软钎料在玻璃表面润湿机理研究

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玻璃间的连接已被广泛应用于电子、机械、航空航天各个方面,实现玻璃在280℃以下的低温连接需采用镀膜工艺,但无论是否真空镀膜,膜层出现缺陷是不可避免的。在膜层的加工过程中,划伤、针孔、膜层局部不均匀等缺陷会影响镀膜的质量,进而影响焊接后的质量,因此玻璃金属化后焊接存在一些问题,但鲜有学者研究软钎焊温度下钎料在玻璃表面直接润湿。因此本文的主要研究内容实现玻璃在280℃以下的直接润湿和连接。通过试验与理论相结合的方法,分析玻璃表面状态及成分对润湿性的影响,钎料在玻璃表面润湿性不佳的原因,通过在钎料中加入挥发性元素Zn,改变界面张力,最终实现了软钎焊温度下钎料在玻璃表面的润湿。试验验证玻璃金属化后的润湿性能,通过对玻璃表面镀镍及金膜的试验,实现玻璃在低温下的良好润湿。镀镍膜试验结果表明:随膜厚的增加,镀膜层趋于平整且裂纹等缺陷减少,镍层对钎料有更好的溶解性,润湿角最小值可达到28.8o。镀金膜试验结果表明,当镀膜与基体的结合力小于5N膜厚小于1.5μm时,钎料有去润湿现象;当镀膜和基体之间的结合力增大,增长润湿时间,可观察到润湿角逐渐减小,最小达11.80o,从界面观察可知Au在钎料中的充分溶解是镀膜和基体之间润湿角减小的根本原因。在软钎焊温度下进行玻璃表面润湿性能的试验,使用In-48Sn共晶钎料在钠钙硅玻璃、磨砂玻璃及钠硼硅玻璃表面进行润湿,均呈现不润湿状态。对三种玻璃进行1000#砂盘打磨和HF酸酸洗处理改变其表面状态后,进行润湿试验,试验结果表明:润湿角大于90o。Wenzel方程结合AFM结果可知液滴克服其表面起伏不平造成的势垒所需能量不同,使润湿角改变。结合Young氏方程分析,在温度180℃时,cosθ<0,θ>90o,所以钎料在玻璃表面不润湿。真空下使用含有挥发性元素Zn的Sn-20Zn钎料,进行润湿试验。试验结果表明:Zn在真空下有挥发趋势,可在界面形成偏聚,影响界面张力,增大润湿驱动力,实现钎料对玻璃的直接润湿。真空下润湿角为16.62o,玻璃和钎料紧密接触形成平直界面,钎料在与玻璃形成的界面处,出现Zn的偏聚现象,生成深灰色的相,原本钎料中黑色的针状结构明显减少。并进一步从热力学和动力学角度分析了润湿角减小的原因,化学势差促进了Zn的偏聚,使得钎料表面张力减小,加快了三相线的移动,增大润湿驱动力,最终实现润湿。
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