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粉体新世界2019-11-12 11:45
无铅低熔点封接玻璃粉作为一种新型封接材料，可在较低温度下实现金属-金属、金属-陶瓷、金属-玻璃等材料间的封接、粘接和绝缘，已经广泛用于汽车工业、航空航天和电子工业等高精尖行业，用以解决电气工程、电子传感器、保护和装饰涂料、光学、光通讯、结构力学、医学、核技术、超导体和微流控芯片等一系列的现代技术的挑战。在现代真空和电子技术中。
低温封接玻璃粉可以作为新型焊接材料。而在微电子学领域，其主要用于热敏电阻、三极管和微型电路等的防护层。
中国市场信息研究网数据显示，2016年我国低熔点玻璃粉的产值超过160亿元，并且每年的增长率在 7% 以上。
目前，市场上还有很多电子元器件选用含铅玻璃粉进行封接，如 PbO-B2O3-SiO2 系或者PbO-ZnO-B2O3系玻璃，其氧化铅含量最高可达80% 。
随着环保要求日益严格，美国，德国，日本等国家已经开始强制实施《关于电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》的法规，全面禁止在电子和汽车等产品中使用铅、镉、汞、铊、六价铬及其化合物等有害物质。绿色、环保、无铅化已成为电子制造业的发展方向。
优合化工研究出一款新型磷酸盐系无铅封接低熔点玻璃因其玻璃粉化转变温度低、软化温度低和热膨胀系数范围较宽并且可调、封接温度下粘度低且有良好流动性等优点，具有替代当前铅系封接玻璃粉的潜在优势。
产品主要特点：
1、良好的封接和热加工性能：适宜的热膨胀系数和软化温度，能和待封接材料实现气密性封接，并且封接后残余应力较小( 安全可控范围内)；
2、良好的机械强度和抗热冲击性能：具有较高的抗弯、抗压和抗冲击强度；能承受一定量的热冲击和工作时产生的高温和周围环境间的温度差。
3、较好的化学稳定性：具有一定的耐水、酸、碱等不同介质腐蚀性；
4、与封接基体良好的润湿性；
5、良好的气密性和工作载荷下玻璃无气体释放。
其主要应用于玻璃-金属封接、厚膜浆料、光学元件的模制、金属的低温瓷漆和电子封装等行业，市场发展潜力巨大。
决定低熔点玻璃粉性能的成分一般是极化程度较高的含有 18个或者更多最外电子层的重金属离子、易发生变形的半径比较大的离子以及低电荷的阳离子，所以研究者寻求，Bi2O3·P2O5· V2O5和 SnO 等氧化物来代替玻璃中的PbO。
无铅低熔点封接玻璃的种类与特点
无铅低熔点封接玻璃粉是相对于含铅封接玻璃粉提出的，可以明显减少环境污染，新型环保，具有很大市场潜力。
对于无铅低熔点封接玻璃粉，国内外研究主要集中在铋酸盐体系
磷酸盐体系、钒酸盐体系、或硼酸盐体系。
低熔点封接玻璃粉必须满足一定的封接条件才能与被封接件的牢固封接，要求具有以下特点:
1.较低的软化温度: 封接温度一般比软化温度高 50 ～ 70 ℃ ，而延长封接时间可以适当降低封接温度。软化温度高时容易对封接件产生损伤，而且封接气密性变差，所以要求封接玻璃具有较低的软化温度。
2.匹配的热膨胀系数: 要求封接玻璃与封接件的热膨胀系数相近，相差不能超过10% 否则会导致封接处出现应力集中而产生裂纹。
3.润湿性: 反映了封接玻璃与封接件的结合能力，二者润湿性良好的封接强度高，更易于封接
