金属与硼硅玻璃场致扩散连接形成机理

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1、第""卷第&期焊接学报2F?#""PF#&"%%!年1月80:P,:J8WIP,I)8X-JXWP:T-Y*WP9WP,8W8U8WIP:EHEBC"%%!"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""金属与硼硅玻璃场致扩散连接形成机理孟庆森!，"，俞萍!，张丽娜!，薛锦!（!#西安交通大学焊接研究所，西安$!%%&’；"#太原理工大学材料学院，太原%(%%"&）摘要：以固体电解质硼硅玻璃与单晶硅和铝的连接为例，研究了

2、玻璃—金属)*+连接过渡区的微观组织特征，分析了连接形成机理及主要工艺参数对连接过程的影响。提出了金属—氧化物过渡层—玻璃的接头结构形式及静电场条件下离子扩散及接合模型。测试采用,-.及超轻元素-*/、/0*；试验采用专用键接焊机；工艺参数电压&%%1%%!2，外压力%#%3!!.45，温度"3%&%%!6。研究认为，金属7玻璃的界面接合成因于玻璃中负氧离子的扩散及界面复合氧化物的沉积形成。电压、温度、外压力及试件表面状态均是离子迁移和接合的主要影响因素。过渡区柱状组织结构对接合强度具有重要意义。

3、关键词：玻璃；金属；场致扩散连接；过渡区中图分类号：89&3(#’文献标识码：:文章编号：%"3(;(<%/（"%%!）%&;<(;%(孟庆森%序言感器件。主要化学成分（质量分数，O）：,=I"<’，P5"I1#(，+"I((#3，:?"I((，N"I&，线膨胀系数（"%A场致扩散连接（)=>?@A5BB=BC>@*=DDEB=FG+FG@=GH，"%%6）$#(Q!%;<76，单晶硅作为一种半导体材料简称)*+）作为金属—陶瓷在静电场中固相热扩散主要用于集成电路基片，线膨胀系数$Q!%;<76。

4、连接的一种特殊方法，具有温度低、压力低、快速和试验材料切成"%!RRQ"%!RRQ"!RR薄片，将简便等工艺特点。适用于,IJ系统集成.I,器件、结合面研磨和机械抛光，表面粗糙度S!，丙酮超!R微型仪表、微传感器、燃料电池等微电子产品的组装声波清洗。将N&玻璃与硅片或铝片叠放并夹持于和连接，近年来受到有关学者的广泛关注，有许多关专用键接试验炉平台的正负电极之间，金属接正极于连接过程物理特征的研究报道［!&］，并针对微电子（图!）。试验温度"3%&%%!6，直流电压&%%1%%!机械加工（.-.,）

5、的需要研究和开发了)*+连接技2，压力%#%3!!.45，时间!%"%!R=G。试件焊完后术及设备用于微电子技术产品。目前，关于)*+的随炉冷却，冷速&!67R=G。研究仅限于实用材料及工艺流程，而对连接界面接合形成的物理化学特征，微观形态及其形成机理尚研究不足和认识不一致［(3］。此前的研究只强调连接过程的电化学现象，即界面区极化和离子导电特征，因而难以建立异种材料界面间在静电场条件下图!!"#试验装置示意图接合过程的基于物理化学基础之上的规律性认识，!$%&!’()*+,-$(./,0$1%2

6、3!"#-*4-改善工艺方法和扩大应用范围。焊接完成后用高强度胶将试件两侧粘接延伸本文以固体电解质硅玻璃（4KL>M）与单晶硅和棒，然后在T*;!%型电子拉伸试验机上测试连接铝的连接为试验对象，由分析)*+连接界面微观组强度，用N-2-/,U4-0*0V扫描电镜及超轻元素织特征及其影响因素入手，以期探讨该条件下的连分析能谱仪分析连接界面微观组织及微区成分分接形成机制。布，用0W9:NU*7.:/—"3%%/0*仪分析界面微区组织结构。!试验材料及方法N&玻璃（4KL>M）是一种具有快离子导体性质固

7、"连接区微观组织及其形成机制体电解质，常作为电子材料用于真空器件、仪表和传"#!连接区微观组织形貌特征收稿日期："%%!;%&;!1N&玻璃7金属连接区域的,-.、-*/及/0*微基金项目：西安交通大学国家重点学科建设基金资助项目。观分析表明，连接区域形成由氧化硅和氧化钠及氧

8、渡。过渡层宽度约,-#!，富集%（&*+）、()、’!$元素，区间元素点扫结果见表-。可明显看到异色的过渡区，./0%&接头在高倍率下可观察到由./玻璃向阳极方向平行生长的浅色柱状晶带，晶宽#1,-!!$，2射线衍射分析结果表明，该组织为()!’%&’（!图!)）；./0*+接头的深色过渡区宽约-#!!$，以平行于扩散方向的蠕虫状晶体组成，区内没有玻璃中的()!’晶团，234分析结果为*+!%&’,晶体（图!5）。表!界面微区元素点扫描（硅试件!铝试件）"#$%&!’%&(&)*+