Gelişmiş seramiklerin, özellikle elektronik seramiklerin devam eden ilerlemesi ile seramik ve metaller arasındaki bağlantı bir odak noktası haline gelmiştir. Bununla birlikte, seramik ve metal yüzeylerin farklı mikro yapıları doğrudan bağlama için zorluklar doğurur. Geleneksel lehimler, etkili yapışmayı önleyerek seramik yüzeyleri yeterince ıslatmaz. Bunu ele almak için seramik metalizasyon teknikleri geliştirilmiştir. Bu yöntemler, seramik yüzeye sıkıca yapışan bir metal filmin yatırılmasını ve seramikler ve metaller arasında başarılı bir kaynak sağlamayı içerir.
Seramik metalleşme prensibi
Seramik metalizasyon, maddelerin plastik akışı ve parçacık yeniden düzenlemesi de dahil olmak üzere bir dizi kimyasal ve fiziksel reaksiyon içerir. Sinterleme sırasında, metalleştirme tabakasındaki oksitler ve metalik olmayan oksitler gibi çeşitli maddeler kimyasal reaksiyonlar ve difüzyon geçirir. Sıcaklık arttıkça, bu maddeler sıvı bir faz oluşturmak için ortak bir erime noktasına ulaşan ara bileşikler oluşturur. Viskoz sıvı cam fazı plastik akışa maruz kalır ve partiküller kılcal etki altında yeniden düzenlenir. Yüzey enerjisi atomik veya moleküler difüzyonu tahrik eder, tahıl büyümesini teşvik eder ve gözenekliliği azaltır, sonuçta metalizasyon tabakasının yoğunlaşmasını sağlar.
Metalize seramiklerin proses sınıflandırması
Bu tartışma, seramik substratlar hariç, gelişmiş seramik bileşenler için metalleştirme tekniklerine odaklanmaktadır.
Yanmış gümüş yöntem (gümüş sızma)
Bu yöntem, bir metalik gümüş tabakasının seramik yüzeye sızmasını içerir. Gümüşün mükemmel iletkenliği ve oksidasyon direnci, metallerin gümüş tabakaya doğrudan kaynaklanmasına izin verir. Bununla birlikte, gümüş, yüksek sıcaklıklar, nem ve DC elektrik alanları altında ortama difüzyona eğilimlidir, bu da sıkı elektriksel performans gereksinimlerine sahip ortamlar için uygun değildir.
Proses Akışı:
Ön tedavi: Seramikler Soapy Su içinde 70-80 ° C'de temizlenir, durulanır ve 100-110 ° C'de kurutulur. Ultrasonik temizlik de kullanılabilir.
Gümüş macun hazırlığı: Gümüş içeren hammaddeler, akı ve bağlayıcı, tekdüze ve inceliğe ulaşmak için 70-90 saat boyunca bir korundum bilyalı değirmeninde karıştırılır.
Kaplama: Gümüş macun manuel, mekanik olarak daldırma kaplama, püskürtme veya ekran baskı yoluyla uygulanır. Viskoziteyi ayarlamak için terebentin gibi çözücüler eklenebilir.
Kurutma ve sinterleme: Gümüş tabaka, ölçeklemeyi önlemek için 60 ° C'de kurutulur, daha sonra kutu tipi bir elektrikli fırında veya tünel fırında sinterlendi.
Sinterlenmiş metal tozu yöntemi
Bu teknik, metal tozu metal bir film oluşturmak için yüksek sıcaklıkta indirgeme atmosferi altında seramik yüzeye sinterlemeyi içerir.
Temel Hususlar:
Kaynaklanacak metalin erime noktası metalizasyon sıcaklığını en az 200 ° C aşmalıdır.
Metal ve seramikin termal genleşme katsayıları yakından eşleştirilmelidir.
Metal Toz Seçimi:
Refrakter metaller (örneğin, W, MO) birincil toz olarak kullanılır, az miktarda düşük eritme noktalı metaller (örn., Fe, Mn, TI) ilave.
MO-MN formülü, güçlü uyarlanabilirliği nedeniyle yaygın olarak benimsenmiştir.
Alt Kategoriler:
Aktivatörle eklenmiş MO-MN yöntemi: Aktivatörler (örneğin, cevher tozu, porselen tozu) metalleşme sıcaklığını düşürür ve bağlama mukavemetini arttırır.
Düşük sıcaklık metalizasyonu: metal tozları için molibden ve manganez oksit veya tuzları (örneğin, moo₃, mno₂) değiştirerek 1200 ° C'nin altındaki metalizasyon sıcaklıklarını azaltır. Bu yöntem derin veya küçük delikleri kaplamak için uygundur, ancak metalleştirme tabakasının yüksek göç oranlarından muzdariptir.
