Bi2O3基玻璃用于电子和相关应用的评价外文翻译资料

 2022-07-06 14:19:14

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Bi2O3基玻璃用于电子和相关应用的评价

摘要：此项工作对铋系低熔点玻璃在电子、传感器和相关应用材料，例如封接玻璃、太阳能电池、建筑和汽车玻璃的科技文献和专利进行了批判性的评价，其目的是用更环保的材料替代铅基材料。由于Bi和P具有相似的玻璃形成性能，铋系玻璃是含铅化合物配方中最接近的“嵌入式”替代品，因而已经在许多实际应用上取代了他们，这也有助于利用含铋材料之前的厚膜技术和元件金属化的经验。一些不可避免的问题需要被考虑，例如如何在达到铅基玻璃所能达到的最低加工温度的情况下不损害玻璃的耐久性、化学稳定性和化学还原性。最后，还要考虑在光学、超导体和核技术等领域有用的特殊“重”玻璃（通常同时包含BI和P），以及特定的含Bi2O3的结晶化合物。

关键词：玻璃，铋，Bi2O3，电子学，光学，厚膜技术，传感器

介绍

电子和其他应用中的低熔点玻璃

就陶瓷、无机玻璃、玻璃陶瓷和釉料而言早已超越其传统用途以应对各种现代技术挑战。例如电气工程/电子/传感器9-32，太阳能42,43，保护和装饰涂层20,27-35，光学/光通讯36,37，结构力学8，医学38，核技术6,7，超导体39和微流体40,41。

由于性能和成本标准，大多数标准玻璃具有相对较高的软化点。 然而，为了降低能量消耗，避免在加工过程中与玻璃接触损坏设备或确保与其他材料的兼容性，有许多技术应用需要低软化温度：

  1. 灯、电馈通和半导体器件的气密密封13,14,16,17,19,44,45；
  2. 传感器23,27的气密密封和机械连接（图1）；
  3. 封装半导体器件29,30；
  4. 汽车、包装和建筑玻璃釉面33,34,46-48；
  5. 光伏（PV）太阳能电池技术 - 导体和触点42,43,49-53；
  6. 在建筑和家用电器中搪瓷铝35,54-58；
  7. 在各种衬底上的厚膜（TF）电子器件和其它器件21,22,24,25,27,59：用于TF电阻器60（TFR）的玻璃61,62，导体63,64，釉面覆盖，电介质65和密封15-19材料（图1 “低熔点玻璃料中的PbO和TF技术”部分）; 特别是用于在玻璃或金属上制造电路和传感器的特殊低烧成组合物1,28,66-72。

在这些应用中，通常将玻璃配制成玻璃料（例如精细分散的粉末），可以通过各种方法将其分散在合适的介质中施加到基底上，例如丝网印刷，辊涂/涂布，喷涂，分配和电泳，或作为用于密封的预成型件。通常，上述应用必须在很大程度上使用基于铅的玻璃，它具有理想特性的相当独特的组合10-12，如将在下文关于“低熔点玻璃料和TF技术中的PbO”部分中讨论的。表1汇编了所选经典低熔点铅基玻璃的组成和熔点/加工温度。

图1显示了TF集成压力传感器27，该传感器说明了许多上述应用：与机械连接和电气接触相结合的传感膜的气密密封，通过潮湿表面的密封电介质，导体，电阻器和釉面玻璃封装。

尽管大多数低熔点玻璃用于基材或用于密封，但低熔点或熔点较低的玻璃有几种重要的“散装”应用：

  1. “铅”品质玻璃89；
  2. 核废料固定用玻璃6,95-98；
  3. 含铅CRT显像管玻璃89；
  4. 超导体合成，散装或薄膜，通过玻璃陶瓷路线39,99-105；
  5. 用于光学器件和通信的具有高折射率和远红外（IR）透过率的重金属氧化物（HMO）玻璃36,106-128；
  6. 用于光学器件和通信的具有高折射率和远红外（IR）透过率的重金属氧化物（HMO）玻璃36,106-128。

