无铅化低温封接玻璃研究发展概况 Research progress of lead--free low—-melting point sealing glass 李金威孙诗兵司国栋田英良吕锋 (北京工业大学材料科学与工程学院,北京1 001 24) 摘要:本文简要介绍了铅玻璃对环境和人类的危害,论述了无铅低温封接玻璃的研究发展概况,主要包括铋酸盐、磷酸 盐、钒酸盐三大体系。对各玻璃体系中的结构特点、性能和研究现状做了简要分析。并指出铋酸盐具有良好的化学稳定性以 及简单的制备工艺,拥有很好的发展前景。 关键词:封接玻璃;无铅化;低温封接 Abstract:The harm of lead glass to environment and human was briefly introduced.The research and development of lead—free low-melting point sealing glass which including bismuthate glass,phosphate glass and vanadate glass was discussed.The structural features,properties and research status of various glass systems are briefly analyzed.It is pointed out that bismuthate glass has good chemical stability and simple preparation process,and has good prospects for development. Key WOrd:sealing glass;lead.free;low temperature sealing 中图分类号:TQ171.73文献标志码:B文章编号:1003—8965(2018)03—081—04 低温封接玻璃由于具有封接温度低、化学稳定性好、 粘结强度高、气密性好等优点而被广泛应用于真空电子技 明显的封接应力,易实现匹配封接。因此,非结晶型封接 玻璃的烧结工艺相对简单,使用方便,成本相对较低。 术、微电子技术、激光和红外技术、电光源、高能物理和 宇航工业、汽车工业、化学工业等各领域,是封接玻璃中 应用最广泛的一类玻璃…。随着技术发展需要,被封接器 件及结构逐渐向小型化和精密复杂化方向发展,对封接性 能的要求越来越高,而且封接温度要求越来越低 ,因此 低温化已成为低温封接玻璃发展的主要方向之一。 目前相对成熟和广泛使用的低温封接玻璃主要为铅系 玻璃。铅系玻璃为了达到低温封接的性能,氧化铅的含量 由于封接过程中无晶体析出,没有晶体强化效应,可 能造成封接体的力学性能比较低,抗震性能比较差。封接 玻璃封接过程中要求热膨胀系数与被封接基体相匹配,因 此需要选取与封接基体相近的封接玻璃,避免封接过程中 产生过大的内应力,影响封接的力学性能。为了实现匹配 封接,常向玻璃基料中加入膨胀系数调整填料来调节封接 玻璃的膨胀系数,如负膨胀系数的13一锂霞石和钨酸锆以 及低膨胀系数的堇青石、石英玻璃、锆英石等,但是这些 比较高,在生产过程中,粉末扬尘以及熔制过程的挥发使 含铅化合物进入大气中而被人体吸入,从而危害人体健康, 废弃的含氧化铅产品还会造成土地及水体污染 。因此, 填料的引入会出现封接温度升高、封接强度下降等问题, 产生一系列不利的影响。 1.2结晶型封接玻璃 铅作为一种重金属,严重危害了社会环境以及人类的身体 健康,已经被世界各国限制或者禁止使用[4115] ̄目前,美 国环境保护署(EPA)已将铅及其化合物列为1 7种损害 人类健康和危害自然环境的物质之一 ,2006年7月份 结晶型封接玻璃是指在封接过程中完全析晶或者部分 析晶,而晶体的析出会使其物理化学性质产生明显的变化。 由于封接玻璃中的晶相与玻璃相膨胀系数不同,因此在封 接过程中可以通过控制析出晶相的种类和数量来调节封接 玻璃的膨胀系数,使之与被封接件实现匹配封接,从而提 高封接强度[101 ̄另外析出的晶体起到了晶体强化的作用, 使封接玻璃的强度得到了提高。同时,晶体的产生可以增 强玻璃的电绝缘性能、化学稳定性以及抗热震性。 