玻璃与铝多层阳极键合接头力学性能分析.pdfVIP

学兔兔 第3期 (总第J 60期) 机 械 工 程 与 自动 化 No．3 2010年 6月 MECHANICAL ENGINEERING AUT0MAT10N Jun． 文章编号：1672—641 3(2010)03—0099—03 玻璃与铝多层阳极键合接头力学性能分析 阴 旭，贾托胜 (太原科技大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024) 摘要：阳极键合是一种利用电和热相互作用实现固体电解质玻璃(陶瓷)与金属材料固态连接的一种新方法。运 用共阳极法实现多层玻璃／铝的键合，并采用微拉伸试验和MARC非线性有限元分析软件，分析了玻璃与铝多 层键合试件冷却后，接头的力学性能和残余应力分布状况。试验发现，在玻璃／铝／玻璃多层连接区，键台界面 附近的残余应力和应变呈对称分布，多层结构的对称性有利于缓解接头应变和应力，表明应用公共阳极法可实 现多层玻璃／铝／玻璃的良好键合。 关键词：阳极键合；多层；有限元分析；力学性能 中图分类号：TB303 文献标识码：A 0 引言 0．02 mm，表面粗糙度Ra0．1／,m。 阳极键合过程中，由于玻璃与金属材料热膨胀系 将多层玻璃与铝箔叠放并夹持于专用键合试验炉 数的差异使冷却过程中收缩不均匀，从而导致的残余 平台的正、负电极之间。铝为公共阳极，两侧玻璃接 应力和变形直接降低了接头强度，影响了连接质量和 阴极。键合工艺参数为：温度350 C～450 C，电场电 MEMS(Microelectromeehanieal System，微机电系统) 压400 V～700 V，压 力0．05 MPa～1 MPa，时 间 产品性能。因此，对残余应力和变形进行分析并在此 10 min 15 min。试验结束后，让试件随炉冷却，冷却 基础上提出缓解抬：包是提高阳极键合性能的一个有效 速度1℃／s。本项研究应用的有限元分析软件是MSC 途径。目前有关阳极键合力学性能的研究多集中在键 公司的产品MSC．MARC。考虑在键合温度下铝将发 合强度分析、键合强度测试及其评价方法等方面口]，而 生塑性变形，因此玻璃与铝阳极键合冷却过程中的应 关于玻璃与铝多层阳极键合试件接头的力学特征和残 力有限元分析属于弹塑性分析，其理论基础为弹塑性 余应力与变形的有限元分析尚未见报道。本文进行了 理论，并考虑材料性能随温度的变化。 键合试样的微拉伸试验，并建立了多层玻璃与铝连接 2 力学性能分析 界面应力应变分析模型，为MEMS新产品的设计及 采用Instron5544万能材料试验机对连接试样进 质量提高提供了理论依据l_2]。 行静载剪切强度测试，见图1。由图1可以看出抗剪强 1 试验材料和试验方法 度随键合温度和电压的升高而增大。在电场电压 多层键合结构制备过程中，对整个片子的平整性 500 V、键合时间15 min条件下，当温度从350 C增加 要求很高，应该充分考虑到不同材料的热膨胀系数所 ~J450℃时，剪切强度从8．8 MPa增加到17．6 MPa；在 带来的热应力问题，处理不好会直接导致整个键合片 键合温度400 C、键合时间15 min条件下，当电压从 发生形变与翘曲，因此热应力的控制至关重要。试验 400 V增加到700 V时，剪切强度增加超过 2倍(从 所用玻璃为美国康宁(corni