4.化学稳定性: 良好的化学稳定性能够保证封接玻璃的实际应用。
无铅低熔点玻璃粉应用广泛，主要有以下几个方面:
( 1) 纯粹的封接材料，用作玻璃、陶瓷或金属材料之间
的相互封接;
( 2) 封装材料，如涂层封装、钝化膜层、管壳封装等;
( 3) 填充材料，用作电子器件中的填充剂来
改善和提高电子元件的性能，包括力学性能、绝缘性能以及热膨胀等性能。其中，第一个方面的应用量最大。下文简述了无铅低熔点玻璃应用较多的几种用途，包括平板显示用、晶硅太阳能电池用、不锈钢真空密封用和电子浆料用等低熔点玻璃粉。
平板显示用封接玻璃粉
现代社会随着智能手机、电脑和液晶电视等电子产品的普及，平板显示市场需求和规模迅速扩大，在国民经济、国防以及各种公共场所得到广泛应用。平板显示技术的发展方向是轻薄化、大尺寸、高分辨率和低能耗。其中，液晶显示器和等离子显示器的显示屏通常由前后两块玻璃基板组成，且通过封接玻璃粉
相互粘结起来的。例如每一块 TFT-LCD 液晶显示屏包括两片基板玻璃，分别用作材料滤波片的基板和薄膜晶体管阵列基板。显示屏对于基板玻璃的化学组成、性能和生产工艺的要求非常高，在平板显示用低熔点玻璃的无铅化研究方面，国内外的学者主要集中在铋酸盐、磷酸盐和钒酸盐等玻璃粉体系，取得了一定的成果。最近公开了一种 TFT-LCD 封接用玻璃，由 40% ～ 60% 的 Bi2O3、8% ～15% 的 ZnO、15% ～ 35% 的 B2O3为主要成分组成，利用低膨胀系数的锂霞石微晶玻璃作为填料，制备的低熔点玻璃封接温度低至 550 ℃，热膨胀系数在( 40～ 60)×10－ 7 /℃，具有无铅、低软化点和低热膨胀系数等特点，能够满足 TFT-LCD 薄膜晶体管液晶显示器的封接要求。
不锈钢是现代制造业中常用的结构材料，用于建筑业、工程结构以及汽车、火车等运输业领域。目前我国不锈钢的使用量已居于世界第一，甚至超过整个欧盟的使用量。不锈钢真空密封是不锈钢产业的重要环节，但是在生产过程中经常遇到产品的真空度合格率不高的问题，其中底部玻璃焊缝用的玻璃性能极易存在问题，严重影响不锈钢制品的合格率。为了提高不锈钢真空容器产品的品质，其生产工艺逐步由无尾封接取代了过去的有尾封接，分散性和润湿性良好，封接效果相对较好。但是封接层的力学性能较差、抗热震能力不高。
保持玻璃粉和金属良好的浸润性与匹配性是形成制品良好封接的必然要求。专家研制出了一种用于不锈钢封接的铋酸盐玻璃粉，在100-300℃范围内的热膨胀系数为（1.07×10－6 /℃），能够与不锈钢膨胀系数相仿，从而实现匹配封接。并且他们还研究了不锈钢的表面粗糙度和封接温度对湿润角的影响，发现不锈钢的粗糙度越大，其与玻璃的润湿角越小。封接温度为 420-480 ℃ 范围内时，润湿角在 23°至 138°之间变化，由此推得该铋酸盐玻璃与不锈钢的最佳封接温度为440-460 ℃。专家研究了 Bi2O3-BaO-SiO2-ＲxOy玻璃粉体系的结构与封接性能之间的关系，用于固体氧化物燃料电池中不锈钢与陶瓷电解质的粘结，结果发现该玻璃的热膨胀系数为 （11×10﹣6/℃）与 SUS430 不锈钢的热膨胀系数( 11.3×10﹣6 /℃ )和陶瓷电解质的热膨胀系数( 10.2×10﹣6/℃） 相匹配，满足低温封接的要求，界面结合紧密，气密性良好。
