全文总字数：6506字
1. 研究目的与意义（文献综述）
随着电子技术与工业的快速发展，对电子元器件的性能要求越来越高。电子浆料是制备电子器件的基础材料之一。其制作过程涉及化工、冶金、电子等行业，所以也具有高技术、高效益、高要求的特点。电子浆料是电子元件的封装、连接的关键材料，主要用于制造电阻器、电容器、集成电路、电池电极等方面。
电子浆料由导电相、粘接相、有机载体三部分组成。导电相是电子浆料中含量最多的部分，一般占电子浆料的50 %~90 %。
导电相以纤维状、片状或者球状分布于载体中，并构成电通路，是电子浆料的导电性的主要决定因素。导电相一般是碳、金属或金属氧化物。最常见的导电相是金属或者合金，目前导电性能最好的一般是贵重金属，包括Au、Ag、Pt，以及其合金，包括Pt-Au等。但是，随着电子行业的迅速发展，人们对电子浆料的需求增大，与之相反的是电子产品价格的一降再降。贵重金属无论是从产量还是从成本上均无法满足要求。所以，贱金属作为导电相是时代的要求，也是近年来诸多学者的研究内容。贱金属包括Cu、Al、Ni等，在电子浆料中都得到了不错的应用。以Cu为代表，Cu价格低廉，来源广泛，并且具有高导电性、高导热性、高耐迁移性、熔点相对较高等优势。目前，商业化程度最高的是Ag，二者相比，Cu的电阻率为1.72×10-6 Ω·cm, Ag的电阻率为1.59×10-6 Ω·cm，二者导电率相差不大，但价格相差百倍之多。另外，Ag 容易发生迁移，导致电子元件不耐用，这会对电子元器件的使用安全性产生隐患。而Cu的离子不发生迁移，即有较好的耐用性和使用安全性。本实验所研究的玻璃即铜导电浆料所用。
粘接相在电子浆料中含量相对较少，大多数占导电浆料的10 %以下的质量含量。粘接相起到将导电膜与基片相连接的作用，这就要求粘接相要尽可能地保证导电相的导电性能和机械性能，并且保证导电膜与基板的粘接强度。粘接相可分为有机粘接相和无机玻璃粘接相。有机粘接相一般用于低温烧结电子浆料，无机玻璃粘接相多用于高温烧结电子浆料。
有机粘接相一般用于低温烧结电子浆料，无机玻璃粘接相多用于高温烧结电子浆料。目前性能较好、较为常用、研究较多的为玻璃粘接相，玻璃粘接相一般由某些氧化物混合而成。其作用机理为在浆料与基板烧结过程中，玻璃相逐渐融化，使导电相颗粒得到湿润，并填补存在的空隙，冷却后，玻璃相凝固，使导电膜更加致密，并增强导电膜与基板的附着力。前些年，由于传统铅基玻璃具有结构稳定性高、玻璃转变温度低、热学以及电学性能优异等特点，使得国内外对铜浆料所用玻璃的研究，大部分集中于含铅玻璃。但是，铅是重金属，对环境、对人类尤其是幼儿有着很大的危害。铅主要损害骨髓造血系统和神经系统，并且对人体的伤害是积累性的，甚至永久性的。2000年以来，美国、日本、欧盟等提出了多项关于电子材料中禁止使用Pb、Cd等有害物质的指令，并且呼吁人们回收并循环利用废弃电子设备。2005年，我国明文规定电子器件必须无铅化、无辐射化。2009年8月，陕西省凤翔县对三个村1016名儿童普查，851名儿童血铅超标，陕西东岭冶炼公司被认定为污染源。几乎同一时间，湖南省武冈市对1958名群众普查，血铅超标人数为1354人。类似的报道频频出现，铅污染已成为全世界人民的公敌，无铅玻璃在近几年的研究中越来越热。电子浆料所用的无铅玻璃大概包括三大类：铋酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、锌酸盐玻璃。铋酸盐玻璃虽然具有化学稳定性好、软化温度低等优点，但是其成本偏高，铋容易析出。而硼酸盐玻璃，掺入碱金属后具有熔点低的优点，能很好地匹配耐受温度低的基体。锌酸盐玻璃粘接强度高，热膨胀性能良好，与基体匹配度高。本实验即选取B2O3-ZnO-SiO2-Al2O3系玻璃作为研究对象，为环保的无铅玻璃常用体系。该体系原料来源丰富、价格低廉。具有较高的实验价值和较低的实验成本。并且，如果将该成果用于生产电子浆料，可解决含铅玻璃会对人类安全健康产生不利影响的问题
