[发明专利]一种基于力热电耦合条件下的玻璃金属键合封接工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种玻璃金属封接工艺，特别涉及一种基于力热电耦合条件下的玻璃金属键合封接工艺。

背景技术

玻璃和金属的热膨胀系数差异极大，这些异种材料的封接技术，被誉为太阳能光热行业王冠上的明珠，目前其封接的方式主要有胶合、机械封接、匹配封接等几种。

对于胶合法，其不适用在集热管的高温条件下，基本不考虑。金属玻璃封接最常用的方法是火焰封接的方法，将被封接的玻璃和金属熔接在一起，该方法要求被封接的玻璃和金属之间的膨胀系数非常匹配（差值小于5%）（即所谓的匹配封接），而且熔接后要仔细退火，消除熔接时形成的应力。这种封接方法熔封温度高、工艺重复性差，成品率不高。

专利号ZL2004100299946的发明公开了使用低温焊料封接，再加玻璃粉浆加热固化的方法进行玻璃金属封接，该种方法无法应用在高温场合。    

公开号CN1266824A的发明公开了使用高频电磁波加热封接玻璃和可伐金属，但是该技术目前仍然不成熟，无法实现工业化应用。

对于上述工艺存在的问题，有研究人员提出了机械封接的概念。公开号CN1076180A的发明公开了一种玻璃金属热压封接工艺，其使用软的铝、铅等金属焊料作为封接材料，在封接温度达到铅焊料熔点Tm的0.7-0.9倍时对焊料施以40-150kg/cm²的冲击压力，使玻璃和金属以及中间的焊料封接在一起。这种机械封接的方法大大简化了工艺，并有效解决了玻璃材料和金属材料热膨胀系数不匹配所造成的难题。但需要注意的是，该工艺中使用的中间料仅为机械封接作用，中间料和玻璃、金属等均为贴合而已，导致其长期使用过程中，漏气几率较高。此外目前机械封接在实际运用中，均使用铅做机械封接的中间料，既不环保，同时由于熔点低而不能应用于高于150℃以上的场合。

阳极键合封接是Walis和Pomeranta于1969年提出的，又称场助键合、静电键合，主要用于玻璃与半导体硅等材料的键目前是应用于MEMS等微传感器件的密封腔制备过程。其基本原理是，玻璃和硅在温度场和电场共同作用下，硅做正极，玻璃做负极，在一定温度场下，硅的电阻急剧减小为，表现出金属的良好导电性。玻璃中的Na⁺离子在电场的作用下向负极漂移，在紧邻硅片的玻璃表面形成耗尽层，厚度为几个微米。耗尽层带有负电荷，硅片带正电荷，由于硅片和玻璃之间的间隙很小，二者之间形成了很大的静电引力，使二者紧密接触一起，玻璃种的氧离子从玻璃中扩散到硅基体中并同硅结合反应形成过渡层，过渡层随氧离子的不断沉积而加宽，形成牢固键合；该种方法不需要任何粘合剂，而且键合温度低，键合界面牢固，长期稳定相好。但上述方法无法用于较大面积的玻璃金属封接过程中。因此对于用于太阳能真空集热管的Φ37以上大口径玻璃金属的封接，该方法并不适用，也未见成功案例。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于力热电耦合条件下的玻璃金属键合封接工艺，兼具了机械压力封接和阳极键合的双重优点，简化了工艺，提高了生产效率，提高了封接界面的稳定性和可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于力热电耦合条件下的玻璃金属键合封接工艺，将经过表面处理的玻璃和经过表面处理的金属片，或将经过表面处理的玻璃、中间金属焊料以及经过表面处理的金属片，叠合放置在温度场中，保证玻璃与金属片水平贴合，温度场升温，温度场的温度T₁达到金属熔点0.2-0.95倍时，对金属片施加5-40kg/cm²的初始压力F₁使玻璃和金属片紧密贴合，并保持3-5min，之后在0.1-1倍F₁的静压力F₂以及温度场T₂=0.2-0.8倍金属（指制成金属片的金属）熔点或温度场T₂=0.2-0.7倍中间金属焊料熔点的作用下，对玻璃和金属片施加直流电场，其中金属片为正极，玻璃为负极，电压控制在400-1000V，0.5-2h后结束，玻璃与金属键合封接完成。