金属与玻璃及陶瓷之间的阳极焊接方法 【技术领域】
本发明属于异质材料的连接技术领域。特别涉及一种金属与玻璃及陶瓷之间的阳极焊接方法。
背景技术
随着科学技术及新材料的发展，金属与玻璃及陶瓷(绝缘材料)的连接(封接)技术也一直在不断的向前发展，在工业中的应用越来越多，重要性与日俱增。
金属与陶瓷及玻璃的连接方法主要有：真空钎焊、胶接、蒸着。上述方法通常存在以下缺陷：
陶瓷与金属的真空钎焊连接需要较高的温度和真空设备，能耗较大。
蒸着法是将陶瓷或玻璃置于真空中，使金属气化，从而将陶瓷或金属表面金属化，耗能比较大。
金属与陶瓷及玻璃的粘接，虽然方法简单，但使用温度不高，结合强度较低，长期服役，粘接剂会发生老化，使粘接失效。
阳极焊于20世纪60年代末由Daniel.I.Pomerantz发现并申请专利。发展至今已有三十多年的时间。这期间，Wallis、Pomerantz、Anthony、Albaugh、Denee、Arata等人作了一些工作，所进行的研究多集中在玻璃与硅、玻璃与金属的结构上。其研究的重点是在真空或者在惰性气体保护下的焊接，其焊接的范围受真空设备地限制。
【发明内容】
本发明的目的在于，提供一种金属与玻璃及陶瓷之间的阳极焊接方法。
实现上述目的的技术解决方案是，一种金属与玻璃及陶瓷之间焊接的方法，包括接头为陶瓷与金属之间焊接或接头为玻璃与金属之间焊接或接头为玻璃与半导体材料之间焊接，其特征在于，按以下步骤进行：
1)接头为陶瓷与金属之间焊接
①将以上接头材料分别的单面进行机械抛光处理，而后分别在丙酮和酒精中进行清洗、烘干后，按抛光面之间结合装配；
②将装配好的试样放入炉中夹具上进行固定，其中陶瓷接阴极，金属材料接阳极；
③将夹具放在炉中升温到300℃～500℃，施加800V～1000V的直流电压，维持温度、电压30min～50min以后，将直流电压停止，试样随炉冷却至室温，即可将上述接头焊接在一起。
2)接头为玻璃与金属之间焊接
①将以上接头材料分别的单面进行机械抛光处理，而后分别在丙酮和酒精中进行清洗、烘干后，按抛光面之间结合装配；
②将装配好的试样放入炉中夹具上进行固定，其中玻璃接阴极，金属接阳极；
③装夹于特制夹具上，放在炉中升温到250℃～450℃，施加600V～900V的直流电压，维持温度、电压15min～50min以后，直流电压停止，试样随炉冷却至室温，即可将上述接头焊接在一起。
3)接头为玻璃与半导体材料之间焊接
①将以上接头材料分别的单面进行机械抛光处理，而后分别在丙酮和酒精中进行清洗、烘干后，按抛光面之间结合装配；
②将装配好的试样放入炉中夹具上进行固定，其中玻璃接阴极，半导体材料接阳极；
③装夹于特制夹具上，放在炉中升温到350℃～400℃，施加710V～840V的直流电压，维持温度、电压15min～50min以后，直流电压停止，试样随炉冷却至室温，即可将上述接头焊接在一起。
本发明的其它一些特点是，接头结合面需要进行机械抛光，结合面之间，无需添加中间层。
所述的机械抛光的粗糙度为0.5μm～1.0μm。
加热用的炉子无需抽真空，焊接气氛为不流通的大气环境。
采用本发明的方法，无需加压或施加轻微压力，在直流电场作用下，焊接面贴合在一起，温度升高之后，在电场作用下使非金属材料产生极化并使电子及离子向界面运动，在界面处发生物理化学反应，形成氧化物及尖晶石，实现一体化连接。
【附图说明】
图1是本发明的阳极焊接装置示意图；
图2是加热炉升温加电方式曲线图；
图3是本发明的实施例K4玻璃与Kovar合金的界面能谱线扫描结果图谱；
图4是K4玻璃与硅焊的扫描电镜照片(Mag＝4000X)。
【具体实施方式】
为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