Aktif metal lehimleme yöntemi
MO-MN yönteminden daha sonra geliştirilen bu teknik, tek bir ısıtma işleminde seramik metal sızdırmazlığı tamamlayarak daha az adım gerektirir. Aktif elementler (örn. TI, Zr, HF, TA) içeren lehimleme alaşımları, arayüzde metalik bir reaksiyon tabakası oluşturmak için al₂o₃ ile reaksiyona girer. Maliyet etkin ve büyük ölçekli üretime uyarlanabilir olsa da, sınırlı aktif lehimleme malzemeleri, uygulamasını büyük, tek parça veya küçük parti üretimine kısıtlar.
Oksit lehim yöntemi
Bu yöntem seramik metal sızdırmazlık için lehim olarak karışık oksitler (örn., CAO, MGO, SRO, Sio₂, B₂o₃, Al₂o₃ ile Bao) kullanır. Oksitler eritilir, söndürülür ve ince toz haline getirilir. Bu teknik, W, MO, TA ve NB gibi metallere yüksek alümin veya şeffaf alümina seramiklerinin sızdırmazlığı için yaygın olarak kullanılır.
Basınç sızdırmazlığı
Oda sıcaklığında, seramikleri ve metalleri sıkıca bağlamak için mekanik basınç uygulanır. Bu yöntem, seramiklerin yüksek basınç dayanımından ve metallerin elastik deformasyonundan yararlanır. Küçük bir eğik açı (7 ° –10 °) seramik halka uç yüzüne topraklanır ve seramik halka (metal halkanın dış çapından biraz daha küçük) metale bastırılır. Metal halka elastik bir şekilde genişler, 600 MPa'ya kadar basınçlı bir basınç contası oluşturmak için seramik halkaya sıkıca kenetlenir.
Uygulamalar: Bu işlem, tipik olarak yüksek alümina porselen olmak üzere büyük, düşük hacimli sızdırmazlık parçaları için uygundur. Kullanılan metal, yüksek mukavemet, esneklik, seramiğe benzer bir termal genleşme katsayısına ve iyi yorgunluk direncine sahip olmalıdır. Metal sızdırmazlık yüzeyi üzerindeki yumuşak metal kaplama (örneğin, gümüş, bakır veya altın) sızdırmazlık sırasında kaymayı kolaylaştırır ve hava geçirmezliği sağlar.
Püskürtme yöntemi metalizasyonu
Bir vakum sisteminde yürütülen püskürtme, iki yastıklama, dört yivme veya yüksek frekanslı püskürtme işlemlerini içerir. İki süzülmede, sistem yüksek bir vakuma (10⁻⁵ pa) pompalanır, argon (1-10⁻ pa) ile doldurulur ve seramik parça püskürtme hedefinin yanına yerleştirilir. Negatif bir yüksek voltaj (1-7 kV) argonu iyonize eder ve pozitif iyonlar hedef yüzeyi bombalayarak, ince bir metal film oluşturmak için metali seramiğe püskürür.
Hedef konfigürasyon: Dönebilir bir rafa iki veya üç farklı metal monte edilir. İlk tabakayı püskürtdükten sonra (örn., Tungsten veya molibden, 50-500 nm kalınlığında), hedef çerçeve ikinci bir tabakayı (örn. Bakır, gümüş veya altın, 1-5 um kalınlığında) püskürtmek için döndürülür. İlk katman için TI kullanmak daha iyi sonuçlar verir.
Uygulamalar: Püskürtme, yüksek sıcaklıklara dayanamayan (örneğin piezoelektrik seramikler) ve ince metalleştirme tabakası nedeniyle hassas boyutsal kontrol sağlayan seramikler için idealdir.
Metalize seramiklerin teknik zorlukları
Termal Genişleme Uyumsuzluğu: Seramikler ve metaller arasındaki termal genleşme katsayılarındaki farklılıklar, sinterleme sırasında stresi indükleyebilir, bu da çatlama veya tabaka yıkımına yol açabilir.
Arayüzeysel kimyasal reaksiyonlar: Metal-seramik arayüzündeki reaksiyonlar, arayüzün kimyasal bileşimini ve yapısını değiştirerek ve performansı bozan oksitler üretir.
Erime noktası eşitsizliği: Seramikler ve metaller arasındaki erime noktalarındaki önemli fark, tam füzyonu karmaşıklaştırır, bu da sızdırmazlık gücünü azaltan küçük çatlaklara ve kusurlara neden olur.
Yüksek maliyet ve karmaşıklık: Seramik metalizasyonun pahalı ve karmaşık üretim süreci, belirli alanlardaki uygulamasını sınırlar.
Bu zorlukları ele alarak, seramik metalleşme gelişmeye devam ederek gelişmiş elektronik ve yapısal uygulamalarda seramik ve metaller arasında güvenilir bağlantılar sağlıyor.
