Легкоплавкое стекло

 

Изобретение относится к технологии стекла, а именно к составам легкоплавких некристаллизующихся стекол, и предназначено для использования в качестве спая и герметика в производстве кварцевых высокотемпературных термочувствительных резонаторов. Легкоплавкое стекло для спаивания и герметизации монокристаллического кварца Z-среза имеет следующий состав, вес.%: PbO 80,5-82,5; B₂O₃ 5,5-7,5; SiO₂ 0,5-0,9; ZnO 5,5-6,5; Cu₂O 1,0-1,5; Bi₂O₂ 1,0-2,5; Co₂O₃ 1,5-3,5. Технической задачей изобретения является снижение ТКЛР и повышение температуры размягчения и спаивания стекла. 2 табл.

Изобретение относится к технологии стекла, а именно к составам легкоплавких некристаллизующихся стекол, и предназначено для использования в качестве спая и герметика в производстве кварцевых высокотемпературных термочувствительных резонаторов, в частности резонаторов марок РКТВ 206 и РКОВ 206, на основе которых производятся терморегуляторы с аналоговым и цифровым выходом.

Указанные терморегуляторы состоят из корпуса, выполненного из монокристаллического кварца Z-среза и характеризуются интервалом рабочих температур от 0 до 400^oC.

Стекла для герметизации таких резонаторов должны иметь температурный коэффициент линейного расширения, согласованный с ТКЛР монокварца Z-среза (100-10510^-7К^-1), образовывать прочный вакуумный спай с кварцем и иметь температуру спаивания (герметизации) 460 10^oC, т.е. выше максимальной рабочей температуры резонатора, для обеспечения стабильной его работы в области высоких температур.

Известно стекло для герметизации микросхем, содержащее, мас. %: SiO₂ 13-18; В₂O₃ 5,5-9,5; Al₂O₃ 6-8; PbO 60,5-64,5; ZnO 4-6; SnO₂ 1-2; ZrO₂ 1-2. Недостатками стекла являются высокая температура начала размягчения (430+10^oC) и низкий температурный коэффициент линейного расширения (602)10^-7 1/град [1].

Известно стекло, предлагаемое в качестве герметика, содержащее, мас.%: PbO 72,5-77; В₂O₃ 7,0-11,0; Bi₂O₃ 6,0-12,0; ZnO 1,5-2,5; SiO₂ 0,5-1,2; Ti₂O₃ 1,0-6,0; Nb₂O₅ 0,5-1,3 [2] . Существенным недостатком стекла является содержание в его составе высокотоксичного компонента - оксида таллия, что требует особых условий синтеза стекла, а также низкая водоустойчивость (IV гидролитический класс).

Наиболее близким к предлагаемому стеклу по технической сущности и достигаемому результату является стекло, содержащее, мас.%: PbO 16,0-33,0; В₂O₃ 2,0-2,5; SiO₂ 1,0-1,5; ZnO 3,0-6,0; Bi₂O₃ 60,0-75,0 [3].

Стекло характеризуется хорошей адгезионной прочностью к пьезокварцу и высокой влагостойкостью. Однако ТКЛР стекла составляет 120-13510^-7K^-1, а температура начала размягчения и температура спаивания ниже требуемых значений, что не позволяет применять данное стекло для герметизации высокотемпературных терморегуляторов указанных марок, т.к. ограничивает верхний предел рабочей температуры резонатора.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение ТКЛР и повышение температуры начала размягчения и спаивания стекла в целях обеспечения стабильной работы резонатора при высоких температурах (до 400^oC).

Для решения поставленной задачи предлагается легкоплавкое стекло, включающее PbO, B₂O₃, SiO₂, ZnO, Cu₂O, Bi₂O₃, Co₂O₃, которое содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%: PbO 80,5 - 82,6; B₂O₃ 5,5 - 7,5; SiO₂ 0,5-0,9, ZnO 5,0-6,5; Cu₂O 1,0 - 1,5; Bi₂O₃ 1,0 - 2,5; Co₂O₃ 1,5 - 3,5.

Количественное сочетание указанных компонентов в предлагаемом составе легкоплавкого стекла, предназначенного для герметизации высокотемпературных резонаторов, позволяет повысить температуру начала размягчения и температуру спаивания при одновременном снижении ТКЛР стекла, что даст возможность получить согласованный спай стекла с материалом корпуса резонатора и обеспечит стабильную работу последнего в области рабочих температур до 400^oC.

Из источников литературы не известно стекло для спаев и герметизации с данным сочетанием компонентов и предлагается впервые.

Шихту для варки стекла приготавливают из следующих сырьевых материалов: свинцового сурика, борной кислоты, кварцевого песка, оксидов цинка, меди, висмута и кобальта. Сырьевые материалы взвешивают на технических весах, тщательно перемешивают, просеивают через сито N 0,5 и готовую шихту засыпают в корундовые тигли, которые загружают в холодную электрическую печь. Варка стекла осуществляется при температуре 850 - 900^oC с выдержкой при максимальной температуре 15 - 20 мин. Скорость подъема температуры в электрической печи 300^oC в 1 ч.

Составы предлагаемого легкоплавкого стекла и их физико-химические свойства представлены в табл. 1.

Сопоставляя показатели физико-химических свойств предлагаемого стекла и прототипа, можно заключить, что предлагаемое стекло хорошо согласовывается по ТКЛР с монокристаллическим кварцем Z-среза, что обеспечивает образование прочного спая этих двух материалов. Стекло имеет температуры начала размягчения и спаивания выше, чем у прототипа, в результате чего обеспечивается стабильная работа резонатора при максимальной рабочей температуре 400^oC.

Составы, находящиеся за пределами заявляемой области, либо склонны к кристаллизации в интервале температур 200 - 600^oC, т.е. в области температуры спаивания, либо не соответствуют требованиям по ТКЛР и температуре спаивания.

В силу указанных причин запредельные составы не могут быть использованы для герметизации кварцевого высокотемпературного терморезонатора.

Использование предлагаемого легкоплавкого стекла в качестве спая и герметика в производстве высокотемпературных резонаторов позволило разработать на их основе электронные термометры и терморегуляторы с аналоговым и цифровым выходом класса точности до 0,1 %.

Источники информации 1. Авт. св. СССР N 1313817, МКИ⁴ С 03 С 3/074, опубл. 30.05.87. Бюл. N 20.

2. Авт. св. СССР N 1316986, МКИ⁴ С 03 С 8/24, опубл. 15.06.87. Бюл. N 22.

3. Авт. св. СССР N 1567536, С 03 С 8/10, опубл. 30.05.90. Бюл. N 20.

Формула изобретения

Легкоплавкое стекло для спаивания и герметизации монокристаллического кварца Z-среза, включающее PbO, ZnO, B₂O₃, Bi₂O₃, SiO₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит Cu₂O, Co₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%: PbO - 80,5 - 82,5; B₂O₃ - 5,5 7,5; SiO₂ - 0,5 - 0,9; ZnO - 5,0 - 6,5; Cu₂O - 1,0 - 1,5; Bi₂O₃ - 1,0 - 2,5; Co₂O₃ - 1,5 - 3,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2