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真空玻璃的阳极键合密封技术研究

作　者: 卢佳
导　师: 韩杰才
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 真空玻璃传热机理阳极键合电场力
分类号: TQ171.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题背景及意义  10-11
  1.2 真空玻璃的研究进展  11-14
  1.3 阳极键合封装技术的研究进展  14-17
  1.4 本文的主要研究内容  17-19
第2章真空玻璃热传递的优化分析  19-27
  2.1 真空玻璃与中空玻璃的传热机理  19-20
  2.2 玻璃腔体内的气体热导  20-21
  2.3 玻璃表面之间的辐射热导  21-22
  2.4 玻璃之间的支撑物的热导  22-23
  2.5 真空玻璃四周封边的传热影响  23-25
  2.6 真空玻璃整个单元的传热系数  25-26
  2.7 本章小结  26-27
第3章实验材料、装置及实验方案  27-35
  3.1 实验材料  27
  3.2 实验装置及实验过程  27-31
    3.2.1 大气中的实验装置  28-29
    3.2.2 真空中的实验装置  29-31
  3.3 分析及测试方法  31-35
    3.3.1 泄漏率检测  31-32
    3.3.2 超声波检测  32-33
    3.3.3 力学性能检测  33-34
    3.3.4 扫描电镜和能谱分析（SEM and EDS）  34-35
第4章真空玻璃阳极键合的实验结果分析  35-60
  4.1 标准大气环境下的阳极键合  35-39
    4.1.1 铝与玻璃的实验结果分析  35-36
    4.1.2 Sn-3.5Ag 合金与玻璃的实验结果分析  36-39
  4.2 真空环境下的阳极键合  39-59
    4.2.1 铝与玻璃的实验结果分析  39-48
    4.2.2 Sn-Ag 基合金与玻璃的实验结果分析  48-51
    4.2.3 Sn-0.5Al 合金与玻璃的实验结果分析  51-56
    4.2.4 焊料浇注方案  56-59
  4.3 本章小结  59-60
第5章阳极键合的电场力分析和计算  60-66
  5.1 电场作用下玻璃介质材料的极化  60-62
  5.2 结合界面间电场力的计算  62-65
  5.3 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-71
攻读学位期间发表的学术论文  71-73
致谢  73-74
个人简历  74

真空玻璃的阳极键合密封技术研究

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