融封玻璃是電子業中用於絕緣以及密封的基礎材料之ㄧ，本研究即藉由溶膠-凝膠法製備超微細融封玻璃前驅粉末，再將前驅粉末經由燒結程序製得耐高溫、耐酸鹼與高抗壓之玻璃。於金屬改質方面則藉由預氧化技術改善金屬表面結構，以增加金屬與玻璃接合時接合面的化學鍵結性與潤濕性，最後經由玻璃/金屬異材融封技術將玻璃與金屬連接。
在本研究中是選用硝酸鈉(NaNO3)、硝酸鍶(Sr(NO3)2)與四乙醇基矽(TEOS)藉由溶膠-凝膠法製備出鈉鍶矽玻璃前驅體粉末，經後續熱處理製得融封用鈉鍶矽玻璃。所得之鈉鍶矽玻璃前驅體粉末粒徑約為100~500 nm，其熱處理溫度於空氣中可低於850℃。鈉鍶矽玻璃的熔點為850~880℃，其熱膨脹係數為6.575×10-6~9.136×10-6℃-1。玻璃前驅粉末與玻璃粉末的性質藉由X光繞射儀、熱重分析儀、熱差分析儀與熱機械分析儀來量測，而微觀結構則是藉由掃描式電子顯微鏡觀察。

Sealing glasses are extensively used in electronic industries as insulation and sealing materials. The ultrafine sealing glass precursor powders were fabricated using the sol-gel method in this study. The crystallization processing was performed by the sintering to make the glass with mechanical, chemical and physical properties, such as the thermal resistance, the anti-corrosion and high pressure resistance. The preoxidation was utilized on the alloy surface. The metal surface structure was improved with higher chemical bondings and perfect wetting. Finally, the glass and metal were jointed by the hermetic sealing technique.
Sodium strontium silicate glass precursor powders were synthesized by the sol-gel process using sodium nitrate (NaNO3), strontium nitrate (Sr(NO3)2) and tetraethoxyorthosilicate (TEOS). Followed by the heat treatment, sodium strontium silicate glasses were obtained. The mean particle size of the glass precursor powder was approximately 100~500 nm. The sodium strontium silicate glass precursor powder can be treated below 850℃ in air. The melting point of the sodium strontium silicate glass was in the range of 850~880℃. The thermal expansion coefficient of the sodium strontium silicate glass was in the range of 6.575×10-6~9.136×10-6 ℃-1 . The physical and thermal properties of glass precursor powder and glass powder were characterized by the thermogravimetry analysis, the differential thermal analysis, and the thermomechanical analysis. The microstructure of the glasses were observed by the scanning electron microcopy.

目錄

致謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
1. 前言 1
2. 理論背景 3
2.1 玻璃組成與結構 3
2.2 溶膠－凝膠法 5
2.2.1 溶膠與凝膠 6
2.2.2 水量對水解與凝膠形成的影響 6
2.2.3 水解與縮合反應 7
2.2.3.1 無機鹽水解與縮合反應 7
2.2.3.2 金屬有機分子的水解縮合反應 8
2.2.4 前驅物的選擇 9
2.2.5 溶劑的選擇 10
2.2.6 催化劑 10
2.3 玻璃與金屬之融封 10
2.3.1 玻璃與金屬間的潤濕 11
2.3.2 熱膨脹係數 11
2.3.3 融封的溫度 12
2.4 儀器原理 13
2.4.1 熱差分析儀 13
2.4.2 熱重分析儀 13
2.4.3 熱機械分析儀 14
2.4.4 X光繞射儀 14
2.4.5 掃描式電子顯微鏡 16
3. 實驗 19
3.1 溶膠凝膠法製備玻璃粉末 19
3.1.1 實驗藥品 19
3.1.2 實驗儀器設備 20
3.2 實驗流程 20
3.3 實驗步驟 22
3.3.1鈉鍶矽玻璃前驅體粉末 22
3.3.2 鈉鍶矽玻璃粉末 23
3.4 微結構與特性分析 26
3.4.1 熱分析 26
3.4.2 微結構觀察 26
3.4.3 晶形分析 26
3.5 金屬與玻璃之融封 26
3.5.1 金屬之預氧化 26
3.5.2 玻璃與金屬融封程序 27
4. 結果與討論 29
4.1 溶膠凝膠法製程探討 29
4.1.1 催化劑的影響 29
4.1.2前驅體粉末之熱分析 31
4.1.3 玻璃粉末之熱分析 34
4.1.4 玻璃粉末之X光繞射分析 37
4.1.5 玻璃微結構觀察 40
4.1.6 酸催化玻璃粉末之探討 42
4.1.6.1 熱分析 42
4.1.6.2 熱膨脹係數量測 46
4.1.6.3 SEM觀察 53
4.2 玻璃與異材接合 56
4.2.1 金屬之預氧化 56
4.2.2 酸催化鈉鍶矽玻璃與金屬接合 57
5. 結論 60
參考文獻 62
自傳 65



