石英玻璃与金属封接工艺的研究

4 第l2卷第1期 1093年 3月 内窖摄要；介绍了石英玻璃与金属封接的工艺。绪出了封接方法和一些实 结果。还介绍T 真空燕镀金属的工艺。 摄象系统 fI已经获得 主题词。 要塞 率一 ．在微弱紫外光和低照度 电视 为了满足微弱紫外光和低照度电视摄象系统的要求，现已研制了宽光谱紫外摄象管。但 是，摄象管的球面石英玻璃面板．必须直接而无过渡地与金属零件封接在一起。众既周知． 这是高难度非匹配封接．因为一般金属 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的膨胀系数约为石英膨胀系数的l5倍左右 ，两者 相差很大，不能采甩常规的封接方法和结构。为了实现石英玻璃面板与金属零件直接封接， 设计了精密结构，并采用特殊的封接工艺 使封接后的石英面板组件，能够经受制管工艺中 连续48h 300~C以上的烘烤和多次热冲击 而使整管气密性可靠，结构牢固。 一 、 右美金属化工艺 石英在还原性气氛中不能长时闯承受iQoo~C以上 的高温，否则会产生再结晶，使强度下 降．以 至于发生龟裂 。因此 ，石英的金属化不能采用象陶瓷那样用高温烧结 的方法。为了解 决这个 问题 ，曾先后试验了 低温金属化法”和 “铝酸锂 金 属 化 法”稚没有得到满意的结 果。后来．参考美国专利的石英金属化法 (US31 1 5957，USsz 02493，US3281 i 74一l 972) 并结合具体情况，经反复实验 摸索出一种工艺简单、金属化强度较高、在金属化过程中石 英面板只承受300~C～400℃的高温，而成品率高的新工艺——真空蒸徕石荚 金属化工艺。 1．原理 厦特 点 该工艺是将退火温度较高的钛、钼丝，在高真空的气氛下，以蒸气的形式凝聚在石英玻璃 表面上 ，获得一层以分子或原子状态排列 的，象电镀层一样 的金属化薄膜 由于钛的活性很 强 所以钛的金属化层与石英牯接很牢固，而钼层覆盖在钛层的上面，形成一层导电层。因 金属化层非常薄．而钛与钼又是以分子或原子状态排列的．所以不必担心金属化层与石英的 膨胀系数相差很大，而使石英面板炸裂 ，也不会出现金属化层 与 石 英粘结不 牢而脱落的现 象。 ． ● ● 因衄 ，在金属化层上再电镀一层镍 ，便可同各种形式的金属零件封接 。 I 2．石英垃璃片的处理 ． 石英一碳化硅砂轮切割一3o2 金刚砂磨平一汽油去油一丙酮去油一氢氟酸中泡 l min一 自来水冲洗一酒精脱水一烘干． 1992年 9月15目收到，第一作者的邮政缟~210016 究 干 研 一 接 封 属 奇撕 金 王 英 石 维普资讯 http://www.cqvip.com 李朝术等 石英玻璃与金属封接工艺的研究 5 3．真空蒸涂 蒸沫采用普通真空镀膜机 ，机 内有两对 电极 ，一个底盘加热小电炉 ，一个低电压 、大电 流的调压器。利用底盘加热电炉，将石英件加热：~300~C～400℃，保温一段时问，待真空度 达到3．99×10 Pa以上，开始依次蒸涂金属。 (1)蒸涂纯钛 将钛的细丝绕在@2mm的两根钨丝上，然后固定在一对 电极上 ，通 电加热钛丝 ，使钛丝 蒸气化 ，样板电阻从。。到500oC~N可． 这里所指的样板电阻、是放在炉内用来控制蒸涂层厚度 的一块长为20mm、宽 为10mm、 厚为 2IIlIIl的玻璃片。