析晶包括晶核形成与晶体长大两个阶段,因此在封 接过程中为达到所需的封接性能,就需要对晶体析出的种 类及数量进行严格的控制,导致其封接温度的控制精度比 欧盟各国也开始强制实施《关于限制在电子电气设备中使 用某些有害成分指令》的法规,全面消除铅、汞、镉、六 价铬、多溴联苯和多溴联苯醚共6项物质在电子和汽车等 产品中的应用 l。因此,无铅化、低温化已成为低温封接 玻璃发展的方向。 低温封接玻璃分类及特点 封接过程中有无析晶将封接玻璃分为非结晶型封接玻 非结晶型封接玻璃高,封接时间长,封接工艺复杂。如果 封接料以及烧结工艺选择不当,则无法实现密封的要求, 另外由于晶相析出及晶型转变引起体积变化,导致膨胀系 数不匹配产生机械应力造成封接失效。因此,复杂的封接 工艺要求以及较长的封接周期提高了结晶型封接玻璃的成 本,如何降低成本推广结晶型封接玻璃的使用,是结晶型 封接玻璃的研究方向。 璃和结晶型封接玻璃。 1.1非结晶型封接玻璃 非结晶型封接玻璃是指在封接过程中没有晶体的析 出,完全呈玻璃态,因此具有较好的流动性和润湿性能, 能够充分填充封接空间,气密性好。非结晶型封接玻璃在 封接过程中无晶核形成及晶体长大,所以其封接温度范围 比较宽,封接时间短,并且操作简便,可以实现重复烧封接, 并且封接前后封接体体积基本不变,封接完成后不会产生 课题来源:国家重点研发计划,编号:2016YFB0303903。 81 2无铅低温封接玻璃体系 l 堡堕 随着封接玻璃绿色无铅化要求的法规及政策的逐渐实 施,国内外相关学者对其关注度也愈加高涨,目前其研究 主要集中在磷酸盐玻璃体系、钒酸盐玻璃体系和铋酸盐玻 璃体系,以取代传统的铅系玻璃,并取得了一系列的成果 o 2.1磷酸盐玻璃体系 P,0 是玻璃形成体氧化物,以磷氧四面体[PO 】形成 磷酸盐玻璃的网络结构,在【PO 】四面体中存在1个磷氧 双键,使得四面体一顶角变形,成为类似较为疏松的层状 结构,特征温度低[1 21o磷酸盐玻璃体系中氧化物主要包括: P205,AI203,B203,SnO,SiO2,ZnO,MgO,CuO, ZrO,等。P 0 与其它氧化物可引起不同反应,使网络体 中的链状结构断裂或者转为交联结构 “ ,而链或环的长 度及断裂情况会直接影响玻璃的转变点Tg温度[1 510因此, 为了达到其所需封接性能要求,常向玻璃组分中加入多种 氧化物来改善磷酸盐玻璃的流动性、化学稳定性、热膨胀 系数等性能。 Morena R等” 人最先研究了SnO—ZnO—P705(SZP) 低温封接玻璃体系,并确定了该三元体系的玻璃形成范 围,如图1所示。沈健 ” 等人在研究SZP无铅封接玻璃 时指出,其与含铅玻璃有许多相似的性质,并且指出ZnO 可以提高磷酸盐玻璃的化学稳定性,其热膨胀系数(o【) 为(1OO一1 20)X 1O。℃一。。该类玻璃的封接温度虽然较 低,但是由于锡的导电能力相对较好,其电学性质限制了 应用领域,常被用作半导体材料。另外在熔制过程中SnO 极易被氧化成SnO,(220℃),因此需要在还原气氛下制 备,熔制工艺复杂,不易批量生产 。马占峰等㈣ 在研 究SnO—ZnO—P 0 体系中确定了SZP三元系统组成与玻 璃化转变温度Tg的关系。制备出了具有较低的转变温度 (Tg=300—320℃)和合适的膨胀系数(oc=(9O一1O0) ×10-7℃一)。李春丽等 向SZP系玻璃中引入AI O。 和B,0。,提高了该玻璃体系的化学稳定性,并降其热膨 胀系数。 P20s 图1 P,05-ZnO-SnO三元系统玻璃的形成区 Shyu J.J等人 ”研究了SnO—MgO—P205系玻 璃,指出水分子会破坏p-0一P键中的桥氧键,降低玻 璃中的网络链接,因此随着P 0 含量(x>4Omol%) 的逐渐增加,玻璃化学稳定性逐渐降低。并且此系玻璃 易析晶,先后会析出Mg。(PO ) 相和Sn。(PO )2 相,而Mg。(PO ) 相可以提高玻璃的化学稳定性, Sn (PO ),相可以降低玻璃的热膨胀系数,因此为获取 82 稳定的封接性能,其烧结温度需要严格控制,工艺复杂。 Morinaga K等人 研究了SnO—SnCI2一P205系低熔 点玻璃,总结各组分变化对封接玻璃性能的影响规律。其 Tg可降至350℃。