基于界面强化的磷酸盐玻璃与铜可靠封接技术研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1190

摘要/Abstract

摘要：

针对电子封装领域的高可靠性应用需求，开发了一种基于铜基底的磷酸盐玻璃封接新工艺。通过在马弗炉与管式炉中对铜基底进行分步预氧化处理，成功在其表面构建了厚度约1.81 μm的Cu₂O致密氧化过渡层。系统研究了磷酸盐玻璃的热行为与析晶特性，发现其在632 ℃附近出现析晶放热峰，主要析出晶相为BaZnP₂O₇，且玻璃在555 ℃可实现预氧化铜基底上的完全熔融铺展。在560~580 ℃的封接温度内，玻璃对Cu₂O层的润湿性良好，封接器件表现出优异的气密性（氦泄漏率低于1×10^-10 Pa·m³·s^-1）和剪切强度（峰值达（110.5±13.0） MPa）。封接器件在经历100次常温至100 ℃的热循环后，核心性能未发生显著衰减，表明该封接体系具备较好的服役可靠性。

关键词: 电子封接, 磷酸盐玻璃, 铜氧化, 析晶行为, 气密性, 可靠性

Abstract:

In response to the demand for high-reliability applications in the field of electronic packaging， a novel sealing process of phosphate glass based on copper substrate has been developed. Through a stepwise pre-oxidation treatment of the copper substrate in a muffle furnace and a tube furnace， a dense Cu₂O transition layer with a thickness of approximately 1.81 μm was successfully constructed on its surface. The thermal behavior and crystallization characteristics of the phosphate glass were systematically investigated. Results indicate an exothermic crystallization peak near 632 ℃， with the primary crystalline phase being BaZnP₂O₇. Complete melting and spreading of the glass on the pre-oxidized copper substrate are achieved at 555 ℃. Within the sealing temperature range of 560~580 ℃， the glass exhibits good wettability on the Cu₂O layer. The sealed devices demonstrates excellent hermeticity （helium leakage rate below 1×10^-10 Pa·m³·s^-1） and shear strength （peak value of （110.5±13.0） MPa）. After undergoing 100 thermal cycles between room temperature and 100 ℃， the key performance metrics of the sealed devices show no significant degradation， indicating good service reliability of the sealing system.

Key words: electronic sealing, phosphate glass, copper oxidation, crystallization behavior, hermeticity, reliability

中图分类号:

TQ171

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图/表 9

图1 封接结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of sealing structure

图2 剪切强度测试示意图

Fig.2 Schematic diagram of shear strength test

图3 经过预氧化处理后的铜基底表面氧化物

Fig.3 Oxide on copper substrate surface after pre-oxidation

图4 铜基底截面形貌及EDS线扫描元素变化

Fig.4 Morphology of copper substrate cross-section and element change of EDS line scanning

表1 不同温度下玻璃在铜基底表面上的影像图

Table 1 Images of glass on copper substrate surface at different temperatures

Sample	Sintering temperature	Softening temperature	Sphere temperature	Halfsphere temperature	Melting temperature	Maximum test temperature
Glass

图5 不同温度下玻璃的析晶分析

Fig.5 Glass crystallization analysis at different temperatures

图6 不同封接温度下玻璃的热学性能

Fig.6 Thermal properties of glass at different sealing temperatures

图7 不同封接温度下封接器件的性能

Fig.7 Performance of sealed device at different sealing temperatures

图8 不同热循环次数后封接器件的性能

Fig.8 Performance of sealed device after different thermal cycles

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