Wraz z ciągłym postępem zaawansowanej ceramiki, szczególnie ceramiki elektronicznej, związek między ceramiką a metalem stał się centralnym zainteresowaniem. Jednak wyraźne mikrostruktury powierzchni ceramicznych i metali stanowią wyzwania dla bezpośredniego wiązania. Tradycyjne lutownicy nie mają odpowiednio mokrych powierzchni ceramicznych, zapobiegając skutecznej przyczepności. Aby rozwiązać ten problem, opracowano techniki metalizacji ceramicznej. Metody te obejmują zdeponowanie mocno przylegającej folii metalowej na powierzchnię ceramiczną, umożliwiając udane spawanie między ceramiką a metalem.
Zasada metalizacji ceramicznej
Metalizacja ceramiczna obejmuje szereg reakcji chemicznych i fizycznych, w tym przepływ plastikowy substancji i przegrupowanie cząstek. Podczas spiekania różne substancje w warstwie metalizacji, takie jak tlenki i tlenki niemetaliczne, ulegają reakcjom chemicznym i dyfuzji. Wraz ze wzrostem temperatury substancje te tworzą związki pośrednie, które osiągają wspólny punkt topnienia w celu utworzenia fazy ciekłej. Faza lepca ciekła ulega przepływowi plastiku, a cząsteczki przemieszczają się pod działaniem kapilarnym. Energia powierzchniowa napędza dyfuzję atomową lub molekularną, promując wzrost ziarna i zmniejszając porowatość, ostatecznie osiągając zagęszczenie warstwy metalizacji.
Klasyfikacja procesu metalizowanej ceramiki
Ta dyskusja koncentruje się na technikach metalizacji zaawansowanych elementów ceramicznych, z wyłączeniem podłoża ceramicznych.
Metoda spalona srebra (infiltracja srebra)
Ta metoda polega na infiltracji warstwy metalicznego srebra na powierzchni ceramicznej. Doskonała odporność na przewodność i utlenianie Silver umożliwia bezpośrednie spawanie metali do warstwy srebra. Jednak srebro jest podatne na dyfuzję w medium w wysokich temperaturach, wilgotności i polach elektrycznych DC, co czyni go nieodpowiednim dla środowisk o rygorystycznych wymaganiach dotyczących wydajności elektrycznej.
Przepływ procesu:
Wstępne obróbkę: Ceramika jest oczyszczana w wodzie mydlanej w 70–80 ° C, przepłukana i suszona w 100–110 ° C. Można również użyć czyszczenia ultradźwiękowego.
Przygotowanie pasty srebra: surowce zawierające srebro, strumień i spoiwo mieszane są w młynie kulowym przez 70–90 godzin w celu osiągnięcia jednolitości i drobności.
Powłoka: Srebrna pasta jest stosowana ręcznie, mechanicznie, poprzez powłokę zanurzeniową, rozpylenie lub drukowanie ekranu. Można dodać rozpuszczalniki, takie jak terpentyna, aby dostosować lepkość.
Suszenie i spiekanie: Srebrna warstwa jest suszona w 60 ° C, aby zapobiec skalowaniu, a następnie spiekana w piecu elektrycznym typu pudełowym lub piecu tunelowym.
Metoda spiekania metalu proszku
Ta technika obejmuje spiekanie proszku metalu na powierzchnię ceramiczną pod atmosferą redukującą wysoką temperaturę, tworząc metalowy film.
Kluczowe rozważania:
Temperatura topnienia metalu, która ma być spawana, powinna przekraczać temperaturę metalizacji o co najmniej 200 ° C.
Współczynniki rozszerzania termicznego metalu i ceramiki powinny być ściśle dopasowane.
Wybór proszku metalu:
Metale ogniotrwałe (np. W, MO) są stosowane jako podstawowy proszek z niewielkimi ilościami metali o niższym stopniu (np. Fe, Mn, Ti).
Formuła MO-MN jest powszechnie przyjęta ze względu na jej silną zdolność adaptacyjną.
Podkategorie:
Metoda MO-MN dodana do aktywatora: aktywatory (np. Proszek rudy, proszek porcelany) obniżają temperaturę metalizacji i zwiększają wytrzymałość wiązania.
Metalizacja o niskiej temperaturze: zastępuje molibden i tlenki lub sole manganu (np. Moo₃, Mno₂) dla proszków metali, zmniejszając temperatury metalizacji poniżej 1200 ° C. Ta metoda jest wygodna do powlekania głębokich lub małych otworów, ale cierpi na wysokie wskaźniki migracji warstwy metalizacji.
