高度なセラミック、特に電子セラミックの継続的な進歩により、セラミックと金属間の関係が焦点となることになりました。ただし、セラミックおよび金属表面の明確な微細構造は、直接結合の課題をもたらします。従来のはんだは、セラミック表面を適切に湿らせることができず、効果的な接着を防ぎます。これに対処するために、セラミックの金属化技術が開発されました。これらの方法には、セラミック表面にしっかりと付着した金属膜を堆積させ、セラミックと金属間の溶接を成功させることが含まれます。
セラミック金属化の原理
セラミックメタリゼーションには、物質の塑性流量や粒子再配置など、一連の化学的および物理的反応が含まれます。焼結の間、酸化物や非金属酸化物などの金属化層内のさまざまな物質が化学反応と拡散を受けます。温度が上昇すると、これらの物質は中間化合物を形成し、共通の融点に到達して液相を作り出します。粘性液体ガラス相は塑性流量を受け、粒子は毛細血管作用下で再配置されます。表面エネルギーは、原子または分子の拡散を促進し、穀物の成長を促進し、多孔性を減らし、最終的に金属化層の密度を達成します。
金属化セラミックのプロセス分類
この議論は、セラミック基板を除く、高度なセラミック成分の金属化技術に焦点を当てています。
燃えた銀法（銀浸潤）
この方法では、金属銀の層をセラミック表面に浸透させることが含まれます。銀の優れた導電率と酸化抵抗により、銀層への金属の直接溶接が可能になります。ただし、銀は高温、湿度、およびDC電界下で培地に拡散する傾向があるため、厳しい電気性能要件を備えた環境には適していません。
プロセスフロー：
治療前：セラミックは、70〜80°Cで石鹸水で洗浄し、すすぎ、100〜110°Cで乾燥させます。超音波クリーニングも使用できます。
シルバーペーストの準備：銀を含む原材料、フラックス、およびバインダーは、均一性と細かさを達成するために、コランダムボールミルに70〜90時間混合されます。
コーティング：シルバーペーストは、ディップコーティング、スプレー、またはスクリーン印刷を介して手動で機械的に適用されます。粘度を調整するために、テレビン酸塩のような溶媒を追加することができます。
乾燥と焼結：銀層を60°Cで乾燥させて、スケーリングを防ぎ、箱型の電気炉またはトンネルkiで焼結します。
焼結金属粉末法
この技術は、高温減少雰囲気の下でセラミック表面に金属粉末を焼結することを含み、金属膜を形成します。
重要な考慮事項：
溶接する金属の融点は、少なくとも200°Cの金属化温度を超える必要があります。
金属とセラミックの熱膨張係数は密接に一致する必要があります。
メタルパウダー選択：
耐火性金属（例：W、MO）は、少量の低い販売点金属（例えば、Fe、Mn、Ti）を追加して、一次粉末として使用されます。
MO-MN式は、その強力な適応性のために広く採用されています。
サブカテゴリ：
活性化装置が付加されたMO-MNメソッド：アクティベーター（例、鉱石粉末、磁器粉末）は金属化温度を下げ、結合強度を高めます。
低温金属化：モリブデンとマンガンの酸化物または塩（ムー、mno₂）を金属粉末に置き換え、1200°C未満の金属温度を低下させます。この方法は、深い穴や小さな穴をコーティングするのに便利ですが、金属化層の高い移動速度に苦しんでいます。
アクティブな金属ろう付け方法
MO-MNメソッドよりも遅れて開発されたこの手法では、より少ないステップが必要であり、単一の加熱プロセスでセラミックメタルシーリングを完了します。活性要素（Ti、Zr、Hf、Taなどを含むろう付け合金は、Al₂o₃と反応して、界面に金属反応層を形成します。費用対効果が高く、大規模な生産に適応できますが、その範囲のアクティブなろう付け材料は、その応用を大規模、シングルピース、または小型バッチ生産に制限しています。
酸化物はんだ方法
この方法では、混合酸化物（Cao、MGO、SRO、SIO₂、Bao、Bao、Bao、Al₂o₃）をセラミックメタルシーリングのはんだとして使用します。酸化物は溶け、消し止めされ、微粉末に粉砕されます。この手法は、W、MO、TA、NBなどの金属への高アルミナまたは透明なアルミナセラミックを密閉するために一般的に使用されます。
圧力シーリング
室温では、機械的圧力が緊密に結合されたセラミックと金属に適用されます。この方法では、セラミックの高い圧縮強度と金属の弾性変形を活用します。小さな斜めの角度（7°〜10°）がセラミックリング端面に粉砕され、セラミックリング（金属リングの外径よりも内径がわずかに小さい）が金属に押されます。金属リングは弾性的に膨張し、セラミックリングにしっかりとクランプして、最大600 MPaの圧力を伴う圧力シールを形成します。
アプリケーション：このプロセスは、大型の低容量シーリング部品、通常は高アルミナ磁器に適しています。使用される金属には、高強度、弾力性、セラミックと同様の熱膨張係数、および良好な疲労抵抗が必要です。金属密閉面のソフトメタルメッキ（銀、銅、または金など）は、シーリング中の滑りを促進し、気密性を保証します。
スパッタリング方法メタリゼーション
真空システムで実施されるスパッタリングには、2スプター、4容器、または高周波スパッタリングプロセスが含まれます。 2スプターでは、システムはArgon（1〜10⁻¹PA）で満たされた高真空（10°PA）に汲み上げられ、セラミック部分はスパッタリングターゲットの近くに配置されます。負の高電圧（1〜7 kV）がアルゴンをイオン化し、陽性イオンが標的表面を爆撃し、金属をセラミックにスパッタリングして薄い金属膜を形成します。
ターゲット構成： 2つまたは3つの異なる金属が回転可能な棚に取り付けられています。最初の層（たとえば、タングステンまたはモリブデン、厚さ50〜500 nm）をスパッタにした後、ターゲットフレームを回転させて、2番目の層（銅、銀、または金、厚さ1〜5 µm）をスパッタにします。最初のレイヤーにTiを使用すると、より良い結果が得られます。
アプリケーション：スパッタリングは、高温（たとえば、圧電セラミック）に耐えられないセラミックに最適であり、薄い金属化層のために正確な寸法制御を保証します。
金属化セラミックの技術的課題
熱膨張の不一致：セラミックと金属間の熱膨張係数の違いは、焼結の間にストレスを引き起こし、亀裂や層の破壊につながる可能性があります。
界面化学反応：金属セラミック界面での反応は、酸化物を生成し、界面の化学組成と構造、および分解性能を変化させます。
融点の格差：セラミックと金属間の融点の有意な差は、完全な融合を複雑にし、シーリング強度を低下させる小さな亀裂と欠陥をもたらします。
高コストと複雑さ：セラミックメタレーションの高価で複雑な製造プロセスにより、特定の分野での応用が制限されます。
これらの課題に対処することにより、セラミックの金属化は進化し続け、高度な電子的および構造的アプリケーションでセラミックと金属間の信頼できる接続を可能にします。
