封接就是指封接材料在與其他材料在加熱的作用下，使兩者之間的界面達到良好的浸潤效果且緊密地結合在一起。在眾多封接材料中，封接玻璃是為大家所熟知并廣泛使用的封接材料。封接玻璃廣義上是指能夠將玻璃、陶瓷、金屬及復合材料相互間封接起來的中間層玻璃。

圖 玻璃材料，來源：NEG

低溫封接玻璃是封接玻璃中應用最廣泛的一類，是一種具有較低的軟化溫度或熔化溫度(<600℃)，具有各種優良性能如良好的耐高溫性，耐腐蝕性以及高絕緣強度的特種玻璃材料，還可以通過調節玻璃成分，使所使用的玻璃粉應用于不同材料之間的連接。艾邦建有陶瓷封裝全產業鏈微信群，歡迎陶瓷封裝產業鏈上下游加入，請您識別二維碼加入。

一、低溫封接玻璃的性能要求?

對于封接玻璃，要實現其與基體的可靠封接，既要滿足其使用條件要求又要滿足封接工藝生產要求。總的要求如下：

1.軟化溫度適當

軟化溫度的高低決定了封接玻璃的應用范圍。軟化溫度過高會造成封接溫度升高，封接溫度過高會對基體造成損傷，同時也不利于玻璃的流動性和鋪展性，從而導致封接強度低、氣密性差等。在電子行業，低溫玻璃封接溫度要低于電子元器件所能承受的溫度，否則，會造成電子元器件受損。但并不是軟化溫度越低越好，軟化溫度過低，會造成玻璃的使用溫度降低。所以，一般要求玻璃的軟化溫度保持在一定范圍內。

圖 封接玻璃在晶振的應用，來源：NEG

2.熱膨脹系數匹配

基體與封接玻璃兩者的熱膨脹系數差宜在±5%以內，最多不超過±10%，否則就會引起應力集中從而導致裂紋的產生。一般要求在玻璃的應變點溫度以下，封接玻璃與封接基體的熱膨脹系數要相近。? ??

3.化學穩定性好

化學穩定性決定了封接玻璃是否能實際應用。根據使用環境的不同，低熔玻璃要求經得起大氣、水、酸、堿等不同介質腐蝕，這就要求低熔玻璃有良好的化學穩定性。??

4.與封接基體潤濕性良好

潤濕性反映了兩種物質的結合能力。如果在封接溫度時，玻璃對基體的潤濕性差會造成封接強度低甚至無法實現連接。

二、低溫封接玻璃的種類? ?

低溫封接玻璃根據在封接過程中有無析晶情況，可分為結晶型封接玻璃和非結晶型封接玻璃。現如今，常見的玻璃體系已經無法滿足在微電子技術方面的使用，所以有越來越多的復合型低溫玻璃出現，目前常見的復合型低溫封接玻璃大致可分為：鉛玻璃體系、鉍酸鹽體系、磷酸鹽體系硼酸鹽體系以及釩酸鹽體系。

1.鉛玻璃體系? ?

目前，大多數已商業的封接玻璃是鉛基玻璃，含鉛玻璃具有絕緣性能好，熔化溫度和軟化溫度較低，流動性好，熱膨脹系數較低，同時具有耐腐蝕性和耐高溫性等一系列優異的性能。這是因為Pb元素位于元素周期表第六周期，核外電子層較多，離子半徑較大，離子鍵化學鍵主要以共價鍵為主，鍵能較弱，容易被破壞，所以含Pb氧化物在玻璃體系中主要是起到助溶劑的作用。目前，含鉛玻璃主要研究和使用的體系主要為：PbO-B2O3-SiO2、PbO-ZnO-B2O3等。鉛作為有毒重金屬，對環境和人類健康有著極大的損害，目前已經被世界各國限制使用或者禁止使用，因此，低溫封接玻璃的無鉛化成為重要的發展方向之一。? ?

2.鉍酸鹽體系?

在元素周期表中，鉍元素與鉛元素相鄰，因為核外電子層數、離子半徑等相似，所以有諸多相似性質，如高極化率、高折射率等。在玻璃體系中，鉍酸鹽體系是最有可能替代含鉛玻璃體系，它們在玻璃體系中在特征溫度、潤濕性、熱膨脹系數等性能參數所起到的影響作用相似。Bi2O3不能單獨形成玻璃，但是它具有形成玻璃的條件，其與玻璃形成體SiO2、B2O3等組分共熔具有極大的玻璃形成范圍，只要有1wt%的SiO2或B2O3時便可以形成玻璃。鉍酸鹽玻璃體系對人體無害，符合綠色、環保的使用理念，這些優質的性能都使鉍酸鹽玻璃最有可能替代含鉛玻璃體系。目前主要研究和使用的體系主要為：Bi2O3-B2O3-SiO2和Bi2O3-B2O3-ZnO，它們的玻璃形成區如圖：

圖 鉍酸鹽體系的玻璃形成區,(a)Bi2O3-B2O3-SiO2；(b)Bi2O3-B2O3-ZnO

3.磷酸鹽體系?