有机载体是有机的粘稠液体，其主要承担运输导电相和玻璃粉的任务，其粘度以及流变性是主要的研究性能。有记载体由溶剂和添加剂组成，溶剂占80 %以上，通过添加增稠剂、表面活性剂等，可优化其流变性能，得到符合要求的有机载体。常用的有机溶剂包括松油、松油醇、丙酸脂、醋酸脂、聚异丁烯等。
本研究的目的：探究成分含量对玻璃的力学性能、热学性能、电学性能，以及玻璃的特征温度（玻璃转化温度、封接温度、析晶温度等），以期望设计出具有低熔点、良好热膨胀系数、良好化学稳定性等特性的玻璃，并找到具有最优性能时的成分含量。
本研究的意义：电子产品更新换代迅速，各大厂家竞争激烈，价格牌必是不可或缺的取胜手段，这就决定了电子浆料发展趋势是以廉价金属替代贵金属。Cu作为其中极具潜力的一种选择，来源广泛，储量巨大，很有可能被大规模应用。Cu导电浆料性能如何，很大程度上也受到粘接玻璃粉的影响。而本实验所研究的玻璃正是Cu浆料所用玻璃，性能优异的玻璃粉，有助于提高浆料性能，将Cu浆料大规模推广，甚至取代贵金属。这有利于降低生产成本，扩大生产规模，满足我国电子浆料日益增长的需求，有显著的经济效益和社会效益。
从使用安全性上考虑，得到最广泛应用的Ag电子浆料，或者廉价金属比如Ni电子浆料等，其离子在电场中的稳定性低，易受电场影响而发生迁移，从而导致电子器件的损坏。如果该电子器件用在与人直接接触的电子设备或者其他重要的电子设备上，未及时发现，就会对人类的安全产生影响，因此，Cu电子浆料具有相对较好的使用安全性。
从研究的可行性上考虑，B2O3-ZnO-SiO2-Al2O3系玻璃所用原料均为实验室常见的化学原料，价格低廉且来源广泛。以技术方案中第三组组分为例，每熔制100 g原料：
| 原料 | 价格（元/g） | 需要（g） | 价格（元） | 总价（元） |
| SiO2（AR） | 0.02 | 13 | 0.26 |
7.82 |
| B2O3（AR） | 0.07 | 40 | 2.8 | |
| Al2O3（AR） | 0.06 | 2 | 0.12 | |
| ZnO（AR） | 0.04 | 35 | 1.4 | |
| Li2CO3(AR) | 0.6 | 4.9 | 2.9 | |
| Na2CO3(AR) | 0.02 | 8.5 | 0.17 | |
| BaCO3(AR) | 0.02 | 6.4 | 0.13 | |
| CaCO3(AR) | 0.02 | 1.8 | 0.04 |
由此可见，熔制该玻璃成本不高，并且所需玻璃样品不多，从成本角度说明该实验具有良好的经济性、可行性。
另外，人们的环保意识的不断提升以及环境恶化的现实也决定了电子浆料发展的趋势必定是向着绿色环保的反向。含铅玻璃粉虽然性能优异，但由于其对环境的巨大影响已不再适合发展需求。本研究选择B2O3-ZnO-SiO2-Al2O3系玻璃作为研究对象，环保无污染，有利于解决含铅玻璃污染环境的问题，符合环保型新材料的发展要求，有显著的环保效益。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
材料制备：对B2O3-ZnO-SiO2-Al2O3系玻璃，进行合适的组分设计，对多组样品，控制成分的含量，将原料熔制成玻璃，然后进行粉磨、筛分、压制成型、烧结等工艺过程。
材料表征：对不同组分的玻璃进行性能测试，分析成分含量和实验条件变化对性能的影响；运用现代测试技术手段如XRD、SEM、DSC等对玻璃样品进行测试，分析组分与结构和性能变化的关系。
2.2 研究目标
1、找到合适的基础玻璃体系进行成分设计，控制成分的含量，将原料熔制成玻璃，并通过测试手段得到组成分与结构、性能的关系。
2、选择一种合适的成分含量，在不同条件下制备或者处理玻璃样品，通过测试手段，得到不同实验条件与结构、性能的关系。