按照本发明的技术方案，金属与玻璃及陶瓷之间的阳极焊接方法包括接头为陶瓷与金属之间焊接或接头为玻璃与金属之间焊接或接头为玻璃与半导体材料之间焊接。本发明所进行的焊接过程全部是在大气条件下进行的，主要考查温度、电压、通电时间对焊接过程的影响。试验装置原理如图1示。该装置包括加热炉和电源控制柜，加热炉和电源控制柜之间有记录装置。
实验前将被焊试样单面进行机械抛光处理(0.5μm-1μm)，而后分别在丙酮和酒精中进行清洗，烘干后将装配好的试样放入炉中夹具上进行固定，其中玻璃接阴极，金属及半导体材料接阳极。开始升温通电，升温、通电、保温、断电、降温方式如图2所示。加电的同时，启动记录仪，记录回路中的电流变化情况。停止加电后，试样冷却，至室温时取出。
以下是发明人给出的实施例，但本发明不限于这些实施例。
实施例1：铝-K4玻璃的阳极焊
材料组成成分：
该实验材料为K4玻璃与纯铝，玻璃与铝片为12mm×12mm，表面均需进行机械抛光，并分别在丙酮与酒精中清洗。焊接过程在图1所示的实验设备中进行大气中的焊接，焊后随炉冷却至室温。
在最佳工艺参数内(温度250℃～400℃，电压600V～800V)，焊合率达90％以上，试验表明，焊合率随温度与电压的增大而增大。升高的温度的作用是使玻璃中的连接较弱的离子脱离束缚，在电场作用下发生定向移动。温度的提高有利于离子扩散的进行。但温度的提高，使得两种材料的热膨胀系数不匹配问题加剧，同时温度提高到一定限值(≥400℃，800V)后，将很容易发生击穿，因此温度不宜太高。此外，电压的作用是形成电场，产生强大的电场力，使工件密合。同样，当电压加到一定值(≥800V，400℃)后，也很容易发生击穿，因此电压的选择还需视所选材料及温度而定。总之，温度与电压有一个最佳匹配的问题。
焊后冷却速度过大，容易产生较大的残余应力，从而导致焊接失败，因此需控制冷却速度。将冷速控制在4K/s～5K/s可达到最佳焊接效果。时间、压力、升温速度、电极的形状等均对焊接过程有着不容忽视的作用。
玻璃与铝的阳极焊是通过玻璃中的碱性阳离子Na+，O2-，H+的传输而进行的，玻璃中的Na+是主要的传导离子。
实施例2：可伐合金-K4玻璃的阳极焊
可伐(Kovar)合金在20℃～450℃具有与硼硅玻璃相近的线膨胀系数和良好的低温稳定性，在与金属焊接过程中，可以减小由于异种材料热膨胀系数不同而产生的热应力。该合金与玻璃的焊接件主要用于电真空元器件中，如发射管、振荡器、密封插头、磁控管等处。
K4玻璃试样尺寸为10mm×10mm×2mm，Kovar合金试样尺寸为10mm×10mm×15mm。
试验过程将K4玻璃和Kovar合金进行表面单面抛光处理，表面粗糙度达0.5μm～1.0μm，再用丙酮和酒精清洗，将两抛光面相对贴合，放入夹具中装配好，其中，Kovar合金与阳极相连，K4玻璃与阴极相连，如图1所示。将焊件装配好后，放入炉中加热，当温度升至指定温度，再加一定的直流电压(U)，保持15～50min后，断开电源，焊件随炉冷却，当焊接温度在350℃～450℃之间、焊接电压在800V～900V之间时，获得的焊接接头的抗拉强度为10MPa～20MPa。
在阳极焊过程中，由于外加电场的作用，K4玻璃中的Na+向阴极移动，使得玻璃中靠近阳极的一面产生贫Na+区。在强电场作用下产生的离子迁移，除了玻璃中较活跃的阳离子向阴极移动外，还包括连接阳极金属中的阳离子向玻璃中迁移，以及玻璃中相对不活跃的阴离子向阳极迁移。在贫化区内，由于Na+向阴极迁移，引起负电荷增多，因此在贫化区靠近玻璃体一侧产生负电荷聚集区，该区与阳极之间形成强大的电场，使两种材料紧密接触。在贫化区非负电荷聚集区，阳极金属正离子向玻璃中扩散，而玻璃中的负离子向阳极移动，最终在界面处发生化学冶金反应，所生成的复合化合物将被焊接件牢固地连接在一起。