通过外掺13一锂霞石、13一锂辉石、 ZrSiO 等低膨胀系数调整填料调节热膨胀系数,调整出合 适的热膨胀系数(oc=(95—1 10)×10 。C )。Haruki Niida等“船 研究SnO—Me2SiO—P205系统低熔点玻璃, 利用有机一无机杂化方法制备出具有极低的玻璃转变温度 (Tg=29℃)。但是该体系玻璃化学稳定性低,还不具备 使用价值。 2.2钒酸盐玻璃体系 钒酸盐玻璃是以V 0 为主要成玻的玻璃体系。V O 无法单独成玻,需要与其他玻璃形成体才共同形成钒酸盐 玻璃。在钒酸盐玻璃中,以【VO R】八面体作为结构单元, 能与许多氧化物形成玻璃,具有比较大的玻璃形成区。由 于钒原子的价层电子构型为3d。4s ,具有比较大的半径, 因而钒很容易产生极化,有利于成玻并且降低玻璃的熔化 温度I24]o但是由于钒酸盐玻璃成本高,热膨胀系数大,并 且钒氧化物毒性较高,在生产及使用中需要加强保护措施, 防止对人体及环境产生危害,因此对钒酸盐封接玻璃在各 领域的应用带来了很大的局限性。 目前钒酸盐玻璃的研究重点集中在V:0 一P 0 和 V O 一B O。体系。齐济等 研究了钒酸盐玻璃中高价钒 离子对阳离子极化率的影响,从而对钒酸盐玻璃的特征温 度的控制具有指导意义。日立(HITACHI)前期公布了一 种V20 一P205系封接玻璃,封接温度小于340℃,热膨胀 系数在90 X 10 ℃。 以下,但这种玻璃因含有铅而不能 满足无铅化的要求。Garbarczyk等 研究了V205一P205一 Li,O体系玻璃,确定了此系玻璃的转变温度以及结晶温 度。吴春娥等 研究V20 一P:0 一Sb 0。体系时,通过添 加氧化物(SiO 、ZnO、AI 0。等)和填料优化玻璃性能, 从而实现了绿色环保的封接。赵宏生等 研究了V 0 一 P 05--MoO。体系玻璃,发现该体系玻璃的成玻区域比较 宽,软化点和封接温度均小于500oC,并且指出通过加入 Fe 0。可以提高玻璃的抗潮性。 万隆等 在研究V2O 一B 03一B 0。一ZnO体系玻璃 时指出随着V O 含量的增加,玻璃的特征温度逐步下 降,抗弯强度先增加后减小,热膨胀系数升高及耐水性变 差,热稳定性降低,促使玻璃析出Zn,SiO 晶体。并且当 V O 含量在4mo1%时,玻璃的综合性能最为优良,软化 温度为475℃,热膨胀系数为75.87×10。℃一‘,并且在 500oC烧结时玻璃不析晶,热稳定性良好。 2.3铋酸盐玻璃体系 根据元素周期表中对角线及相邻规则,铋、锡、铟和 铊均可在低溶点封接玻璃中代替铅。Bi O。作为玻璃形成 体,与SiO 、B20。、P 0。等玻璃形成体组份混合熔制时, 成玻范围比较大。此外B;与Pb的电子构型、离子半径和 原子量均很接近,在铋酸盐玻璃中,Bi—O键趋向共价键, 以【BiO。】和【BiO3】作为结构单元,可以和【SiO4卜一起共同 构成玻璃网络骨架,并且B_3r+离子的极化率较大 ,这 使得Bi,O 和PbO在玻璃中具有相似的结构和性质,因 此Bi2O3成为替代PbO的热门材料。 Brechowskich等人 指出Bi2O3与SiO2、B203或 P205等成玻范围十分宽,即使SiO 或B O。的含量低至 1%时,也易于成玻。Roberts等 研究了铋酸盐封接玻 璃中SiO 含量较低时的性能变化,发现难以降低封接温 度。Toshio旧 等人通过在B,03-BaO—ZnO系玻璃中引入 25v %一50vvt%的Bi2O3,提高了玻璃的透光性。Saritha D等人 在研究Bi2O3一B203一ZnO系时指出,在玻璃组 成为xBi203~(90一x)B2O3—1OZnO(×为摩尔比)时, 随着Bj O。含量由25%到5O%逐渐增加,玻璃网络体越 来越紧密,其转变温度由473oC逐渐降至449oC。 邓大伟等人 研究了Bi2O3一B203-ZnO三元体系的 玻璃形成区,如图2所示,并指出ZnO在该系统玻璃中 只充当网络外体。刘远平””在研究Bj O。一B20。一ZnO系 玻璃时指出随着Bi O。含量的增加,IBiO 】和lBO。】的含 量也会随之增加,使得玻璃的网络连接程度降低,趋向于 层状结构,从而使转变温度和封接温度降低,热膨胀系数 升高。