3、分析成分、实验条件对玻璃结构性能影响的测试结果，期望得到高性能的铜浆料用玻璃。
2.3 技术方案
1、玻璃材料的制备
通过查阅文献，初步设计了玻璃的基础成分。以现有的玻璃成分为主要体系加入少量其它成分。通过改变SiO2与B2O3的含量，设计了一系列的配方。从SiO2含量为15 wt%开始为第一组，每组间隔1 wt%，相应的B2O3含量增加，其它成分的含量不变。设计的玻璃组分如下标所示。
| 编号 | SiO2 | B2O3 | Al2O3 | ZnO | Li2O | Na2O | BaO | CaO |
| 1 | 15 | 38 | 2 | 35 | 2 | 2 | 5 | 1 |
| 2 | 14 | 39 | 2 | 35 | 2 | 2 | 5 | 1 |
| 3 | 13 | 40 | 2 | 35 | 2 | 2 | 5 | 1 |
| 4 | 12 | 41 | 2 | 35 | 2 | 2 | 5 | 1 |
| 5 | 11 | 42 | 2 | 35 | 2 | 2 | 5 | 1 |
严格按照表中含量换算并称量原料。然后在行星球磨机中与去离子水和ZrO球混合球磨5 h。得到的浆料在90 ℃的烘箱中干燥8 h，得到干燥原料粉末。
将干燥后的配合料的装入刚玉坩埚中，在电炉中以5 ℃/min的升温速率升温至1200 ℃，保温1 h，继续升温至1500 ℃，保温2 h。将玻璃液倒入去离子水中淬冷，得到基础玻璃。
得到的玻璃一部分用于基础玻璃测试（包括DSC、热膨胀曲线），比较成分含量对玻璃性能的影响；在上述实验后，选择一组性能表现良好的玻璃样品，将玻璃在球磨机中磨成粉料，压块，根据DSC所测得的析晶温度范围，选择两个不同的析晶温度，放在高温晶化炉进行热处理，分别保温1 h、5 h、10h，得到微晶玻璃。探究不同处理温度和处理时间对玻璃性能的影响，并且对该组玻璃进行热膨胀系数测试，对比热处理前后玻璃CTE值的变化。
2、玻璃材料的测试与表征
将切割好的原始玻璃材料进行热膨胀测试和DSC测试，得到不同组分玻璃的热膨胀曲线、热膨胀系数、玻璃转变温度、玻璃软化温度等数据；将热处理后的微晶玻璃样品利用扫描电镜进行测试，观察晶粒的形状、尺寸和数量；采用红外吸收光谱测试，分析不同分子基团和化学键的变化；通过XRD测试，分析晶相种类及含量。用矢量网络分析仪可测试玻璃的介电性质。玻璃的力学性能可直接由力学测试仪得出。玻璃分别在一定浓度的硝酸溶液与去离子水中的损失对比可得出玻璃的耐酸性。
综合上述测试结果，结合玻璃结构、性能变化，分析SiO2与B2O3的含量变化和热处理过程对玻璃结构以及性能的影响。
3. 研究计划与安排
第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定大致研究方案，并完成开题报告。
第3－4周：根据预定的组分，熔制玻璃样品，并提前完成对玻璃测试所需的预处理。
第5－7周：对熔制退火后的玻璃进行性能测试，包括热膨胀测试、力学性能测试，电学性能测试，得到玻璃的特征温度、介电性能等。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 王琳琳，何峰，王立格，等. bao对硅酸盐sofc封接玻璃结构与性能的影响[j]. 硅酸盐通报，2016，35（1）：167-274
[2] 高文凯，谢纪伟，王兵兵，等. bao含量与热处理制度对bao-al2o3-b2o3-sio2体系封接玻璃性能的影响[j]. 硅酸盐通报，2019，(7): 2302-2307.
[3] 张联盟，黄学辉，宋晓岚，等. 材料科学基础[m]. 武汉：武汉理工大学出版社，2014: 322-323.
课题毕业论文、开题报告、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