在焊接Kovar合金和K4玻璃时，几乎没有发生开裂现象，这使得Kovar合金成为一种理想的玻璃焊接材料。
Kovar合金和K4玻璃在阳极焊过程中形成了以FeSiO3和Fe7SiO10以及一些非晶态物质为主的过渡层，并将被焊材料焊合在一起。K4玻璃与Kovar合金的界面能谱线扫描结果如图3所示。
实施例3：K4玻璃与单晶硅片的阳极焊
K4玻璃的试样尺寸为10mm×10mm×2mm。单晶Si片的试样尺寸为10mm×10mm×0.3mm。
焊接试验装置及过程试样在装配前进行表面抛光(粗糙度0.5～1.0μm)和表面清洗(用丙酮和酒精清洗表面)，将两试样装配好后放入炉中，其中硅片与阳极相连，玻璃与阴极连接。待试样加热至350℃～400℃温度后，给被焊试样加710V～840V直流电压，保持15～50min后，断开电源，试件随炉冷却。
在焊接过程中用测试系统记录电流的变化，发现焊接电流单调升至一最大值后，缓慢下降。在焊接过程中，电路中产生微弱的电流，这一现象表明玻璃中离子在电场作用下移动，从而在回路中产生电流，随着时间的延长，离子移动趋于饱和，电流逐渐减小。在一定温度下，随电场强度的减小，焊接过程离子迁移量减小，焊接电流减小。电压不变时，温度降低，离子扩散能力减弱，焊接过程电流减小。
在一定电压下焊合率随温度的升高而增大，因为温度越高，越有利于离子扩散迁移，但温度也不能超过一定值，否则会导致电流过大而击穿试件。同样，在一定范围内，焊合率随电压的升高而增大。
可见，K4玻璃与硅片焊接时存在一个最佳工艺参数范围，在此范围内进行焊接，均可得到理想的焊接接头。试验证明K4玻璃与硅片焊接时的最佳工艺参数为电压：710V～840V，温度：350℃～400℃。
K4玻璃属SiO2B2O3NaO玻璃系，含有较多的碱金属氧化物，尤其是钠的氧化物，在焊接过程中，电流主要由碱金属离子传导，并且当玻璃中含有Al2O3时，会促使碱金属离子活性增加。钠离子在电场的作用下向阴极聚集，使玻璃被焊面产生一层贫Na+区，而在玻璃的另一面以Na+或NaOH形式析出。同时，Si与向焊缝聚集的氧离子发生电化学反应形成紧密的接头。温度升高或者场强增加，离子活动能力增强，促使硅与氧扩散能力加大，在结合面处结合力增高，焊接接头的扫描电镜照片如图4所示。
在焊接过程中由于两材料热膨胀系数不一样而产生的应力，可以通过焊后缓冷来消除，在本焊接工艺中获得了满意的效果。
力学试验证明K4玻璃与硅片的阳极焊能获得高质量的焊接接头，接头的抗拉强度大于母材的。
实施例4：Y-ZrO2与铝箔的阳极焊连接
ZrO2是氧离子型导电陶瓷，具有耐高温和导电率高的优点，是燃料电池和化学传感器的优良材料。用Y2O3增韧的ZrO2改善了陶瓷原有的韧性低和抗热震性差的缺点。其中铝箔与阳极相连，Y-ZrO2与阴极连接。焊接温度300℃～500℃，电压800V～1000V，压力5Pa～10Pa，时间30min～50min；得到的接头强度大于25MPa。
实施例5：铝基复合材料与陶瓷的连接
铝基复合材料的应用最广泛和最成熟，已成功地应用于航空、航天、车辆及电子行业。金属基复合材料除了高强度、高弹性模量和低膨胀系数外，还具有优良的韧性、抗冲击及抗热震性，耐热性高，横向力学性能好，不燃烧，不吸潮，导电和导热性好，耐辐射，以及高真空环境稳定等一系列优点，已成为微电子器件基板的首选材料。
采用SiC颗粒增强的铝基复合材料，分别与硼硅玻璃和β-Al2O3进行连接。其中铝基复合材料接阳极，硼硅玻璃和β-Al2O3接阴极。连接温度300℃～500℃，电压400V～600V，压力5Pa～10Pa，时间15min～30min；得到的接头强度为18MPa～25Mpa。