一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体的制备方法与流程

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1.本发明属玻璃制备技术领域，涉及一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体的制备方法。

背景技术：

2.封接玻璃粉是指通过加热，将同种或不同种材料封接在一起的特种玻璃，它可以实现半导体、玻璃、陶瓷、金属间的相互连接和密闭封装。mems（micro-electro-mechanical systems）微型电子机械系统封接玻璃粉是一种具有熔封温度低、封接强度高、密封效果好和稳定性高等特点的特种玻璃，是一种性能优异的无机非金属材料。mems封接主要实现三个功能：机械支撑、环境保护、电气连接，具体包括：1.基片之间的键合，例如将硅晶片键合到由玻璃、石英、蓝宝石、陶瓷和金属材料制成的承载晶片上；2.将微元件固定到承载基片上，例如将硅模片固定到由玻璃或陶瓷制成的基板上；3.微器件上转换器的输入输出引线及导电电线的连接。mems封装使用玻璃粉封接的优势在于，需要的封装温度低，键合强度高，同时对封装基板表面没有特殊要求；封接玻璃热膨胀系数与硅较为匹配，密封效果好，工艺简单，生产效率高，可实现低成本高可靠的圆片级封装。因此，在满足稳定性和可靠性的条件下，玻璃粉封装在圆片级封装中有广泛的应用，具体应用的器件领域包括压力传感器、光学传感器、mems麦克风、微马达、陀螺仪等。
3.由于mems器件体积非常小，大小只有几毫米左右，封装难度大，必须采用特殊的技术和材料进行封装。而且，mems封装成本高，其封装成本占整个mems器件成本的50%~80%左右，远高于普通电子器件封装的成本。国外只有美国ferro公司、日本neg公司、美国diemat公司等少数公司有此类产品销售，像美国ferro公司的牌号为11-036产品封接温度达到450℃，热膨胀系数为90
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10-7 /℃ (20~ 300 ℃)，与硅的26
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10-7
/℃以及pyrex玻璃的33
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10-7
/℃相对接近（热膨胀系数的匹配更有利于封接性能的实现），且封接温度和封接强度适宜，故使用量最大；美国diemat公司的牌号为dm2700的产品封接温度为320~370℃，热膨胀系数77
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10-7
/℃，封接温度低，但是封接强度偏小；日本neg的pbo-sio
2-al2o3型封接玻璃粉热膨胀系数虽然低至40
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10-7
/℃，但是封接温度较高超过500℃。可以看出，目前市售的mems封接玻璃粉基本上是含铅封接玻璃粉，如pbo-zno-b2o3系或者pbo-b2o
3-sio2系玻璃，其氧化铅含量最高可达80%。环保、无铅化已成为世界电子行业的发展方向。