当ZnO含量足够多时,能够提供足够的游离氧, 使玻璃网络的形成变得更加容易,网络连接程度提高,从 而使转变温度和封接温度升高,热膨胀系数降低。在添加 13一锂霞石、微晶玻璃和磷酸锆钠粉体作为填料来改善复 合玻璃的综合性能时,随着填料掺杂比例的增加,复合玻 璃的T。和Tf变化不大,而热膨胀系数却逐渐减小,实现 热膨胀系数的可调。周洪萍等人∞ 指出在Bi O。一B O。一 ZnO系玻璃中添加少量CuO,有助于玻璃致密化,使玻 璃烧结温度降低,从而有利于封接。 B:o; 图2 B i,03-B203-ZnO三元体系的玻璃形成区 常明 指出着色剂的引入可以明显提高Bi O。一 B,03-ZnO封接玻璃在可见一近红外区的光谱吸收率,提 出可以采用光加热工艺提高封接效率,并且可以降低封接 过程中钢化玻璃退钢化的效果。并且通过对Fe“、Cu“、 Ni2+、Co2+四种着色剂对低熔点玻璃光谱吸收特性的影响 研究指出,用红外光谱峰值在1300nm左右红外加热炉加 热时,Co“着色的封接玻璃粉升温最快。 3结语 无铅化和封接低温化已成为低温封接玻璃未来发展的 方向。目前,在可替代铅系玻璃的三大体系中,磷酸盐玻 璃虽然封接温度低,但是化学稳定性差,通过引入氧化物 虽能提高化学稳定性,但是会严重影响玻璃的热学性能。 钒酸盐玻璃由于原料的剧毒性以及制备工艺的复杂性和高 成本等因素,限制其发展。铋酸盐玻璃在玻璃的结构与性 质方面与铅系玻璃非常相似,并且制备工艺简单,拥有较 好的发展前景。 参考文献 [1]白进伟.低熔封接玻璃组成及其发展[J】.材料导报, 2002,16(12):43—46. [2】李长久,黄幼榕,崔竹,等.环境友好型无铅低温 封接玻璃最新进展[J].玻璃,2007,34(6):17—23. [3】肖卓豪,卢安贤,李岐新,等.电真空玻璃的研究 现状及进展[J]_硅酸盐通报,2005,24(1):81—84. [4]Morena R.Phosphate glasses as alternatives to Pb— based sealing lfits[J].Journal of Non—Crystalline Solids, 2000,S 263-264:382—387. [5]Wu C M L,Yu D Q,Law C M et a1.Properties of lead-flee solder alloys with rare earth element additions[J]. Materials Science&Engineering R,2004,44(1):1-44. f6]Wood E P’Nimmo K L.In search of new lead—free electronic solders[J].Journal of Electronic Materials,1 994, 23(8):709-713. [7】江涛宏.以铋代铅前景广阔『J1.中国金属通报 ,2005(6):45—45. [8]何鹏,郭伟,林铁松,等.绿色无铅低熔点封接玻 璃研究进展[J]_材料工程,2016,44(6):123—130. [9隋普辉,陆雷,武相萍,等.电子封接用微晶玻璃 9]的研究进展[J].材料开发与应用,2008,23(2):72—76. [10】陈培,王海风,李浩业.掺杂氧化物对氧化锌系封 接玻璃烧结特性的影响[J]_玻璃与搪瓷,2014,42(6):8—13. [11]刘远平.低熔点铋酸盐封接玻璃的研究[D].中国 计量学院,2013. [12]李胜春.ZnO-B2O3-p2O 低熔封接玻璃结构与性 能的表征[D】.东华大学,2008. [1 3]Brow R K.Review:the structure of simple phosphate glasses[J].Journal of Non—Crystalline Solids, 2000。S 263-264(1):1-28. [14]刘新年,高档妮,郭宏伟,等.磷酸盐在低熔封 接玻璃中的应用『J].无机盐工业,2005,37(7):45—47. [15]董福惠.铋系低熔点电子玻璃结构与性能的表征 [D].东华大学,2009. [1 6]Morena R.Phosphate glasses as alternatives to Pb- based sealing frits[J]_Journal of Non—Crystal1ine Solids, 2000。