[发明专利]一种电磁场辅助玻璃板与金属板的扩散连接装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁场辅助玻璃板与金属板的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

玻璃与金属的连接在微传感器与微执行器等微电子器件制造过程中具有很重要的作用，阳极键合广泛应用于玻璃板与金属板的连接过程中，但是阳极键合工艺要求玻璃板与金属板层叠在一起放置在两个平行的电极板中间，施加垂直于连接界面的电场，通过施加电场和温度场实现二者的连接。两个电极板的距离一般在毫米级，这样可以施加几百伏的电压实现键合。如果要将玻璃板与金属板以相互垂直的方式进行连接，就需要增大两个电极板的间距，电压也要成比例的增加，这样理论上就需要数十万伏的高压，同时电极板间距的增大将改变电极板之间的电场分布，进而影响连接过程，导致连接失败。此外，由于某些产品的形状特征，很难放置于平行的电极板之间，因此需要改变电极板的设置方式，这必然改变电场的分布，电场方向不在垂直于连接面。由于连接过程中离子是沿电场方向移动的，因此离子无法扩散移动至连接面，也无法实现连接。因此开发一种新的连接技术具有很重要的意义。

发明内容

本发明旨在提供一种电磁场辅助玻璃板与金属板的扩散连接装置及方法，通过施加电磁场与温度场实现玻璃板与金属板的垂直连接，将玻璃板的横截面同金属板连接起来，具有稳定、可靠和安全的特点。

本发明提供了一种电磁场辅助玻璃板与金属板的扩散连接装置，包括炉体，其特征在于：所述炉体底部设有加热板，第一电极板放置在加热板上方，所述金属板水平放置在第一电极板上方，金属板与第一电极板平行叠放在一起，金属板与竖直方向放置的玻璃板垂直相交，玻璃板与第二电极板平行叠放在一起，且第二电极板在侧压头的压力作用下与玻璃板紧密接触，玻璃板上方设有上压头对玻璃板施加垂直向下的轴向压力；第一电极板和第二电极板与高压直流电源连接，构成闭合回路；在炉体的周围缠绕线圈，通过低压直流电源对线圈进行供电产生磁场。

上述装置中，所述第一电极板和第二电极板分别平行于金属板和玻璃板并紧密接触，与玻璃板接触的第二电极板的高度为2-3mm，所述第二电极板底部距离金属板为0.5-1mm。

本发明提供了一种电磁场辅助玻璃板与金属板的扩散连接方法，采用上述的扩散连接装置，包括以下步骤：

（1）将玻璃板与金属板垂直放置，将第一电极板和第二电极板分别与金属板和玻璃板平行叠放在一起，对第二电极板施加水平方向压力使其紧密接触；

（2）通过上压头对玻璃板和金属板施加轴向压力，使其紧密接触，加热炉温到400-500℃，通过高压直流电源对金属板和玻璃板施加强电场，同时通过低压直流电源和缠绕在炉体周围的线圈施加平行磁场，连接过程中的工艺参数：高压电源电压400-1000V，通电时间1-10min，磁场强度0.5T，轴向压力0.5-1MPa，侧向压力0.1-0.3MPa；

（3）当电流值稳定时，关闭高压直流电源和低压直流电源，同时关闭加热电源，连接后的玻璃板和金属板随炉冷却至室温。

上述方法中，所述平行磁场的方向同时平行于金属板的平面和玻璃板的平面。

上述方法中，所述第二电极板受到的水平方向压力为0.1-0.3MPa，所述上压头对玻璃板施加的压力为0.5-1MPa。

上述方法中，被连接的玻璃板的成分为：2.0-5.0%Na₂O，1.5-3.6%B₂O₃，3.0-4.5%Al₂O₃，1.0-3.0%K₂O，其余为SiO₂，被连接金属板为可伐合金或不锈钢金属材料。

本发明提供的扩散连接方法，将玻璃板与金属板以相互垂直的方式放置于键合炉中，同时对玻璃板和金属板加热到一定温度后施加电场和磁场，在磁场、电场和温度场的联合作用下，玻璃基体中的碱金属氧化物发生电离分解，形成Na离子，K离子和O离子^-，其中各种离子在电场作用下加速移动，在没有磁场的情况下，O离子将沿电场方向的反方向移动，只有少量的O离子移动至玻璃板与金属板的连接界面处，如图2所示。施加磁场后，在磁场的作用下O离子的运动轨迹产生偏转，在电场力和磁场力达到平衡后，O离子将沿垂直于金属板的方向移动至金属板和玻璃板的界面处同金属板反应形成连接，如图3所示。Na离子和K离子在玻璃表面析出形成金属盐。反应过程的化学方程式为：

Na₂O→2Na⁺+O^2-