由SPCC碳钢基座、4J29芯柱以及玻璃坯构成。针对最初厂家设计的封接工艺中出现的炸裂问题，利用“玻璃抗压不抗拉”的特性，采用新型方法对材料进行封接前处理和对封接工艺进行优化调整，有效解决了炸裂问题。

2　实验方法

2.1实验材料

实验所用的材料有石墨模具、SPCC基板、4J29芯柱及DM-305钼组玻璃坯，主要零部件如图1所示。

图1 封接材料示意图

2.2实验方法

首先，将试验所用的封接材料SPCC基板、4J29芯柱及DM-305玻璃坯在石墨模具中装配，然后放入N2气保护的网带炉中经1 020 ℃高温熔封，得到如图2所示的“14针玻璃-金属封接产品”。实验分两组进行，其工艺流程分别如图3和图4所示。实验1选用厂家提供的DM305玻璃坯进行常规熔封，如图3所示。

图2 14针型插件玻璃-金属封接示意图

图3 基本封接工艺流程图

图4 过渡环封工艺流程图

实验2选用两种膨胀系数为α玻1和α玻2的玻璃粉（α4J29芯柱＜α玻2＜α玻1＜αSPCC基板），制成玻璃坯，并经过特殊工艺流程进行封接实验。

3　结果及讨论

对比实验结果发现，实验1封接后处于内部比较密集的封接孔附近出现以芯柱为中心呈放射状炸裂的微裂纹和沿金属呈环状的微裂纹。而采用新型封接工艺的实验2，能够有效防止封接玻璃中出现微裂甚至炸裂的出现。

3.1封接过程中出现炸裂的原因分析

实验1的封接工艺属于一般的封接方法，出现炸裂的原因有：封接玻璃与金属元件膨胀系数不匹配；封接元件结构设计的原因导致应力过于集中，不能克服或缓冲玻璃中的应力。

3.1.1 非匹配封接

非匹配封接是相对匹配封接而言的，所谓匹配封接是指玻璃的膨胀系数与被封接材料的膨胀系数相接近，通常两者间的膨胀系数差小于10%，应力可控制在安全范围内，不会引起封接件玻璃炸裂。非匹配封接是玻璃和金属件膨胀系数差大于10%，封接后玻璃中存在很大的应力。

实验1中所用的封接配件的膨胀系数分别为：在室温～300℃内，αSPCC基板=(12～13.5)×10-6℃-1、α4J29芯柱=4.7×10-6℃-1，α玻DM305=4.8×10-6℃-1。基板与封接玻璃之间的膨胀系数相差甚大，这是由于错误的压力封接设计导致的，存在很大的安全隐患。而芯柱与玻璃之间膨胀系数是正常匹配的，所以整体属于非匹配封接，元件之间膨胀系数的差异极易引起玻璃炸裂。

3.1.2 绝缘子玻璃炸裂原因分析

从以上对3种封接材料膨胀系数的分析以及对金属基座、芯柱及玻璃坯的生产和使用等各个环节进行跟踪分析，可以将导致玻璃绝缘子炸裂的因素归结为以下几点：

（1）膨胀系数差异较大导致的非匹配封接；（2）传统封接工艺中存在不合理制定；

（3）封接后，玻璃绝缘子中仍有残余应力；（4）基板上封接孔过于密集。

3.2预防玻璃绝缘子炸裂的方法——过渡环封

基于膨胀系数递级的思想，引入中间玻璃来减小封接元件之间的膨胀系数差异，同时结合合理的中间处理工艺，制定出过渡环封工艺流程为：玻璃粉牌号选择→制坯（根据基板、芯柱的尺寸计算玻璃坯重量）→确定大、小玻璃坯的壁厚→对材料进行退火预处理→选择合适的封接参数→选择高纯石磨模具→过渡封接。具体过程如图4所示。

3.2.1 两种玻璃粉的选择及制坯

由于SPCC基板材料膨胀系数较大，所以采取非匹配封接中的压缩封接，即玻璃的膨胀系数略小于基板膨胀系数，封接后基板对玻璃产生一个压应力。选择膨胀系数较大的铁封玻璃粉与SPCC碳钢封接，将αTF=(8.9～9.3)×10-6℃-1的玻璃粉制成外圈的大玻璃坯与基板封接。由于4J29芯柱的膨胀系数较小，故选择与之能够匹配封接的DM-305玻璃粉，具体膨胀系数为α玻=4.8×10-6℃-1，制成小玻璃坯与芯柱。实验发现，制成大、小玻璃坯的两种玻璃粉同属于钠铝硼硅氧化物玻璃粉，故在软化点以上温度能够很好地熔合在一起，TF玻璃粉和DM-305 恰好能够满足要求。

采用手动制坯机压制玻璃坯，玻璃坯的总重量可参考公式G=k(R孔-R柱)2×3.14×γ×σ来精确计算，其中G为玻璃坯总重量，R柱为基板孔半径，R柱为芯柱的半径，γ为玻璃密度，σ为基板厚度，k为修正系数（1～1.1）。

实验发现，大、小玻璃坯壁厚不能任意选取，否则也会影响最终封接效果。经过多组正交试验得出较为合理的结论：小玻璃坯的壁厚越小，越有利于大、小玻璃坯在高温封接中的熔合，对有效过渡为匹配封接越有利，同时也利于装配。本文所涉及的14针封接产品，小玻璃坯的厚度控制在0.2 mm以内最好。