s 263-264:382-387. [17]沈健,李启甲,殷海荣,等.SnO—ZnO—P2O5 三元系统封接玻璃的研究[J].陕西科技大学学报, 2003,21(6):30-33. [1 8]Ide,Akira.Lead—flee sealing glass and sealing compositions containing same for display panels[P].JP Patent 2004035316,2004~02—05. [19]马占锋,李启甲,赵彦钊,等.SnO—ZnO—P:O5玻 璃部分热性质的研究[J].玻璃与搪瓷,2005,33(5):5—9. [2O]李春丽,田英良,孙诗兵.R203对SnO—ZnO—P2O5 无铅玻璃系统性能的影响『c]//电子玻璃技术交流会.2006. 【21]Shyu J J,Yeh C H.Influence of sintering atmosphere on the microstructure and water durability of SnO-MgO-P2O5, glass[J].Journal ofMaterials Science,2011,46(4):999—1OO6. 83 [22]Morinaga K,Fujino S.Preparation and properties of SnO-SnCI2一P2O5,glass[J].Journal of Non-Crystalline Solids, 2001,282(1):118-124. 『23]Niida H,Takahashi M,Uchino T’et a1.Preparation and structure of organic—inorganic hybrid precursors for new 学报,2015(4):59-63. [30]李宏彦.v2O 一P2O -Sb2O3-Bi O 体系低熔点玻璃 的结构及性质研究[D].北京有色金属研究总院,2012. 『31]Werner v玻璃化学[M】.谢于深译.北京:轻工业 出版社,1988:221. 『321Roberts,Gordon J.Bismuth—Lead—Free Glass type low-melting glasses[J].Journal of Non—Crystalline Solids,2002,306(3):292—299. Enamels and Glazes of Low Silica Content[P].美国专利: 5252521.1993—1O一12. 『24】高金飞,何岗,何明中,等.无铅低温封接玻璃研 究的进展及其应用前景fJ】.建材世界,2008,29(5):18—20. 『25】齐济.钒氧化物及其复合玻璃的制备与性质研究 [D】.大连理工大学,2008, [26】Garbarczyk J,Wasiucionek M,Jozwiak P,et a1.StudieS of Li,O—V,O —P,O glasses by DSC,EPR 『331Toshi F,Tatsuo M.Electrode material dielectric material and plasma display panel using them[P].USP :6787239.2004—12—07. 【34]Saritha D,Markandeya Y,Salagram M,et a1.Efrect of Bi,O ,on physical,optical and structural studies and impedance spectroscopy【J】.Solid State Ionics,2002, l54(8):367—373. 『27]吴春娥,秦国斌.一种无铅低熔玻璃粉及其制造 『P1.中国专并1:200310103592.2005—05—18. 【28】赵宏生,李艳青,周万城,等.MoO3-V205-P205一 Fe 0 玻璃的制备及性能研究【J].无机材料学报,2005, 20(3):563—569. 