

玻璃的組成及特點
廣義的玻璃指具有玻璃轉(zhuǎn)變特征的非晶態(tài)固體,包括無機玻璃(氧化物、非氧化物玻璃)、有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯)、金屬玻璃。狹義的玻璃指熔融物在冷卻過程中不發(fā)生結(jié)晶的無機物質(zhì)。玻璃具有各向同性(各方向上的性能相同)、介穩(wěn)性、無固定熔點、物理化學(xué)性質(zhì)漸變性的特點。
玻璃一般由三種成份組成,第一為網(wǎng)絡(luò)形成體氧化物,能夠單獨形成玻璃,如SiO2、B2O3、P2O5等;第二為網(wǎng)絡(luò)外體氧化物,不能單獨形成玻璃,但能改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),進而調(diào)節(jié)玻璃物理化學(xué)性能,如PbO、BaO、ZnO、CaO等,可以改善玻璃的熱穩(wěn)定性、化學(xué)機械強度和膨脹系數(shù)等性能;第三為網(wǎng)絡(luò)中間體氧化物,其作用介于網(wǎng)絡(luò)形成體和網(wǎng)絡(luò)外體之間,如Al2O3、BeO、TiO2等。當(dāng)“游離氧”充足時,陽離子奪取“游離氧”,參與形成網(wǎng)絡(luò),起到網(wǎng)絡(luò)形成體的作用(補網(wǎng)作用);當(dāng)“游離氧”不足時,則以其他配位數(shù)處于網(wǎng)絡(luò)之外,其作用與網(wǎng)絡(luò)外體氧化物相似。
電子漿料使用的玻璃粉,要根據(jù)電子漿料使用場景的不同,具備相應(yīng)的特性,比如導(dǎo)體銀漿中使用的玻璃粉,需要有與基材高的結(jié)合力;需要電鍍的元件,玻璃粉需要具有一定的耐酸性等。電子漿料使用的玻璃粉主要為無機玻璃中的氧化物玻璃,主要包括鉛系玻璃、鉍系玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鋅系玻璃、鋇系玻璃等。
玻璃粉的制作方法
傳統(tǒng)熔融法

圖1.玻璃水淬圖
熔融法就是將原料按比例混合好,一般在鉑金、剛玉坩堝或石英坩堝中進行,經(jīng)過加熱熔融(溫度>玻璃熔點)后將液態(tài)混合物倒入冷模或水中冷淬,再經(jīng)過研磨得到玻璃粉。熔融法是最傳統(tǒng)的方法,應(yīng)用最為普遍,其制備工藝流程如圖2所示。

圖2.玻璃粉制備工藝

固相反應(yīng)法
固相反應(yīng)法就是經(jīng)過機械混合并加熱,固體粉末通過固相擴散方法獲得所需材料,包括三類即氧化法、熱分解法、化學(xué)復(fù)合法。該方法具有效率高、成本低、產(chǎn)物易收集、工藝操作簡單、組分配比易控制等特點。為了制備高純玻璃粉,需要控制原料中的雜質(zhì)含量。但是,該方法制備粉體具有周期長、組成不易均勻、溫度高、能耗高、易團聚、反應(yīng)不完全等缺點。所以該方法很少用來制備玻璃粉,主要制備精細(xì)陶瓷粉。

固溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是一種制備材料濕化學(xué)方法,由金屬有機化合物、金屬無機化合物及其兩者混合物經(jīng)過水解縮聚過程,逐漸凝膠化,并進行相應(yīng)的后處理,以獲得氧化物及其他化合物的新工藝。其特點是玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是通過低溫下適當(dāng)化合物的液相化學(xué)聚合反應(yīng)而形成的。先通過液體原料的混合反應(yīng)而形成溶膠,再通過凝膠化使溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z,最后除去凝膠中的水分及有機物等液相并通過燒結(jié)除去固相殘余物來制得玻璃。溶膠-凝膠法具有工藝簡單、設(shè)備低廉、化學(xué)組分均勻、制備過程可控、化學(xué)計量準(zhǔn)確、純度高、污染少及制備溫度低等特點。但是,它也存在原料成本較高、工藝時間長、易收縮變形及殘留碳等問題。
玻璃粉對電子漿料性能的影響
玻璃粉在電子漿料中占據(jù)重要的位置,玻璃粉的加入不僅能有效降低燒結(jié)溫度,增強導(dǎo)電漿料與基板的粘附力,還影響厚膜性質(zhì)。
1、玻璃的成分對電子漿料的影響
組成決定玻璃的性質(zhì),也決定了玻璃在電子漿料方面的應(yīng)用及厚膜性能,所以玻璃成分對電子漿料的影響不可忽視。
鉛系玻璃中的氧化鉛具有高的極化率,強烈的助熔作用,能夠在低溫下燒結(jié)。當(dāng)氧化鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30%增至65%時,玻璃轉(zhuǎn)變溫度從557℃降至398℃,玻璃中的鉛還能與銀成為低共熔體,既有助于助熔,也有利于銀的溶解和重結(jié)晶,降低接觸電阻。同時鉛有利于玻璃的溶解擴散,在粘附中發(fā)揮重要作用。但考慮到環(huán)保因素,含鉛玻璃被禁止或限制使用。
鉍系玻璃具有和鉛系玻璃相似的性質(zhì),能夠有效助熔且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。一般的導(dǎo)體漿料、介質(zhì)漿料,大部分都已經(jīng)用鉍酸鹽玻璃替換含鉛玻璃,只有電阻漿料中還在使用鉛系玻璃。
鋅系玻璃中的氧化鋅既能降低玻璃轉(zhuǎn)變溫度還能降低熱膨脹系數(shù),化學(xué)穩(wěn)定性好。同時由于氧化鋅與氧化鋁反應(yīng)生成鋅尖晶石(ZnAl2O4),可以大大加強玻璃的耐酸性。

2、玻璃粉的粒度對電子漿料的影響
玻璃粉的粒度大小對電子漿料的燒結(jié)性能、力學(xué)性能、電性能以及印刷性能都有一定影響。電子漿料用玻璃粉的最大粒徑一般不超過15μm,平均粒徑小于5μm。當(dāng)玻璃粉粒徑適當(dāng)時,玻璃相浸潤銀顆粒均勻,銀膜燒結(jié)致密,空洞率減少,附著力增大;玻璃粉粒徑過大,提高了漿料的燒結(jié)溫度,不利于漿料的燒結(jié);玻璃粉粒徑過小,玻璃軟化過快,容易平鋪開來,形成面釉,導(dǎo)致附著力和可焊性變?nèi)酢M瑫r粒徑過小還造成玻璃粉比表面積大,易發(fā)生團聚形成大的二次顆粒,不利于在有機載體中分散。

圖3.玻璃粉燒結(jié)前和燒結(jié)后的狀態(tài)

3、玻璃粉含量對電子漿料的影響
玻璃粉含量不僅影響電子漿料與基板的粘附和導(dǎo)電性,還影響電子漿料的燒結(jié)性能。
通常電子漿料中玻璃粉的含量在2%~10%。玻璃粉對電子漿料的影響因玻璃成分不同、漿料不同而影響不同。為了獲得好的導(dǎo)電特性以及較好的粘附力,必須添加適量的玻璃粉,只有根據(jù)漿料種類、應(yīng)用場景,通過合理的設(shè)計與實驗探索才能符合相應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量要求。
總之,玻璃粉是電子漿料中的重要組成部分,直接決定著電子漿料的應(yīng)用和使用性能,對電子漿料的耐焊性、耐酸性、附著力、方阻等性能起著重要的作用,同時玻璃粉的優(yōu)劣,在一定程度上也決定了電子漿料的技術(shù)水平。從電子漿料的發(fā)展趨勢來看,電子漿料使用的玻璃粉將朝著無鉛化、低溫化的方向發(fā)展。
往期回顧
原文始發(fā)于微信公眾號(矽瓷科技):電子漿料之玻璃粉篇
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