¿Qué es la cerámica metalizada?
La cerámica metalizada se refiere a una capa de película de metal depositada en la superficie específica de la cerámica de ingeniería y luego se cura en un horno de atmósfera de reducción de alta temperatura (hidrógeno o nitrógeno) para que la película de metal se une firmemente a la superficie de los componentes de cerámica. a la Figura 1. Después del proceso de metalización, la superficie cerámica ofrece las características del metal y puede lograr una conexión convincente entre la cerámica y el metal empleando la soldadura.
Figura 1: Cerámica metalizada
El propósito de la metalización de cerámica
Como un material no metálico inorgánico típico, la cerámica avanzada se ha utilizado ampliamente en varios dispositivos de vacío de alto voltaje, alta corriente y alta presión debido a sus excelentes propiedades eléctricas, físicas y químicas, mecánicas, térmicas y ópticas. Estas aplicaciones prácticas a menudo involucran la junta de cerámica y piezas de metal en diferentes materiales, como acero inoxidable, cobre sin oxígeno, kovar, etc.
Dado que el coeficiente de expansión térmica de los materiales de cerámica y metal tiene grandes diferencias, los dos materiales naturalmente tienen un mal efecto humectante. En estos campos, la superficie de sellado de las piezas de cerámica y metal tiene resistencia a sellado estricto (resistencia a la tracción) y requisitos de opresión del aire después de la soldadura. Por lo tanto, no pueden estar directamente conectados. Entonces, nació la tecnología de metalización de cerámica.
Fortalezas de cerámica metalizada
1. Alta conductividad térmica: el calor que genera el chip puede transferirse directamente a las partes cerámicas
2. Coeficiente de expansión térmica ideal: el coeficiente de expansión térmica de cerámica y chips avanzados es similar, y no causará demasiada deformación cuando cambie la diferencia de temperatura.
3. Constante dieléctrica baja: la constante dieléctrica del material cerámico en sí reduce la pérdida de señal, por lo que los materiales cerámicos técnicos se utilizan ampliamente en equipos de comunicación y transmisión de señal.
4. Alta fuerza de unión: alta resistencia de unión de la capa metálica y sustrato de cerámica de los productos de la placa de circuito de cerámica, hasta 45MPa (más notable que la resistencia de las partes cerámicas de 1 mm de espesor)
5. Alta temperatura de funcionamiento: la ciclismo puede soportar ciclos de alta y baja temperatura con grandes fluctuaciones e incluso puede funcionar a una temperatura de funcionamiento alta de 800 grados durante mucho tiempo.
6. Aislamiento eléctrico alto: la cerámica industrial son materiales aislantes que pueden soportar altos voltajes de descomposición, especialmente aisladores de cerámica después del acristalamiento, e incluso se pueden aplicar en campos con voltajes superiores a 100kV.
7. Estabilidad química: el cuerpo cerámico tiene una mejor estabilidad química. No reaccionará con la mayoría de los ácidos y bases fuertes y no se oxidará en un entorno de alta temperatura.
Mecanismo de metalización de cerámica
El mecanismo de metalización cerámica aprovecha las diferentes reacciones químicas y la migración de difusión de varias sustancias en cerámicas avanzadas y capas metalizadas en diferentes etapas de sinterización, como óxidos y óxidos no metálicos.
A medida que aumenta la temperatura, la fase líquida se forma cuando todas las sustancias reaccionan para formar compuestos intermedios y alcanzar el punto de fusión común. La fase de vidrio líquido tiene una viscosidad específica y produce un flujo de plástico simultáneamente. Posteriormente, las partículas de vidrio se reorganizan bajo la acción de los capilares, y los átomos o moléculas se difunden y migran bajo el impulso de la energía superficial. Los poros se encogen y desaparecen gradualmente con el aumento del tamaño del grano, dándose cuenta así de la densificación de la capa metalizada.
Métodos de metalización de cerámica
1. Método MO-MN
El método Mo-MN se basa en el polvo de metal refractario MO, y luego drogue una pequeña cantidad de fórmula de metalización MN de bajo punto de fusión, agregando un recubrimiento de aglutinante a la superficie cerámica Al2O3 y luego sinterizando para formar una capa de metalización de MO MN.
2. Método activado Mo-MN
El método Mo-MN activado es una mejora basada en la tradicional. Las principales instrucciones de mejora son agregar activadores y reemplazar el polvo de metal con molibdeno y óxidos o sales de manganeso. Ambas mejoras están diseñadas para reducir la temperatura de metalización.