【29]万隆,李争,刘小磐,等.V O 的含量对ZnO— Bi:0 一B O 系无铅封接玻璃的性能影响[J].湘潭大学自科 (上接第8O页) 造价工程师对于工程造价咨询业的发展起着重要作 用,在新形势下,人们对于造价工程师提出了较高要求, 这就需要企业加强对造价工程师的培训力度,确保造价工 程师持证上岗,从而更好的为企业服务。造价工程师素质 的高低对于工程质量有着重要影响,有的造价工程师为了 of ZnO-Bi203一B203,glasses[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2008,354(52-54):5573-5579. 【35]邓大伟.Bi20 一B2O3-ZnO系低熔点无铅封接玻璃 结构与熔体性质研究【D】.武汉理工大学,2011. 【36]周洪萍,曾人杰.CuO对ZnO-Bi2O3-B2O3系玻璃 结构及热处理结果影响fJ].陶瓷学报,2010,31(4):568—575. [37]常明.Bi20rB2O3-ZnO低温无铅封接玻璃结构及 性能研究[D】.中国建筑材料科学研究总院,2014. 3.3加强对工程造价咨询业的监督力度 要想促进我国工程造价咨询业长远发展,相关部门必 须加强对企业的监督力度,营造良好的市场环境。其一, 建立工程造价咨询行业管理制度,对企业严加管理,一旦 发生企业违反制度上的要求,要对企业给予一定程度上的 个人利益,常常把造价咨询工作流于形式表面,没有根据 工程实际情况提出相应的意见,使得造价咨询越来越趋于 程序化,对于所有工程项目提出统一标准及意见,严重影 响了工程质量。为了避免这一现象的发生,企业必须建立 完善的管理制度,对造价工程师进行制度上的约束,加大 处罚,使企业领导有良好的安全意识,避免出现拾高工程 造价现象,给咨询市场带来负面影响。其二,处理好管理 部门与企业之间的关系,管理部门在对企业进行监督的同 时,要确保企业利益不受到损害,使管理部门与企业互利 共生,促进企业长远发展。此外,企业要想与国际接轨, 必须有着先进的管理方式,深厚的理论知识作为支撑,这 就需要企业加强对工作人员的培训力度,提高工作人员整 体素质,从而为企业发展做出重要贡献 】。 对造价工程师的监督力度,在检查过程中,一旦发生造价 工程师出现违法操作行为,要对造价工程师给予一定程度 上的处罚 ,避免给企业带来负面影响。企业只有加强对 造价工程师的管理力度,提高造价工程师整体素质,才能 使造价咨询业朝着透明化方向发展,从而创造一个良好的 市场环境。 4结语 目前国内工程造价咨询业作为一个新兴的行业,还处 于发展阶段,相关制度和管理手段还不够完善,这就需要 企业加强对工程造价咨询业的重视,按照规定的要求进行 3.2加强对工程造价咨询业的重视 受传统观念的影响,我国缺少对工程造价咨询业的重 视,没有把咨询业摆到合适的位置,使得施工单位没有享 受到咨询业给项目带来的利益,导致项目施工质量相对较 差。发达国家之所以取得显著成就,主要由于其认识到工 程造价咨询业的重视,相关人员对咨询业进行正确的引导, 操作,促进工程造价咨询市场的发展,这样不但能够提高 企业经济效益,还能提高我国经济水平。 参考文献 [1】杨博.我国工程造价咨询业发展战略研究fJ].安徽 建筑,2005(02):84—90. 确保工程造价与实际情况相~致,进而使企业获得较大的 利益。在此背景下,我国也要加强对工程造价咨询业的重 视,在对工程造价之前,工作人员要先对项目进行调查分 析,了解项目实际情况,避免项目在实施后出现问题,影 响施工效率。我国要对工程造价咨询业给予一定程度上的 资金帮助,使咨询业树立良好的形象,这样不但能够使其 他企业广泛参与到咨询业中,还能提高项目经济效益,避 免项目出现亏损。 【2】邢颖,汪吉星.中国工程造价咨询业发展对策探讨 [J].建筑知识,2015,35(12):204. 【3】邹焱.工程造价咨询业发展对策分析【J].黑龙江科 技信息,2016(15):196. 【4】靳英婵.我国工程造价咨询业管理与创新研究[J]. 中国管理信息化,2016,19(22):120. [5】谷永芬,金锦.我国现代服务业的发展及政策启示 以咨询业情况为例【J】.学术交流,2007(12):133—136. ~