图1 示例TF电路，压阻式压力传感器27，显示了典型的相关材料：添加到密封玻璃以增强可视性的微红色调；“导电玻璃”密封低熔点TFR组成

表1 低熔点铅基玻璃的代表性组成（阳离子％*）[温度5 熔点（共晶）或加工温度（其他）]

*以阳离子为基础的组合物，即LiO0-5，NaO0-5，PbO，ZnO，BiO1-5，AlO1-5，BO1-5，SiO2等。

主要绩效标准

选择低熔点玻璃的性能标准取决于应用。上述应用的表2（层和密封）和表3（散装）给出了简短的概述。与大多数“薄膜”应用相比，以上列出的大多数“散装”示例都取决于HMO玻璃的存在，而不仅仅是需要可靠的低熔点玻璃。 在光学中，Pb2 和Bi3 等重的可极化阳离子赋予玻璃高衍射指数，高色散，强非线性效应和更好的红外透射12,36,112，而CRT和伽玛辐射屏蔽则受益于重元素对电离辐射的强烈吸收11,129,130。

低熔点玻璃料中的PbO和TF技术

厚膜电子元件广泛使用玻璃状化合物，用作上釉的主要成分，电介质和电阻器的永久性粘合剂，以及用作导体的玻璃料/粘合促进剂21,22,24,59,61-65。请注意，该技术和材料对于其他应用（如建筑/汽车/太阳能电池上釉和导体）非常相似。

对于导体，电阻和上釉（以及相对陈旧的电介质），大多数经典的低熔点玻璃料基于PbO-B2O3（硼酸铅）体系，主要添加了SiO2，ZnO和Al2O3。这些系统存在几个相图和属性图21,91-93,136-144。

与传统的含铅“晶体”玻璃相比89，表1给出了几种具有代表性的“传统”玻璃组成和相图中的一些代表性共晶组成。在整个工作中，除非另有说明，如Dumbaugh和Lapp 36所述，这些成分以阳离子为基础给出。当PbO被大约等摩尔量的“BiO1-5”代替时，该性质有利于与Bi2O3基玻璃的比较。

通过改变组成，可以容易且可靠地调整性质，特别是加工温度和结晶趋势。该系统中的低熔点玻璃具有相对接近的PbO-B2O3二元共晶组成，可以降低TF导体中的粘合剂玻璃量，和/或将低温TF导体，电介质的处理温度降低至400℃ ， 用于阴极射线管（CRT）和平板显示器（FPD）的玻璃密封（“焊料玻璃”），或用于半导体器件的玻璃封装的玻璃覆盖层和电阻器15,16,73,74。

表2用于层和密封的（相对）低熔点玻璃的要求*（lsquo;-rsquo;=通常不重要;lsquo; rsquo;=重要#39;;lsquo; rsquo;=关键）

*（a）密封有机部件和半导体/薄膜器件；（b）对于平面衬底上的薄层匹配不严格 - 避免拉应力；（c）应力松弛信号漂移的风险； （d）取决于环境，有时可能用有机物保护密封； （e）通常由于密封件重叠导体轨迹而显着（见图1）；（f）避免退化的关键45； （g）低过程温度和低热膨胀的困难组合，特别是在芯片上直接通过填料18；（h）表面状态的非导体也很重要29,30 - 减少/避免碱在电场下移动；（i）对敏感基材/其他层例是重要的，例如玻璃、金属、预燃TFR；（j）对于水下应用27或汽车应用至关重要48；（k）需要酸性浴池。