3. Método de sinterización de pasta plateada
El método de plata consiste en aplicar una capa de pasta de Ag en la superficie cerámica, compuesta de flujo de sal de Ag y adhesivo, y luego sinterizarse a altas temperaturas para reducir los iones AG a AG elemental. La capa Ag puede reducirse mediante carbonato de plata trietanolamina o agregando nitrato de plata a amoníaco y luego reducido por formaldehído o ácido fórmico.
Debido a la fuerte difusión de los iones de plata, el método de sinterización de pasta de plata no es apropiado para los electrodomésticos utilizados en campos eléctricos fuertes. Las propiedades eléctricas se deteriorarán rápidamente a altas temperaturas, alta humedad y campos eléctricos de corriente continua.
4. Soldadera de metal activo- Amb
La soldadura activa de metal también es un proceso de sellado de cerámica a metal más ampliamente utilizado; Es 10 años más tarde que el desarrollo del método Mo-MN, caracterizado por menos procesos, ciclos más cortos, buena confiabilidad de soldadura y adecuado para una variedad de diferentes materiales cerámicos. El sellado de metal de cerámica se puede completar con solo un proceso de calentamiento. Las aleaciones de soldadura contienen elementos activos de Ti, Zr, HF y TA; Los elementos activos agregados reaccionan con Al2O3 para formar una capa de reacción con características metálicas en la interfaz; Este método se puede adaptar fácilmente a la producción a gran escala, en comparación con el proceso de manganeso molibdeno, este método es relativamente simple y económico.
5. Direct Bond Cooper - DBC
DBC es un método de metalización para unir la lámina de cobre en una superficie cerámica (principalmente AL2O3 y ALN), que es un nuevo proceso desarrollado con el aumento de la tecnología de envasado de chips-on-board (COB). El principio básico es introducir oxígeno entre Cu y cerámica, y luego formar CU/o fase de líquido eutéctico a 1065 ~ 1083 ℃, y luego reaccionar con la base de cerámica y la lámina de cobre para formar Cualo2 o Cu (ALO2) 2 y realizar el enlace entre La lámina de cobre y la matriz de cerámica bajo la acción de la fase intermedia.
6. Vaccum Magnetron Sputtering
Es un tipo de deposición física de vapor, que deposita la película multicapa sobre el sustrato por tecnología de control magnético, que tiene las ventajas que otras tecnologías de deposición no tienen, con una mejor adhesión, menos contaminación y una cristalinidad mejorada de la muestra depositada para obtener altas altas -La película de calidad. La capa de metalización obtenida por este método es muy delgada, lo que puede garantizar la precisión de la dimensión de la pieza. El proceso DPC admite PTH (electroplacado a través del orificio) /VIA (a través del orificio). El ensamblaje de alta densidad es posible: la resolución de línea/tono (L/S) puede alcanzar 20 μm, logrando así livianos, miniaturización e integración de dispositivos.
Materiales de metalización
❃ El método Mo-MN incluye principalmente molibdeno, manganeso, tungsteno, níquel, plata y oro.
❃ El método DBC incluye principalmente cobre sin oxígeno （OFC）
❃ Materiales de otros métodos de metalización: paladio (PD), platino (PT), titanio (TI) y aluminio (AL). También se pueden usar aleaciones de metal seleccionadas.
Tipos de cerámica metalizada
1. Partes estructurales cerámicas metalizadas
Principalmente protegen, herméticos, de apoyo, aislamiento, conectan y disipan el calor. Los materiales principales utilizados incluyen cerámica de óxido de aluminio (Al 2 O 3 ), alúmina endurecida por circonio (ZTA), cerámica de circonio (ZRO 2 ), cerámica de nitruro de aluminio (ALN), óxido de berilio (BeO) y nitruro de boro (BN).
2. Sustrato de cerámica metalizado
En la aplicación, se usa principalmente como portador de circuito para ayudar a la disipación y aislamiento de calor de la chip. Los materiales principales incluyen alúmina, nitruro de aluminio, nitruro de silicio y óxido de berilio.
Usos de cerámica metalizada
❃ Aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia: electrónica de potencia, dispositivos de microondas, amplificadores de RF
❃ Componentes y dispositivos electrónicos: circuitos integrados, resistencias y condensadores, sensores y transductores
❃ Embalaje y sellado hermético: tubos de vacío, tubos de electrones, dispositivos optoelectrónicos, implantes médicos y dispositivos.
Conclusión
La investigación más profunda sobre el mecanismo de metalización de la cerámica y la exploración y el desarrollo de nuevos procesos es la base para mejorar la superficie de sellado de metal y cerámica, lo que ampliará aún más el campo de aplicación y es la dirección de investigación futura.