可伐合金在模拟n2h2o气氛下氧化对封接的影响

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1、可伐合金在模拟N2/H2O气氛下氧化对封接的影响罗大为冷文波沈卓身北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083（2007-05-21被收录）摘要：研究了可伐合金在模拟现场气氛下氧化对可伐合金-玻璃封接的影响。将可伐合金底盘和引线在1000℃下露点分别为0℃，10℃和20℃的N2气氛中进行不同时间的氧化，可伐合金表面会产生Fe2O3和Fe3O4两种氧化产物，并且随着露点和氧化时间的增加，所生成的Fe2O3的数量相应增多。再将氧化膜与硅硼硬玻璃在1030℃下加热20min进行熔封。实验结果表明：氧化产物的类型和数量会直接影响

2、封接的质量。随着氧化产物的增加，玻璃绝缘子上的气泡会更加严重，玻璃沿引线的爬坡高度也随之增加，并且，熔融玻璃液对可伐合金引线的腐蚀也将会由整体向局部发展。关键词：可伐合金；氧化；封接；玻璃；电子封装1引言由于可伐合金在0-400℃下的热膨胀系数与硅硼硬玻璃非常相近[1]，可伐合金被广泛应用于电子封装的玻璃-金属的封接中。而合金本身并不能与玻璃封接，因此玻璃与金属的封接实际上是通过熔融玻璃与可伐合金表面的氧化膜来进行的。合金底盘和引线要首先在湿氢气氛中脱碳和除气，然后在低氧化气氛中预氧化，最后在惰性气氛中与玻璃微珠进行封接[2

3、-4]。已有实验研究了可伐合金在1000℃N2气氛模拟现场下露点分别为0℃，10℃和20℃时的氧化行为。结果显示可伐合金表面的氧化产物除了Fe3O4外还有Fe2O3，并且在低露点和长氧化时间条件下α-Fe2O3的数量甚至会超过Fe3O4[5]。作者研究了在同一封接过程中可伐合金底盘和引线在上述条件下氧化对可伐合金-硅硼玻璃封接质量的影响。结果发现封接质量基本取决于可伐合金表面氧化物的类型和数量，它们能显著增加电子封装的可靠性。2实验2.1实验试样某厂生产的HD-10平底双列金属封装用可伐合金底盘，主要成分ω(Ni)为29%，

4、ω(Co)为18%，其余为Fe；尺寸为30mm×15mm×1mm，Ф0.45mm可伐合金引线，封接玻璃为BH-G/K高硅硼玻璃熟坯。2.2实验过程先将可伐合金底盘和引线在1050℃，从室温下（约25℃）饱和水蒸气中通过的N2气氛下进行脱碳处理。再将可伐合金底盘和引线在1000℃，露点分别为0℃，10℃和20℃的N2气氛下，分别氧化5，10，15，30，45和60min，并且这18组实验中每个实验都有4个相同的试样。将氧化后的底盘、引线和预成型的玻璃微珠在石墨舟里装架后在DSL-8型带式炉中进行熔封，高温区温度为1030℃，带

5、速为30mm·min-1，因此石墨舟在高温区保温时间约为20min。采用ZQJ-230-E型氦质谱检漏仪检测封接的密封性。采用SEM观察封接的截面。在WDS-5型微机控制电子万能试验机上测定将引线从底盘封接区拉出所需的拉力，并通过SEM观察引线的表面。3实验结果与讨论3.1密封性试验试验结果表明：封接件电镀镍前、电镀镍后以及在0.83N的载荷下进行引线弯曲三次试验后的漏气速率均低于1.0×10-9Pa·m3·s-1。其中，在氧化工艺为1000℃×5/15min×20℃(露点)、1000℃×5/15/30min×10℃(露点)

6、或1000℃×5min×0℃(露点)时，能获得较好的氧化效果。这些结果与以前的研究结果[6-8]非常相近。3.2封接截面的形貌分析3.2.1玻璃绝缘子上的气泡图1中显示了可伐合金底盘和引线在1000℃，露点为20℃的N2气氛下分别氧化不同的时间后与硅硼玻璃封接得到的各个封接件的截面形貌。在引线和底盘之间的玻璃绝缘子上有许多不同大小的球状物质，通过EDS能谱分析，这些球状物质没有任何特征，意味着它们就是气泡。从图1中可以看出，随着氧化时间的延长，气泡的大小也相应增大。Notis[9]认为气泡的主要成分是CO和CO2，且其主要来

7、源于可伐合金中的碳元素。但实验中所有的可伐合金底盘和引线都在同一环境中经过了脱碳、氧化和熔封，它们唯一不同的就是氧化的时间。而不同的氧化时间导致氧化物类型和数量的不同[5]，因此，玻璃绝缘子上气泡的不同应该是由氧化物的类型和数量造成的，具体的结构在下文中会公布出。比较各幅图气泡的情况，可以得出：当可伐合金在1000℃，露点为10℃或0℃的N2气氛下氧化时，露点越低，气泡越小。图1可伐合金底盘和引线先在1000℃，露点为20℃的N2气氛下氧化，时间分别为：(a)5min，(b)10min,(c)15min,(d)30min,(

8、e)45min,(f)60min,然后与玻璃进行熔封后得到的封接件的截面形貌3.2.2玻璃沿引线的爬坡高度图1显示了玻璃沿引线的爬坡高度，图2显示了爬坡高度与氧化时间的关系。从图2中可以看出：保持N2露点不变，随着氧化时间的增加，玻璃沿引线的爬坡高度相应增加；保持氧化时间不变，随着露点的降