表目錄

表3.1 鈉鍶矽玻璃前驅體粉末配方表 22
表4.1 R(H2O/TEOS mole ratio)= 8、10、15、20、30之前驅體粉末經850℃高溫熱處理後，TGA失重百分比與溫度以及DTA吸熱與放熱溫度 45
表4.2 不同R(H2O/TEOS mole ratio)=8、10、15、20、30熱膨脹係數量測結果 52


圖目錄

圖2.1 矽酸鈉玻璃結構之示意圖 3
圖2.2 水於不同固體表面之表面潤濕現象示意圖；(a)水滴於荷葉表面，(b)水滴於木板表面。 11
圖2.3 X光繞射概要圖[29] 15
圖2.4 布拉格定律[29] 15
圖2.5 SEM量測示意圖[30] 17
圖3.1 實驗流程圖 21
圖3.2 溶膠凝膠反應步驟圖 23
圖3.3 鈉鍶矽玻璃燒結與分析的流程圖 24
圖3.4 鈉鍶矽玻璃前驅體粉末燒結升溫曲線圖(a)鹼催化；(b) 酸催化 25
圖3.5 KOVAR金屬預氧化流程圖 27
圖3.6 玻璃與金屬相接合流程圖 28
圖4.1 經200℃烘乾後之前驅體粉末之SEM與粒徑分析圖，(a)鹼催化SEM(×20000)；(b)酸催化SEM(×20000)；(c)鹼催化 粒徑分析(341nm~1.3μm)；(d)酸催化 粒徑分析(78nm~754nm)。 30
圖4.3 前驅體粉末之熱處理曲線圖，(a)鹼催化；(b)酸催化。 33
圖4.4 前驅體粉末經高溫熱處理後，以10℃/min的升溫速率加熱至1200℃，所獲得的熱分析結果，(a)TGA；(b)DTA圖。 36
圖4.5 經高溫熱處理後之鹼催化鈉鍶矽玻璃粉末XRD檢測結果 38
圖4.6 經高溫熱處理後之酸催化鈉鍶矽玻璃粉末XRD檢測結果(a)750℃；(b)950℃。 39
圖4.7 玻璃粉末經壓錠及高溫熱處理後之SEM觀測結果，(a)鹼催化(875℃)；(b)酸催化(850℃)。 41
圖4.8 不同R(H2O/TEOS mole ratio)之前驅體粉末經850℃高溫熱處理後，以10℃/min的升溫速率加熱至1200℃，所獲得的熱分析結果，(a)TGA；(b)DTA圖。 44
圖4.9 R(H2O/TEOS mole ratio)=8、10、15、20、30 經高溫熱處理後之酸催化玻璃粉末，重量損失百分比與重量損失溫度圖 45
圖4.10 R(H2O/TEOS mole ratio)=8之鈉鍶矽玻璃粉末，經950℃壓錠燒結後TMA量測結果 47
圖4.11 R(H2O/TEOS mole ratio)=10之鈉鍶矽玻璃粉末，經950℃壓錠燒結後TMA量測結果 48
圖4.12 R(H2O/TEOS mole ratio)=15之鈉鍶矽玻璃粉末，經950℃壓錠燒結後TMA量測結果 49
圖4.13 R(H2O/TEOS mole ratio)=20之鈉鍶矽玻璃粉末，經950℃壓錠燒結後TMA量測結果 50
圖4.14 R(H2O/TEOS mole ratio)=30之鈉鍶矽玻璃粉末，經950℃壓錠燒結後TMA量測結果 51
圖4.15 R(H2O/TEOS mole ratio)=8、10、15、20、30之鈉鍶矽玻璃粉末，經950℃壓錠燒結後TMA量測結果。 52
圖4.16 不同R(H2O/TEOS mole ratio)前驅體粉末經200℃烘乾後之SEM圖(×5000)；(a) R =8；(b) R=10；(c) R=15；(d) R=20；(e) R=30。 54
圖4.17 不同R(H2O/TEOS mole ratio)前驅體粉末經200℃烘乾後之SEM圖(×20000)；(a) R =8；(b) R=10；(c) R=15；(d) R=20；(e) R=30 55
圖4.18 Fe-Co-Ni合金(KOVAR)經700℃預氧化之圖，(a)預氧化前之相片；(b)預氧化後之相片；(c)預氧化前OM圖(×250)；(d)預氧化後OM圖(×250) 56
圖4.19 Fe-Co-Ni合金(KOVAR)經700℃預氧化之SEM圖，(a)預氧化後金屬之橫切面；(b)預氧化後之金屬表面。 57
圖4.20 鈉鍶矽玻璃與金屬於800℃經不同時間融封情形(黑-鈉鍶矽玻璃；銀-KOVAR)，(a)20min(×250)；(b) 20min(×400)；(c)30min(×250)；(d)30min(×400)。 58
圖4.21 鈉鍶矽玻璃與金屬，於850℃經不同時間融封情形(黑-鈉鍶矽玻璃；銀-KOVAR)，(a)10min(×250)；(b)10min(×400)；(c)20min(×250)；(d)20min(×400)；(e)30min(×250)；(f)30min(×400)。 59

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