磷酸鹽玻璃的基本結構單元為[PO4]四面體，在四面體結構中存在P=O雙鍵，每一個[PO4]四面體只能與3個[PO4]四面體連接，因此該玻璃體系的網絡結構相較于硅酸鹽玻璃更容易被破壞，這會導致磷酸鹽玻璃的熱膨脹系數較高，化學穩定性較差，但是其特征溫度要較低。目前磷酸鹽玻璃是國內外研究較熱門的低溫封接玻璃體系之一，這是因為其玻璃組分造價便宜，但是磷酸鹽玻璃體系存在易潮解，需要添加各種氧化物來改善磷酸鹽玻璃的化學穩定性、熱膨脹系數等問題使其的發展使用受到制約。目前主要研究和使用的體系主要為：SnO-ZnO-P2O5、SnO-B2O3-P2O5等，其中SnO-ZnO-P2O5的玻璃形成區如圖：

圖 SnO-ZnO-P2O5三元系玻璃形成區

4.硼酸鹽體系?

硼酸鹽玻璃是以硼酸鹽為主要原料，加入其他氧化物而制備的玻璃。B2O3是玻璃形成體，可以單獨形成玻璃，也可以跟其他氧化物一起形成玻璃。硼酸鹽玻璃由[BO3]三角體構成，[BO3]三角體為硼酸鹽玻璃的基本結構單元，但在一些硼酸鹽玻璃體系中，隨著B2O3含量的增加部分[BO3]三角體會變為[BO4]四面體。當B2O3含量增加到一定程度時，[BO3]三角體與[BO4]四面體通過橋氧離子連接形成含有[BO3]三角體與[BO4]四面體的環狀結構，從而強化了玻璃網絡。相比于其他低溫封接玻璃體系，硼酸鹽玻璃系統具有相對較高的玻璃化轉變溫度(Tg=400~600℃)，較高的軟化溫度(Tf=430~610℃)和相對較低的熱膨脹系數α=5×10^-6~11×10^-6/℃。

硼酸鹽體系封接玻璃的特征溫度普遍較高，針對低溫封接還需要進一步的研究發展，另外硼酸鹽成本較低，適用性廣，主要應用于建筑與汽車玻璃、陶瓷等方面。目前主要研究和使用的體系主要為：B2O3-Bi2O3-SiO2、B2O3-Li2O-MeO(Me=Mg、Zn、Cu等)。

5.釩酸鹽體系?

釩酸鹽體系封接玻璃是以V2O5為主要成分形成的玻璃體系。V2O5能與許多氧化物形成玻璃，并具有較大的玻璃形成區。釩離子能以 VO6八面體的形式進入玻璃的網絡結構。在玻璃中加入V2O5能降低玻璃的熔點，但V2O5不能單獨形成玻璃，需要加入一定比例的玻璃形成體才能形成釩酸鹽玻璃。釩酸鹽體系封接玻璃具有低的玻璃化轉變溫度(Tg=260~420℃)和軟化點(Tf=270~440℃)，相對寬泛的熱膨脹系數(α=4×10^-6~16×10^-6/℃)。但是V2O5在蒸氣狀態下具有毒性，在實際生產操作中需要采取保護措施，使得成本上升。V2O5的成本相較于其他氧化物成本較高，這也是限制其大范圍使用的制約因素之一。目前主要研究和使用的體系主要為：V2O5-B2O3-ZnO、V2O5-P2O5等。? ??

三、低溫封接玻璃的發展趨勢?

目前低溫封接玻璃發展方向為無鉛化、封接低溫化和微晶化。

1.無鉛化

在低溫封接玻璃發展的整個歷程中，含鉛玻璃首先被大范圍的廣泛生產運用，但是由于鉛的危害，替代鉛的低溫封接玻璃的研究不斷，這也是目前低溫封接玻璃的發展方向之一，即組成無鉛化。? ? ? ? ??

2.低溫化

封接玻璃的低溫化成為發展趨勢之一，較低的封接溫度可以降低能耗，節約成本，提高封接效率。封接玻璃的低溫化可以滿足優異性能但熔點較低的新型封接材料的需求，同時低溫封接可以避免一些封接材料在高溫下產生不可逆損傷，提高封接器件氣密性等，? ??

3.微晶化

封接玻璃微晶化也是目前低溫封接玻璃的發展趨勢之一，通過調節玻璃成分和工藝參數來控制玻璃中的晶體種類和數量，從而調控封接玻璃的熱膨脹系數和特征溫度，實現封接玻璃與母材的封接。封接玻璃析出的結晶相有可能是脆性相，對玻璃的性能造成弱化，但是也存在一些增強相，從而使玻璃的力學性能，熱物理性能，耐腐蝕性等性能改善。

低溫封接玻璃作為一種新型封裝材料，具有封接溫度低、優異的力學性能以及穩定性，可以實現異種材料之間的連接。但對于新型的封裝材料如碳化硅增強鋁基復合材料、硅鋁合金等，對低溫封接玻璃提出了更多的性能要求，包括良好的熱物理性能、良好的潤濕鋪展性能、優異的力學性能、良好的氣密性和耐腐蝕性能。

2.電子封裝用低溫無鉛玻璃粉的研制及其封接性能研究，楚軍龍.

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原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：一文了解低溫封接玻璃