3.2.2 金属材料的封接前处理

为了获得高气密封接，通常对金属材料要去应力退火和净化处理[2]。对SPCC基板和4J29芯柱在低温下进行真空去应力退火，目的在于：（1）消除机械加工应力；（2）消除加工硬化；（3）使金属材料内部组织均匀细化、稳定一致；（4）对金属表面进行脱碳处理；（5）去除金属在热加工过程中内部所吸附的气体；（6）进一步清洁金属元件。同时，真空净化能够有效去除4J29合金表面的有机杂质及H、S等有害元素[3]。为了达到上述目的，升温速度、退火温度、保温时间及冷却速度等热处理因素必须得到有效的控制。同时，SPCC基板和4J29芯柱在封接装配前还要用乙醇等分别进行清洗，保证金属表面清洁。

3.2.3 封接

将上述提到的封接元件按照要求进行预处理后，分别将SPCC基板、大玻璃坯、小玻璃坯及4J29芯柱按照顺序依次装配，放入网带炉进行“过渡环封”熔封，工艺曲线见图5。金属与玻璃封接的相关参数有封接温度、升温速度、保温时间及降温速度等。

封接温度是根据玻璃的软化温度来决定的，理论上要求玻璃的粘度应该在10-6～10-4Pa·s之间[2]。升温速度应该控制在6～10℃·min-1，不宜太快或者太慢。升温速度太慢会延长元件在炉膛内停留的时间，使得玻璃容易受到石墨粉尘的污染；升温速度太快会导致玻璃内部颗粒因为受热不均匀而飞溅或者沿芯柱表面爬杆。同时，如果封接炉网带速度过快，也就是升温速度过快、保温时间不够，封接温度过高、冷却速度过快也会导致炸裂产生。

保温时间主要是根据组件大小和多少来确定，一般只要保证每个元件的温度都达到封接温度即可。而且在封接过程中，若长时间持续高温或温度偏高，会使玻璃产生分相和二次结晶现象，导致玻璃内部组织结构不均匀，从而改变了玻璃的固有属性[2]；玻璃二次再结晶后，内部部分晶粒异常长大，晶粒界面上产生应力，导致最终炸裂。同时，封接前各配件的应力释放不够彻底，封接后随着应力的不断释放，也会产生细微裂纹。

在降温阶段，降温速度是根据玻璃-金属封接过程中的物理化学特性来确定的。根据理论，玻璃在高温熔化过程中持续时间的长短直接影响玻璃绝缘子的性能。玻璃在其软化点以上的温度范围持续较长时间，玻璃体内易产生局部晶粒异常长大现象，使得玻璃内部存在难以消除的晶间应力，导致最终封接后产生裂纹。所以玻璃与金属封接过程完成后应立即降温至玻璃软化温度点以下。

当温度迅速降至比软化点温度低80～100 ℃左右的时候，保温10 min后再缓慢降温，这样就比较符合玻璃和金属封接的物理化学特性，能够有效消除应力，同时防止微量玻璃析晶。由于封接后玻璃绝缘子冷却速度比较快（相对于玻璃绝缘子去除应力的降温速度），玻璃与金属封接处有较大不均匀的应力。这种应力的存在会使玻璃绝缘子机械强度大大下降。此应力很容易引起芯柱给玻璃施加外力，使玻璃炸裂。为了进一步减少玻璃内部不均匀应力，必须对金属零件及时进行去应力退火处理，将残余应力彻底消除，其具体操作工艺过程如图6所示。

图6 退火工艺曲线

将封接件放入常温退火炉中，随炉升温至去应力温度（一般选取金属的退火温度下限，同时注意不能高于玻璃的软化点温度），保温一定时间（玻璃与金属封接处应力完全消失），再按照一定的降温速度冷却至常温。即使金属对玻璃还存在一定的压应力，但这种压应力也是有一定均匀梯度的，能够抵消掉容易使玻璃绝缘子炸裂的外加拉应力，这也是利用玻璃的抗压强度远大于抗拉强度的特性（DM-305玻璃的抗压强度为108 kg·mm-2，而抗拉强度只有7.7 kg·mm-2，二者相差15倍）来实现的。

4　 结论

（1）通过对“14针插件”进行引入适合膨胀系数的中间玻璃，可使得非匹配封接转化为匹配封接。（2）利用“过渡环封”工艺，通过选取合适的玻璃粉进行封接，可以有效解决非匹配封接中的炸裂问题。（3）对封接元件进行真空退火去应力及洁净处理，掌握好温度和保温时间，可使玻璃绝缘子的炸裂现象得到很大程度的改善和消除，是非常重要的封接辅助技巧。（4）对封接后的元器件进行去应力退火处理，消除残余应力，保证绝缘子玻璃不会出现微裂纹。

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中图分类号：TN305.94, TG113.1

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2015）06-0009-04

收稿日期：2015-2-2

*基金项目：西安市2014年工业发展专项（GYZX14-02-12）

作者简介：

任利娜（1980—），女，陕西西安人，工程师，博士，研究方向为材料物理与化学。

Study on Multi-pin Glass-to-metal Seal by Transition Matching

REN Lina1, 2, ZHANG Jianxun1, JU He2
（1. School of materials Science & Engineering, Xi’an Jiao Tong University, Xi’an 710049, China; 2. Xi’an Taijin Industrial Electrochemical Technology Co. Ltd., Northwest Institute for Non-Ferrous Metal Research, Xi’an 710016, China）

Abstract:Cracks as the very bad defects always appear in the production and application of the 14-pin glassto-metal seal, and for the result, the comprehensive performance such as sealing strength, air-tightness, thermal stability and stamping resistance will be reduced and even the element scrapped cause of it. Combining with its design requirements for special conductive and air-tightness performance, unmatched expansion coefficient have been regarded as the main reason causing micro cracks. Transition ring glass-tometal technology have been used to reduce the expansion coefficient difference to get the matched glass-tometal seal and solve such common problem in multi-pin glass-to-meal seal components in the paper.

Key words:electron technology; un-matched seal; insulation resistance; transition ring-seal