技术实现要素：

4.本发明的目的是为了弥补现有技术中存在的热膨胀系数与玻璃不匹配以及流动性差的不足，提供一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体及其制备方法；本发明通过控制配方：bi2o
3-b2o
3-zno体系玻璃，其玻璃组成还含有p2o5、v2o5、al2o
3 、mgo 、na2o、li2o、sio2、k2o、cao其中的一种或多种按任意配比的混合物；它们共同作用改善了对玻璃低温特性、析晶特性、热膨胀、封接温度及化学稳定性，制备出无铅mems封接玻璃粉。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体，其特征在于：由以下质量百分比的原料组成：bi2o
3 50~90%、b2o
3 8~30%、zno 5~20%，还含有质量百分比不超过10%的p2o5、v2o5、al2o
3 、mgo 、na2o、li2o、sio2、k2o、cao其中的一种或多种按任意配比的混合物。
6.进一步的技术方案是：所述低熔点封接玻璃粉体由以下质量百分比的原料组成：bi2o
3 62%、b2o
3 19%、zno 9%、p2o
5 1%、v2o
5 2%、al2o
3 1.5%、mgo 0.5% 、na2o 2%、li2o 1%、sio
2 1%、k2o 0.5%、cao 0.5%；进一步的技术方案是：所述低熔点封接玻璃粉体由以下质量百分比的原料组成：bi2o
3 72%、b2o
3 12%、zno10%、p2o50.5%、v2o51%、al2o30.25%、mgo1% 、na2o1%、li2o0.25%、sio21%、k2o0.5%、cao0.5%；进一步的技术方案是：所述低熔点封接玻璃粉体由以下质量百分比的原料组成：bi2o
3 80%、b2o39%、zno 6%、p2o50.5%、v2o51.5%、al2o30.2%、mgo0.5% 、na2o0.5%、li2o0.3%、sio20.5%、k2o0.5%、cao0.5%。
7.本发明还提供了一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体的制备方法，包括以下步骤：按上述封接玻璃粉体组成的原料及其配比组成玻璃配合料充分混合，经高温熔制、水淬、干燥与除杂、破碎与粉磨、精密分级，制备好的玻璃粉体在保证较低的封接温度的同时，也能有匹配的热膨胀系数，且具有较好的流动性。
8.在上述技术方案的基础上，进一步的制备方法为：（1）按上述配比称取各原料，并按以下步骤进行熔制：由室温升至700~800℃，用时1~3小时，由700~800℃升至1100~1300℃，用时1~2小时，并保温1~3小时；（2）将熔制好的玻璃进行水淬、干燥与除杂、破碎与粉磨；（3）对于玻璃粉粒度和性能有特殊要求，将水淬好的碎玻璃进行干燥与除杂、而后粗破，之后按如下质量百分比称取各原料组成混合物：45~55%的玻璃粉，加入51-52%的溶剂（优选蒸馏水）、0.1-0.3%分散剂（优选0.2%羟甲基纤维素钠）、2~3%的粘结剂（peg），组成的混合物进行研磨，得到的浆料再进行压力式喷雾造粒，进口温度控制在220~250℃，再对造粒粉进行精密分级，筛去100目筛上的大颗粒以及325目筛下过细粉得到本发明所述的用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体。
9.本发明中，bi2o3用于降低玻璃的软化点，适度赋予流动性，并将热膨胀系数调整至适宜范围；b2o3是玻璃的形成氧化物，能起到助熔的作用，降低玻璃的熔制温度，加速玻璃的熔解和澄清，低于8%时效果较差，抑制玻璃的热膨胀系数的过度上升，且在封接时能赋予玻璃粉以适度的流动性，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性，高于30%时，玻璃的稳定性以及耐酸性就会降低，更优选在10~20%；zno用于降低玻璃的软化点，并将热膨胀系数调整至适宜范围，保证玻璃粉体的耐酸性，当高于20%时，玻璃将变得不稳定，容易产生失透，更优选在7~12%；sio2是形成玻璃硅氧四面体并连接构成玻璃网络结构的主要成分，sio2能降低玻
璃的热膨胀系数，提高玻璃的热震稳定性、化学稳定性、硬度、机械强度等，是获得高的耐酸性而必须的成分，当sio2的含量过大时，玻璃的熔制温度会增高，而且可能导致析晶；al2o3能降低玻璃的结晶倾向，提高玻璃的化学稳定性、热稳定性、机械强度、硬度等，玻璃中碱金属含量较多，网络断裂比较严重的情况下，加入中间体氧化物（如al2o3），可使断裂的硅氧四面体重新连接而使玻璃的结构变得更为稳定；li2o、na2o、k2o可以在玻璃熔融时提高熔解性，降低玻璃的软化点，因此玻璃中优选0~6%的范围中至少一种。
10.相比于现有技术，本发明具有如下优点：本发明热膨胀系数为90
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10-7 /℃ (20~ 300 ℃)左右，匹配的热膨胀系数更有利于封接性能的实现，且封接温度低（＜460℃）、封接强度高、密封效果好和稳定性高等性能的微型电子机械系统封接玻璃粉体。
11.本发明调整了玻璃配方，加入了一定量的p2o5、v2o5、al2o
3 、mgo 、na2o、li2o、sio2、k2o、cao，这些原料共同作用下，降低玻璃的软化点，并将热膨胀系数调整至适宜范围，使得封接温度有550℃附近下降到了450℃附近；且本专利将水淬好的碎玻璃进行干燥与除杂、而后粗破，之后加入溶剂、分散剂、粘结剂等一起研磨，得到的浆料进行喷雾造粒，再对造粒粉进行精密分级，增加了玻璃粉体的流动性，有利于粘结剂等有机物的排出，封接时不易开裂，有利于提高mems器件的封接性能。
具体实施方式
12.一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体及其制备方法，具体实施步骤如下：实施例1（1）按如下质量百分比称取各原料：bi2o
3 62%、b2o
3 19%、zno 9%、p2o
5 1%、v2o
5 2%、al2o
3 1.5%、mgo 0.5% 、na2o 2%、li2o 1%、sio
2 1%、k2o 0.5%、cao 0.5%；（2）按上述配比称取各原料，并按以下步骤进行熔制：由室温升至700~800℃，用时1~3小时，由700~800℃升至1100~1300℃，用时1~2小时，并保温1~3小时；将熔制好的玻璃进行水淬、干燥与除杂、而后粗破，之后按如下质量百分比称取各原料组成混合物：45~55%的玻璃粉， 52%蒸馏水、0.2%羟甲基纤维素钠、2.5%peg、脱模剂硬脂酸0.3%、消泡剂正辛醇0.001%，组成的混合物进行研磨，得到的浆料再进行压力式喷雾造粒，进口温度控制在240℃，再对造粒粉进行精密分级，筛去100目筛上的大颗粒以及325目筛下过细粉，得到本发明所述的低熔点封接玻璃粉体。
13.实施例2（1）按如下质量百分比称取各原料：bi2o
3 72%、b2o
3 12%、zno10%、p2o50.5%、v2o51%、al2o30.25%、mgo1% 、na2o1%、li2o0.25%、sio21%、k2o0.5%、cao0.5%；（2）按上述配比称取各原料，并按以下步骤进行熔制：由室温升至700~800℃，用时1~3小时，由700~800℃升至1100~1300℃，用时1~2小时，并保温1~3小时；将熔制好的玻璃进行水淬、干燥与除杂、而后粗破，之后按如下质量百分比称取各原料组成混合物：50%的玻璃粉，47%蒸馏水、0.2%羟甲基纤维素钠、2.5%peg、脱模剂硬脂酸0.3%、消泡剂正辛醇0.001%，组成的混合物进行研磨，得到的浆料再进行压力式喷雾造粒，进口温度控制在230℃，再对
造粒粉进行精密分级，筛去100目筛上的大颗粒以及325目筛下过细粉，得到本发明所述的低熔点封接玻璃粉体。
14.实施例3（1）按如下质量百分比称取各原料：bi2o
3 80%、b2o39%、zno 6%、p2o50.5%、v2o51.5%、al2o30.2%、mgo0.5% 、na2o0.5%、li2o0.3%、sio20.5%、k2o0.5%、cao0.5%；（2）按上述配比称取各原料，并按以下步骤进行熔制：由室温升至700~800℃，用时1~3小时，由700~800℃升至1100~1300℃，用时1~2小时，并保温1~3小时；将熔制好的玻璃进行水淬、干燥与除杂、而后粗破。之后按如下质量百分比称取各原料组成混合物：55%的玻璃粉，加入溶剂（42%蒸馏水）、分散剂（0.2%羟甲基纤维素钠）、粘结剂（2.5%peg）、脱模剂（硬脂酸0.3%）、消泡剂（正辛醇0.001%），上述混合物进行研磨，得到的浆料再进行压力式喷雾造粒，进口温度控制在220℃，再对造粒粉进行精密分级，筛去100目筛上的大颗粒以及325目筛下过细粉，得到本发明所述的低熔点封接玻璃粉体。
15.本发明实施例的效果如下表所示项目热膨胀系数（*10-6
℃）封接温度（℃）气密性（pa
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cm/s）实施例一8.43459.61.05
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10-6
实施例二7.96455.81.22
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10-6
实施例三8.09456.41.13
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10-6
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：

