电子浆料用SiO2-B2O3-Bi2O3-CuO玻璃析晶动力学及与Al2O3陶瓷基片粘结机理研究

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近年来,随着国际市场对电子产品无铅的要求以及人们对各种电子分立元件的需求,人们对低温无铅电子浆料的研究也更加深入。玻璃粘结相将导电相与基体连接结合形成界面,界面结合质量的好坏对电子产品的质量有很大影响。因此,根据国内巨大的市场需求从而打造一种新型无铅低熔玻璃粉至关重要,这就需要全面系统的理论作为支撑。本文选用SiO2-B2O3-Bi2O3-CuO(SBBC)系统玻璃作为浆料中的粘结相,旨在探讨一种高性能的电子浆料用玻璃粉。研究了玻璃组分中不同氧化物含量对SBBC玻璃的成玻性能、热膨胀性能、化学稳定性和热综合性能等理化性能的影响,并与红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)等结构测试手段对玻璃网络结构的变化规律进行探究。同时,本文还对SBBC玻璃进行析晶动力学和其在烧结后与Al2O3陶瓷基片的结合方式及机理进行研究。本文得出的结论如下:(1)关于玻璃的成玻能力,对X射线衍射仪(XRD)的测试结果中玻璃相的部分进行积分计算,可以得出B-4玻璃试样的成玻能力最佳。SiO2、B2O3与Bi2O3对玻璃网络的形成有促进作用,CuO起到断网作用。本文中制备得到的SBBC玻璃试样的热膨胀系数理论上均能与Al2O3陶瓷基片进行匹配。本文试样酸碱失重比的最小值发生在B-4试样,失重比为0.26 mg/mm2(耐酸),0.07 mg/mm2(耐碱)。(2)通过FT-IR、XPS以及Raman测试对玻璃的微观结构进行分析。FT-IR结果表明,确定试样中1166 cm-1处的峰位是[BO3]单元中B-O的对称伸缩振动,890 cm-1处为[BO4]单元中B-O的弯曲振动,700 cm-1处的峰归属于B-O-Bi的弯曲振动以及[BiO3]单元中Bi-O的对称伸缩振动,490 cm-处[BiO6]单元中Bi-O键的伸缩振动。Bi2O3含量的增加,可以使玻璃网络中的B-O-B键变为Bi-O-B键。通过XPS光谱可得,SiO2与B2O3能为玻璃网络起积聚作用,Bi2O3既能参与玻璃网络的构成,也对玻璃网络结构有解聚作用,CuO只对玻璃网络起解聚作用。结合Raman光谱发现B-4试样的各基团的振动峰位发生红移,证明玻璃网络结构变得紧密,也说明了随着B2O3含量增加,玻璃网络中的[BO3]开始向[BO4]转变。(3)通过对SBBC玻璃的性能测试结果进行综合考量,本文选择对B-4试样进行析晶动力学研究,根据DSC测试结果分析得到B-4试样有两个析晶放热峰,在两个析晶峰温度进行保温并进行XRD测试得到试样中析出了CuO和Bi12SiO20晶体。使用Ozawa方程对玻璃的析晶活化能进行计算得到CuO的析晶活化能Ep1=50.1 kJ/mol和Bi12SiO20的析晶活化能Ep2=116.4 kJ/mol;平均析晶指数p1=3.7,p2=3.2。(4)根据热力学方程对玻璃的析晶动力学进行进一步验证,计算出晶体的ΔG均小于0,CuO和Bi12SiO20晶体的析出都可以自发进行。(5)采用外形图像法对B-4试样在100~650℃下进行观察并对接触角进行计算,可以看出试样在400℃时开始软化,在650℃时完全摊平;通过改变浆料中有机载体的含量对浆料的粘度、附着力以及方阻等性能进行测试,确定当有机载体含量为15 wt%时,浆料的综合性能最佳。(6)对B-4试样制成的浆料与Al2O3陶瓷基片烧结界面进行SEM观察发现:结合面致密化程度高,不存在裂纹及气孔等缺陷。结合EDS图谱可以看出铝铜元素之间发生了互扩散,扩散方式为限定表面源扩散。从而引入Fick定律对扩散机制进行进一步推导,可以计算出Al2O3陶瓷基片的单位面积内铜离子的含量。
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