真空玻璃的阳极键合密封技术研究

论文摘要

中空玻璃逐渐取代隔热很差的单片玻璃,但是由于气体的对流传热和导热很大,即使充有氪气、氙气等大分子气体,中空玻璃的传热系数U值也无法降到1Wm-2K-1以下。将玻璃之间腔体抽成真空,是提高隔热性能的一种有效办法。真空玻璃的两片玻璃被四周边缘的密封剂连接,来保持其间的真空度好于10-1Pa。每片玻璃表面镀有低辐射率的红外反射膜（low-e膜）来减少热辐射,腔体之间布置支撑物阵列来防止外界大气压把玻璃压垮。本文分析了真空玻璃的传热机理,整个真空玻璃单元的传热由残余气体传热、支撑物传热、四周封边传热和辐射传热组成。目前市场上的真空玻璃由于高温封边工艺的限制,无法采用辐射率很低的low-e膜,辐射传热比较大,可见的报道中最低的U值为0.9Wm-2K-1。本文采用阳极键合技术作为真空玻璃低温密封的方法,这样就可以选用辐射率很低的镀膜（0.04）,理论上真空玻璃的U值可降为0.5Wm-2K-1以下。阳极键合是在电压和加热的作用下,将导电性材料（如金属和半导体）和非导电材料（如玻璃和陶瓷）之间连接。它的特点是被焊接材料之间无需中间介质可在固态下结合,结合速度快,温度低。本文先在大气下进行了阳极键合作为真空玻璃密封的可行性实验,然后在真空室中（5?10-2Pa）分别进行了铝与玻璃的阳极键合实验、Sn-Ag合金与玻璃的阳极键合实验、Sn-0.5Al合金与玻璃的阳极键合实验,对实验样品进行了泄漏率检测、超声波界面缺陷检测、力学性能检测、界面微观结构的扫描电镜观察和能谱分析。实验结果显示,阳极键合只有在电压和温度高于一定的数值时才能实现,键合回路的电流随电压和温度的升高而增大。结合面发生了氧元素和金属元素的扩散,玻璃中靠近阳极一侧存在碱金属的耗尽层。与真空玻璃间隔相当厚度的铝片无法将两片玻璃密封焊接;Sn-3.5Ag, Sn-3.0Ag-0.5Cu两种合金与玻璃的结合强度较低,界面缺陷较多。Sn-0.5Al合金在真空下加热到300°C时熔化。熔化后的合金与玻璃形成均匀而良好的直接结合。这样的熔化“新区”与玻璃在阳极键合过程中,形成坚固的结合。开发了一个焊料浇注的装置,先在玻璃表面浇注熔化后的焊料,然后在真空室中进行阳极键合密封实验。利用这套装置,制造了泄漏率小于2?10-10 mbar l-1 s-1的密封样品。另外,本文对阳极键合中产生的电场力进行了计算分析。分析认为,电场作用下玻璃介质的极化是阳极键合实现的一个重要原因。界面间产生的几MPa数量级的压强,实现两焊接材料界面的紧密接触。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 真空玻璃的研究进展
• 1.3 阳极键合封装技术的研究进展
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 真空玻璃热传递的优化分析
• 2.1 真空玻璃与中空玻璃的传热机理
• 2.2 玻璃腔体内的气体热导
• 2.3 玻璃表面之间的辐射热导
• 2.4 玻璃之间的支撑物的热导
• 2.5 真空玻璃四周封边的传热影响
• 2.6 真空玻璃整个单元的传热系数
• 2.7 本章小结
• 第3章 实验材料、装置及实验方案
• 3.1 实验材料
• 3.2 实验装置及实验过程
• 3.2.1 大气中的实验装置
• 3.2.2 真空中的实验装置
• 3.3 分析及测试方法
• 3.3.1 泄漏率检测
• 3.3.2 超声波检测
• 3.3.3 力学性能检测
• 3.3.4 扫描电镜和能谱分析（SEM and EDS）
• 第4章 真空玻璃阳极键合的实验结果分析
• 4.1 标准大气环境下的阳极键合
• 4.1.1 铝与玻璃的实验结果分析
• 4.1.2 Sn-3.5Ag 合金与玻璃的实验结果分析
• 4.2 真空环境下的阳极键合
• 4.2.1 铝与玻璃的实验结果分析
• 4.2.2 Sn-Ag 基合金与玻璃的实验结果分析
• 4.2.3 Sn-0.5Al 合金与玻璃的实验结果分析
• 4.2.4 焊料浇注方案
• 4.3 本章小结
• 第5章 阳极键合的电场力分析和计算
• 5.1 电场作用下玻璃介质材料的极化
• 5.2 结合界面间电场力的计算
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历