1.一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体，其特征在于：由以下质量百分比的原料组成：bi2o
3 50~90%、b2o
3 8~30%、zno 5~20%，还含有质量百分比不超过10%的p2o5、v2o5、al2o
3 、mgo 、na2o、li2o、sio2、k2o、cao其中的一种或多种按任意配比的混合物。2.根据权利要求1所述的一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体，其特征在于：所述低熔点封接玻璃粉体由以下质量百分比的原料组成：bi2o
3 62%、b2o
3 19%、zno 9%、p2o
5 1%、v2o
5 2%、al2o
3 1.5%、mgo 0.5% 、na2o 2%、li2o 1%、sio
2 1%、k2o 0.5%、cao 0.5%。3.根据权利要求1所述的一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体，其特征在于：所述低熔点封接玻璃粉体由以下质量百分比的原料组成：bi2o
3 72%、b2o
3 12%、zno10%、p2o50.5%、v2o51%、al2o30.25%、mgo1% 、na2o1%、li2o0.25%、sio21%、k2o0.5%、cao0.5%。4.根据权利要求1所述的一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体，其特征在于：所述低熔点封接玻璃粉体由以下质量百分比的原料组成：bi2o
3 80%、b2o39%、zno 6%、p2o50.5%、v2o51.5%、al2o30.2%、mgo0.5% 、na2o0.5%、li2o0.3%、sio20.5%、k2o0.5%、cao0.5%。5.如权利要求1-4所述的一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）按上述配比称取各原料，并按以下步骤进行熔制：由室温升至700~800℃，用时1~3小时，由700~800℃升至1100~1300℃，用时1~2小时，并保温1~3小时；（2）将熔制好的玻璃进行水淬、干燥与除杂、破碎与粉磨；（3）对于玻璃粉粒度和性能有特殊要求，将水淬好的碎玻璃进行干燥与除杂、而后粗破，之后按如下质量百分比称取各原料组成混合物：45~55%的玻璃粉，加入51-52%的溶剂、0.1-0.3%分散剂、2~3%的粘结剂，组成的混合物进行研磨，得到的浆料再进行压力式喷雾造粒，进口温度控制在220~250℃，再对造粒粉进行精密分级，筛去100目筛上的大颗粒以及325目筛下过细粉得到本发明所述的用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体。6.根据权利要求5所述的一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，加入的溶剂优选51%蒸馏水、分散剂优选0.2%羟甲基纤维素钠、粘结剂优选2~3%peg。

技术总结

本发明涉及一种用于微型电子机械系统的低熔点封接玻璃粉体及其制备方法，其特征在于：玻璃组分按质量百分比组成包括Bi2O350~90%、B2O38~30%、ZnO 5~20%，其玻璃组成还含有质量百分比不超过10%的P2O5、V2O5、Al2O3、MgO、Na2O、Li2O、SiO2、K2O、CaO其中的一种或多种按任意配比的混合物；将称量好的玻璃配合料充分混合，经高温熔制、水淬、干燥与除杂、破碎与粉磨、精密分级，得到一种具有熔封温度低、封接强度高、密封效果好和稳定性高等性能的微型电子机械系统封接玻璃粉体。械系统封接玻璃粉体。