Aktywna metoda lutowania metalu
Opracowana później niż metoda MO-MN, ta technika wymaga mniej kroków, ukończenia ceramicznego uszczelnienia w jednym procesie ogrzewania. Stopy lutowe zawierające aktywne elementy (np. Ti, Zr, HF, TA) reagują z Al₂o₃, tworząc metaliczną warstwę reakcji na interfejsie. Choć opłacalna i dostosowawalna do produkcji na dużą skalę, jego ograniczona gama aktywnych materiałów lutowych ogranicza jego zastosowanie do dużej, jednoczęściowej lub małej partii.
Metoda lutu tlenku
Ta metoda wykorzystuje mieszane tlenki (np. Cao, MGO, SRO, BAO z Sio₂, B₂o₃, Al₂o₃) jako lutu do uszczelnienia ceramicznego. Tlenki są stopione, gasowane i zmielone w drobny proszek. Ta technika jest powszechnie stosowana do uszczelnienia wysokiej zawartości lub przezroczystej ceramiki glinu do metali takich jak W, Mo, TA i NB.
Uszczelnienie ciśnienia
W temperaturze pokojowej wywiera się ciśnienie mechaniczne do ścisłego wiązania ceramiki i metali. Ta metoda wykorzystuje wysoką wytrzymałość na ściskanie ceramiki i elastyczne odkształcenie metali. Mały kąt ukośny (7 ° –10 °) znajduje się na twarzy ceramicznego pierścienia, a pierścień ceramiczny (nieco mniejszy w średnicy wewnętrznej niż zewnętrzna średnica pierścienia metalowego) jest prasowany na metal. Metalowy pierścień rozszerza się elastycznie, mocno zaciskając się na pierścień ceramiczny, tworząc uszczelkę ciśnieniową z ciśnieniami do 600 MPa.
Zastosowania: Proces ten jest odpowiedni dla dużych części uszczelniających o niskiej objętości, zazwyczaj porcelanowej o wysokiej zawartości. Zastosowany metal powinien mieć wysoką wytrzymałość, elastyczność, współczynnik rozszerzania cieplnego podobny do ceramiki i dobrą odporność na zmęczenie. Miękkie szaliki metalowe (np. Srebro, miedź lub złoto) na metalowej powierzchni uszczelniającej ułatwia ślizganie się podczas uszczelnienia i zapewnia szczelność.
Metalizacja metody rozpylania
Przeprowadzone w systemie próżniowym rozpylenie obejmuje dwa procesy rozkładania się w dwóch wysypiskach, czterech skokach lub rozpylaniu o wysokiej częstotliwości. Podczas dwóch spisu system jest pompowany do wysokiej próżni (10⁻⁵ PA), wypełniony argonem (1–10⁻¹ PA), a część ceramiczna jest umieszczona w pobliżu celu rozpylania. Ujemne wysokie napięcie (1–7 kV) jonizuje argon, a jony dodatnie bombardują powierzchnię docelową, rozpylając metal na ceramikę, tworząc cienką metalową warstwę.
Konfiguracja docelowa: Dwa lub trzy różne metale są zamontowane na obrotowej półce. Po rozpylaniu pierwszej warstwy (np. Tungsten lub molibdenu, grubości 50–500 nm), ramka docelowa jest obracana w celu rozpylania drugiej warstwy (np. Miedzi, srebra lub złota, o grubości 1–5 µm). Używanie TI dla pierwszej warstwy daje lepsze wyniki.
Zastosowania: Rozpłuszanie jest idealne do ceramiki, która nie może wytrzymać wysokich temperatur (np. Ceramika piezoelektryczna) i zapewnia precyzyjną kontrolę wymiarową z powodu cienkiej warstwy metalizacji.
Wyzwania techniczne metalizowanej ceramiki
Niedopasowanie rozszerzeń cieplnych: Różnice we współczynnikach rozszerzania termicznego między ceramiką a metali mogą wywoływać stres podczas spiekania, co prowadzi do pękania lub niszczenia warstwy.
Interfackie reakcje chemiczne: reakcje na interfejsie metalowo-ceramicznym wytwarzają tlenki, zmieniając skład chemiczny i strukturę interfejsu i obniżającą wydajność.
Rozbieżność temperatury topnienia: Znacząca różnica w temperaturach topnienia między ceramiką a metalem komplikuje całkowitą fuzję, co powoduje drobne pęknięcia i wady zmniejszające wytrzymałość uszczelnienia.
Wysoki koszt i złożoność: drogi i skomplikowany proces produkcji metalizacji ceramicznej ogranicza jej zastosowanie w niektórych dziedzinach.
Zajmując się tymi wyzwaniami, metalizacja ceramiczna ewoluuje, umożliwiając wiarygodne połączenia między ceramiką a metalem w zaawansowanych zastosowaniach elektronicznych i strukturalnych.