片的两端各蒸上宽为 5mm的银层 ， 用锡纸包 上 ，再 用 两 个 铜 央 固 定，并引出两根导线，接在炉外的一个欧姆表上，如图 1所示 蒸沫前玻璃片是绝缘体，欧 姆表上的指示为o。。在蒸涂过程中金属蒸气逐渐凝聚在石英表面上 ，也同样凝聚在样板电阻 上。欧姆表的指针将由o。缓慢下降，当降到指定数值时，便迅速切断 电源 。用这种方法可相 对控制蒸涂层的厚度． (2)蒸铝 将 1．0～1．2mm的铝丝 3根固定在另一对 电极上，当蒸完钛后，迅速换挡，使钼 丝 通 电蒸发，当欧姆表指针由5000~降到30O以下时，便可切断电源。待冷却后，即可把石英件 取出。整个金属化过程约为 5～ 8min (3)镀镍 为了使焊料流散 良好 ，在金属化层上再电镀一层镍，厚度为 1～ 2 1TI。 选 用镍的另一 个原因是使镍和铝不形成合金． =、石英与塑性金属的封接 当在石英的表面获得金属化层以后，石英与金属的封接就变成了钎焊的问题。因为石英 的膨胀系数很低 ，没有任何一种金属毹 与它匹配，所以，石英与金属的封接是非匹配的。因 此，基金属的选择应是塑性 良好的．这样 ，金属的塑性变形就可以用来缓冲石英与金属膨胀 系数不一致而产生的应力。这里应当注意的是 ，选择的基金属不能与金属化层生成合金 ，否 则将破坏金属化层，增加基金属的非可塑性 ，使石英炸裂或降低封接件的热冲击性能。只有 银和锕是比较理想的塑性金属，并不和金属化层生成台金。 采用的银铜焊料为 (Ag·Cu=72：28)。由大量的封接结果表明，焊料过多，封接 件 的热冲击性能下降；焊料过少，不容易保证气密。通常采用厚度为0．1mill的银铜焊料片，约 占封接面的2／3较为适宜，夹封如图2所示。 将外径为4，20～40ram，厚度为3．O～3．51Elm的石英管切割，磨平 、清洗 ，用上述真空蒸 涂{盎金属化后，甩厚度为0．2～0．4ram的银片和无氧铜片作基金属。选用银铜焊料 (厚度为 0．1 IllI'D．．占封接面的2／3)，然后．把封接件放入真空炉中进行焊接。真空度为 4 X 10。Pa，升 温过程中、真空度不低于1．3x10～Pa，封接温度为80023，保温 1至 2 min。 封接的结果表 明．0．2 0．4into厚的银 、铜片与石英 的夹封结构 ，气密性均能达到漏气 速率Q≤10 0Pa·L／s．并能通过50023至室温 3～5次热冲击试验。 ’ 用应力仪观察封接件的应力，发现应力较大的、封口附近石英呈现橙黄色 ，并且随垒属厚 度的增加而增大。如果 ，将金属件封接前预先退火 ．封接后缓慢降温 ，则应力会相应减少 维普资讯 http://www.cqvip.com 真空与低温 第l2卷第1期 笔者将银和铜在相同条件下作了比较 ，发现银封接件的应力比钢封接件的应力要小些，这可 能是银 的塑性 比铜的塑性好一些的缘故。 图1 样 板电阻 1一银膜 } 2一铜夹 图 2 夹封示意图 此外，也曾做过以铜可伐和可伐为基金属的夹封试验 。封接结果不太理想，石英均在离 封 口1～ 2 1"111"11处断裂．其原因是铜可伐与 可伐 的塑性较羞，石英的抗剪强度又低的缘故． 由此可知 ，在夹封结构中 ，选择塑性 良好的基金属，是非常必要的． 三 石英与金属的预应力封接 石英在某些性能方面比其它介质材料具有明显的优越性 ，是宽紫外摄象管 ，超高频 电子 器件比较理想的能量输入输出窗材料。困膨胀系数很低，而一般电真空常用的金属，如铝， 可伐 、无氧铜等，膨胀系数比石英高十几倍以上 ，给石英与金属的窗封带来很大的困难． 1．