导电浆料中的玻璃粉粘结剂一般用量为 5%～10% ，而电阻浆料的玻璃粘结剂的使用量更高，可以达到50%以上。玻璃粘结剂的性能对电子产品的质量有直接的影响，如玻璃粉的热膨胀系数直接影响陶瓷或者玻璃粉基板的结合性、粘结强度和密封性，而玻璃粉的封接温度决定了电子产品的零部件封装时会否发生变形和老化。电子元件内部某些部件或材料不允许高温操作以免损害元件，所以要求封接温度越低越好，一般要求低于 600 ℃因此，研究玻璃粉粘结剂可以促进电子浆料和整个电子产业的发展。
专家研究了一款用于厚膜浆料的低熔点玻璃粉粘结剂，发现当玻璃粉含量从 5% 增至10% 时，玻璃粉和银之间的扩散较为理想，而且附着力增大 8 N。当玻璃粉含量增至 20% 时，玻璃粉流动性过大，附着力降至 65 N。当玻璃粉含量从 5% 增至 20% 时，玻璃粉的增加会使导电相的浓度减小，方块电阻增大。专家还发现当玻璃粉含量从 2% 增至 8% 时，银膜附着力逐渐增大;当玻璃粉含量增至 10% 时，附着力增加缓慢; 方块电阻随着玻璃粉含量的增加先减小后增大。可见，电子浆料中玻璃粘结剂的用量对于浆料的导电性能和粘结强度具有重要影响。
4 发展方向及突破点
目前无铅低熔点玻璃粉还存在封接温度较高、热膨胀系数与基材不匹配和化学稳定性较差等问题，
对低熔点封接玻璃粉的研究还远远不够，研究方向有如下几个: ( 1) 无铅化。传统的含铅含重金属封接玻璃粉注定将被淘汰，实现封接玻璃粉的完全无铅化势在必行。封接玻璃粉的
无铅化，将是封接玻粉璃研究和发展的首要方向。
( 2) 低熔点化。过高的封接温度会对电子元器件产生损伤，所以降低封接温度将会有利于电子和微电子器件的制备工艺优化和使用寿命。但是在降低封接玻璃的封接温度时，需要注意避免热膨胀系数增加过大。
( 3)复合化。复合型封接玻璃粉中包括结晶和非结晶性组分，可以通过调节析出晶相的种类和数量来调节热膨胀系数等特性，使之匹配被封接件。晶化后的结晶相强度高于玻璃相，导致封接强度增大，且抗热震性、电绝缘性能和化学性能稳定均高于普通非结晶型封接玻璃。所以复合化是无铅封接玻璃发展的趋势。
对于一系列亟待解决的问题，可以在以下方面取得突破:
1.国内对无铅低熔点玻璃粉的研究相对滞后，高性能低熔点玻璃粉全部依赖国外进口。所以急需加强对其理论研究，包括建立各低熔点玻璃的相关组成、制备工艺条件、结构和性能关系等基础理论，并利用新的材料制备技术。
2.对于复合型玻璃粉的研究，可以通过添加填料等方式来降低封接玻璃粉粉的热膨胀系数，包括使用不同种
类和数量的金属、陶瓷或者晶须颗粒等填料，达到在降低封接温度的同时能够保证实现与不同基体的匹配连接
3.改进制备工艺。例如，通过利用纳米化处理改进制备工艺和改善润湿性等方法来增加封接玻璃粉强度，改善其电性能、化学和热稳定性等性能; 寻找适宜的烧结条件，提高玻璃粉化学稳定性和封接强度等性能。
结语
研究与开发无铅低熔点封接玻璃具有重大意义，也是相关产发展领域。低温化与复合化是无铅低熔点封接玻璃的发展方向，而且需要对低熔点封接玻璃进行相关组成、结构和性能的关系以及制备工艺条件等基础理论的研究，并利用新的材料制备技术。其主要应用于玻璃-金属封接、厚膜浆料、光学元件的模制、金属的低温瓷漆和电子封装等行业。
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