[发明专利]一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置及方法，具体涉及一种在电场作用下进行的长玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置及方法，属于异种材料连接的技术领域。

背景技术

MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，已经广泛应用于医疗，汽车电子和军事等技术领域。玻璃与金属的键合是MEMS封装中最常用的一种技术，其中玻璃片与金属的可以通过阳极键合成功实现二者之间的连接。由于在阳极键合过程中离子是沿电场方向迁移实现界面连接的，所以要求电场方向垂直于键合面。传统的阳极键合一般要求玻璃厚度在毫米级，这样可以施加几百伏的电压实现键合，而对于一些长度在数十厘米的玻璃器件的键合理论上就需要施加数十万伏的高压，高压会影响传感器的性能，且操作难度增大。对于这种情况国内外普遍采用粘结技术来代替阳极键合技术，由于粘结剂的挥发对高真空度影响较大，且粘结件的稳定性和耐候性欠佳，因此无法满足MEMS器件对可靠性的要求，无法实现工业化生产。

发明内容

本发明旨在提供一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置及方法，提供一种长玻璃管与金属板扩散连接的方法，该方法通过电场与温度场的综合作用实现玻璃管与金属的扩散反应连接，具有稳定、可靠和高效的特点。

本发明提供了一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接装置，包括电源、玻璃管、金属板，其特征在于：所述电源为高压直流电源，电源两端分别连接上电极和下电极，上、下电极之间设有石墨模具，玻璃管嵌套在石墨模具中，玻璃管下端与金属板接触，金属板与下电极接触，石墨模具的顶部与上电极接触，上电极上端面设有压头，压头向下施加轴向压力。

上述装置中，所述石墨模具为带有环状孔的圆柱形石墨电极，圆柱形石墨电极的环状内孔的深度小于玻璃管的高度，圆柱形石墨电极的直径比玻璃管的直径大20-30mm，为了防止玻璃与石墨模具热膨胀系数的差异，环状孔的内径比玻璃管的内径小0.2mm，环状孔的外径比玻璃管的外径大0.2mm。

本发明提供了一种玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法，将玻璃管嵌套进带有环状孔的圆柱形石墨电极中，在电场和温度场的综合作用下，玻璃基体中的Li₂O和K₂O电离分解，形成Li⁺，K⁺和O^2-，O^2-沿电场方向快速迁移至玻璃和金属的界面同金属反应形成连接，Li⁺ 和K⁺沿电场方向向相反的方向移动在玻璃表面析出形成金属盐。

上述方法包括以下步骤：将玻璃管嵌套到带有环状孔的圆柱石墨电极中，将金属板叠放在玻璃管的另一端，然后将其放置到键合炉中的下电极和上电极之间，并通过压头向试样施加轴向压力，接通加热电源将试样加热到300-500℃，在保温的同时对样品施加稳定的直流强电场促进扩散连接的发生，随后关闭高压直流电源和加热电源，键合完毕后试样随炉冷却至室温。实验过程中采取的工艺参数为：电场300-800V，通电时间1-5min，压力0.5-1MPa。

所述玻璃管中含有Li₂O和K₂O，Li₂O含量为2-7%，K₂O含量为1-4%，所述金属板为Ti板、Al板、可伐合金板或者是具有金属特性的Si板。

进一步地，所述玻璃管的成分为：5.2% Li₂O， 3.6% B₂O₃， 3.2% Al₂O₃，2%K₂O，其余为 SiO₂。

上述玻璃管与金属板的电场辅助扩散连接方法，所述的反应扩散连接是在电场作用下，玻璃基体中碱金属氧化物电离分解，其中O^2-同金属板反应形成连接，反应过程的化学方程式为：

Li₂O→2Li⁺+O^2-

K₂O→2K⁺+O^2-

xM+ yO^2-→MxO_y