预应 力封接 结构原理 石英具有较高的抗压强度(8000～10000k ／cm：)，但承受拉应力和剪切应 力 的能力 很差，约为抗压强度的1／；一1／to。就膨胀系数而言，石英的膨胀系数为0．54X 10～。可伐 (瓷封一号)的膨胀系数约为8．2X 10 (600℃)，是石英的十五倍左右．假定以银 铜 为 焊 料 ，采用滑配台的可伐与石英的窗封结构 ，封一个~50mm左右的窗， 那 么封接就可能出现 如下情况： 1)可伐的膨胀系数比石英犬，高温时间隙大．焊料填不满间隙，不能完成气密封接I 2)如果采用过量焊料，高温时填满封接闯隙，降温后在石英上产生很大的机械应力， 而使石英件炸裂 ； 3)即使该件封接成功．当试件受热冲击时，可伐和焊料层的膨胀比石英大，石英受很 大的张应力而炸裂。 所以，若想获得石英与可伐的理想封接，必须满足如下条件 t 1)要保证台适的焊料闻隙。以~53mm窗封为倒，直径间瞰为0．1—0．2ram为适宜·间 隙过大石英容易炸裂．间隙过小封接强度降低I 2)热冲击时，石英圆片应始终受径向压应力．而不受拉应力和剪切应力l 3)为了减少垂直方向的应力．应尽量减步垂直方向的焊缝．使石英和可伐的接触为线 性接触。如果石英片较厚．可以把石英片磨成倒角． 先计算可伐圆筒在8Oo℃时膨胀后的直径尺寸。以内径 为~53mm的可伐圆筒为倒。D为 8o0℃时可伐内径 ；r。为常温时可伐圆筒 内半径 ；‘o为温度8OO℃；K o为可伐8OO℃时的膨胀 维普资讯 http://www.cqvip.com 李朝木等 石英玻璃与金属封接工艺的研竞 7 系数。 D=2(r D+l oK Dr。)=53．34rJ]m 由上式可知，假定把石英在800℃时的膨胀值忽略不计，选取直径封接间隙为0．2ram， 那么 ，石英圆片应磨成寸，53．14ram才较为合适。按上述尺寸设计 ，焊料熔化之前 ，石 英 片 靠重物压力被压入可伐圆筒内，封接完毕后，降温时可伐便紧紧压在石英上，使石英主要受 径向压应力． 当封接件受500'~C热冲击时，可伐的膨胀值仍然在它的弹性限度之内，石 英与金属的封 接不会 出现炸裂和漏气的现象 2．石．英 窗片 的金属化 石英窗片的金属化 ，采用真空蒸涂金属化工艺。将石英片清洗后，装入炉内。为了增加 金属化的牢固性，先将石英片用铝丝预热 (使钼丝通电，而不让其蒸发 )，温度约为300X]一 400'~C，加热时间为3— 5rain即可。在金属化过程中，石英窗片要缓慢转动 ， 使侧面各 处蒸发均匀 。 蒸钛时样板电阻值应从∞至500Q左右 ，蒸铂时样板电阻值应从500Q到100左 右 。为了 增加焊料的流散性，在金属化层上再电镀一层薄的镍膜 ，厚度为 2 p．m左右 3．封接工 艺 窗封用的金属圆筒采用可伐 (瓷封 1号 )，制成内径为寸，53±0．04ram，厚度分 为0．3， 0．6mm两种，石英片磨成直径为毒53．tSm．m，，厚瘥为2—3133．133．， 并磨成倒角。先用银 铜 焊 料 (Ag：C11=72：28)，厚度为o．1in[1l，宽为6— mm围一周。然后，把封接件放入 真 空炉中，待真空度迷 4 x 10 Pa时开始升温，在升温中真空度不应当低于1．3 x 10-=Pa，封 接温度为800X]一820"C，保温 3 min。石英与可找封接．如图 3所示。