铅锌硼硅酸盐系统中的低熔点玻璃可以形成成基本上“稳定”的物质，例如，在密封或密封过程中很少或没有结晶，或者析晶；再如，形成大量的结晶相，从而在后期再加热时保持尺寸的稳定性。后者结晶玻璃被称为玻璃陶瓷，或玻璃密封术语中的“水泥”。在这些组合物中，通常大量的ZnO倾向于失透，而B2O3，SiO2和Al2O3倾向于稳定玻璃态（表1）。为了实现更低的加工温度和/或促进润湿，可以将化合物例如CuO，Fe2O3，Bi2O3，V2O5，WO3，MoO3和氟（分别为CaF2，PbF2，ZnF2，BiF3等）加入到玻璃配方19,75,145-152。有趣的是，研究发现能有效降低加工温度的氟气与玻璃相容性更好，其中大量的PbO被Bi2O3149取代。很大程度上可以通过基于PbO-TeO245，PbO-V2O5145,147,148，特别是SnO-SnF2-PbO-PbF2-P2O5153的玻璃达到很低的加工温度。

表3 低熔点“散装”玻璃的要求*（lsquo;-rsquo;=通常不重要;lsquo; rsquo;=重要#39;;lsquo; rsquo;=关键）

*（a）毒性/放射性化合物的最小挥发89,95和大部分/债券的压力; （b）良好的透明度和高折射率; （c）有毒和放射性组分的最少浸出; （d）对管件不重要的玻璃变褐; 屏蔽所需的X射线; （e）取决于应用：高折射率，IR透明度，非线性，发光效率; （f）尽管高辐射剂量，仍然保持透明度。

表4 与玻璃料结合使用的代表性材料/填料

*与玻璃中的PbO反应生成PbTiO3和PbMoO4161,162 - 也可能与Bi2O3发生同样的反应

玻璃料通常与其他填料（填料）的材料一起使用（表4）：电介质/上釉/封装/密封玻璃的绝缘粉末18,67,145,147,149-152,154，电阻器用导电氧化物61,62,155-157，金属粉末和粘附用于导体的促进剂63,64,88,158-160，颜料等等。对于密封，封装或TF overglazes等应用而言，即使填充物不是本质上要求的，通常在实践中发现他们是必要的或有利的，主要用来是调节沉积材料的热膨胀系数（CTE）与基底的热膨胀系数（CTE）（参见唐纳德的评论20，以获取更多的填充CTE）。填料也可以用作成核剂，以更好地控制反玻璃化玻璃的结晶过程。可选地或另外地，通过与填料反应可以获得玻璃的化学和机械稳定性：一个典型案例是含铅玻璃与TiO2和MoO3161,162,的反应，同时产生填料体积（通过形成PbTiO3 / PbMoO4）和玻璃软化点（通过玻璃PbO含量的消耗）的增加。

正确的配方、稳定和反玻璃化铅基玻璃均可实现非常一致和可靠的性能，相对较大的加工窗口，可接受的耐腐蚀性和低加工温度的优良组合，所有这些都不需要碱性氧化物。在它们的组成中，碱性氧化物对绝缘性能（由于在电场下碱性离子的迁移性）和化学耐久性不利，并且在大多数情况下赋予高CTE，这些均是有害的（除了CTE大于~10 ppm K-1）。由于这些优点已经被认可了很长时间（参见补充材料1 http://dx.doi.org/10.1179/ 1743280412Y.0000000010.S1中#39;玻璃中的铅和铋：历史透视#39;一节 ），这些铅基眼镜已经取得了广泛的应用，并成为广泛研究和评论的对象10-12。

表5给出了商业TF组合物现状的概述; 诸如ESL 4913的现代多层介电组合物通常是无铅的，并且最近引入的（相对）低熔点釉原料使用Bi2O3代替PbO。令人惊讶的是，即使是之前的组合物，如Ag / Pd导体DP 9473也使用Bi2O3基玻璃164。

表5商用TF墨水的定性组成（ = 高， = 中等， = 低，？ = 非常低或不存在）（Tf -燃烧器温度*）：电介质167（与LTCC比较）168-170，导体164和电阻器相比较85。硼最可能存在

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