装架前先将可伐筒的 端面做一个喇叭型倒角，将石英圆片预先压入1／2，然后放入炉内，在可伐 圆筒 上加 一 个 400F：,左右 的重物 石英玻璃面板与可伐封按成功的样品出炉后，焊料流散很好 ，检漏 后 漏 气速率 为 Q≤ 1 0 Pa·t,／s．经热冲击500"C至室温3— 5次，不炸不 漏，漏 气 速率 仍 然 保持 为Q≤ 1o Pa·L／s 为便于石英窗与可伐的封接设计 ，绘制了石英窗封预应力结构设计曲线 ，如 图 4所 示。 2 图8 石英宙与可伐封接示意图 图4 石薨窗预应力封接结构设计益线 1一可伐倚} 2一重托， B一导轨 ， 4一石英片} 5一银镯焊料， 6一垫圈 维普资讯 http://www.cqvip.com 真空与低温 Vacuum ＆ Cryogeni cs 第12卷第1期 1998年 3月 叶 高能离子辐照引起薄膜附着力的增 强及其界面物理化学效应 杨得 奎 范垂 祯 (兰州物理研究所) TB；罗。 内窖摄耍，在核阻止本领为主的能区范围内(十到几百千电子伏 )．离子注八或轰击会引起 原子混合，以改善不同材料的界面之间的结台，这已为大家所熟知。近年来发现，高能离子辐照 在电子阻止本领为主的条件下，同样能够改善材料界面之间的结台强度·由于电子阻止作用诱发 的界面结合强度变化的机理与核阻止作用不同，对此现象的研究不仅涉及核物理基础，材料科学、 表面与界面物理化学等学科的广泛问题．而且对提高薄膜的可靠性，寿命，开拓薄膜的应用领域 具有重要的实际价值。讨论了近年来高能离子辐照引起界面物理化学变化的实验、理论研究的结 果和进展· ，， 、／／ ． 7 主墨饵。薄厦、附着力、高能离子、辐照。 奇1口 ~，、 、 、_— ～ 异种材料之 间粘接是一个古老的问题 ，对 大块材料界面之间的粘接 多采用粘接剂，即加 入第三种材料。随着工业技术的发展，薄膜材料越来越引起人们的重视。而薄膜与基底材料之 间的结合强度是关键性能参考数之一。在这种情况下，采用上述粘接剂往往是行不通的 近 二十多年来随着薄膜科学技术的发展．人们在改善薄膜附着力方面进行了广泛的研究 一般 来说．提高薄膜与基底之问的附着力的途径大致分为以下几种I (1)在薄膜与基底之间填 加过渡薄膜层 ．如在氧化铝上镀Au膜时．先在氧化铝表面上沉积一层cr或NiCr合金．再镀 Au膜 (2)将基底表面进行专门处理。如化学清洗、能量离子轰击清 洗 、等 离子体刻蚀 等 需要强词的一点是 ．基底表面的清洁处理总的来说对提高薄膜的附着力有明显的作用 1992年 9月27日收到，作者 的邮政编码730000 由图4可直接读出预应力结构设计时所需要的石英片的附加尺寸 图4中虚线表示对应于不 同直径的金属件在800~C时的实际尺寸 ；实线为考虑高温下的焊料间隙，石 英 片 直 径 应 附 加的尺寸 例如 ，金属圆筒内径为~50mm的窗封结构 ．石英片的附加尺寸从图上可查为0．1 3ram． 所以 ．石英片的实际加工尺寸应为50ram4-O．13mm=50．13mm．本曲线只适用于可伐 1号。 而在~30mm以下的窗封结构不必采用预出力封接结构 采用滑配合即可。笔者 封接过~25mm 和 9 mm的石英与可伐 的窗封 ．均采用滑配合，获得了 成功 的封 接 。 其 漏 气 速率为Q≤ 10 。Pa·L／s．经热冲击500~C至室温3— 5次，不炸不漏，漏气速率仍然保持沩 Q≤10 。Pa · L／s。 石英与可伐 l号的封接，用蒸涂金属化预应力封接结构有很高的成品率 维普资讯 http://www.cqvip.com