CN102557759A - 一种氮化铝陶瓷的高温金属化方法 - Google Patents

Abstract

一种氮化铝陶瓷的表面金属化方法，属于陶瓷材料领域，按照以下步骤操作，a.配制金属化粉末；b.混合均匀，球磨粉碎；c.干燥；d.过筛；e.加入粘结剂；f.加入溶剂；g.混料配膏；h.涂膏；i.涂层烧结。该金属化工艺方法可以获得高达50MPa以上的封接抗拉强度，同时，瓷封件的漏气速率低。

Description

一种氮化铝陶瓷的高温金属化方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料领域，特别涉及到一种微波真空电子器件制造中氮化铝陶瓷的高温金属化方法。

背景技术

在本行业中，氮化铝陶瓷热导率是氧化铝陶瓷的7～8倍，其机械强度和介电强度均优于氧化铝陶瓷，介电性能和氧化铝陶瓷相近；同时由于它又具有接近于氧化铍陶瓷的高热导率却并没有氧化铍陶瓷的毒副作用，因此在使用的过程中，它已成为理想的氧化铝和氧化铍陶瓷的替代品。氮化铝陶瓷在电力电子器件、汽车工业、微波真空器件等领域有着重要应用。

作为微波真空器件制造不可缺少的关键材料之一，陶瓷材料在微波真空器件中主要用作微波输能窗、收集极部件以及夹持杆等绝缘支撑部件。上述陶瓷零部件通常需要与金属部件连接形成陶瓷-金属封接件(统称为瓷封件)。为了封接，就需要对氮化铝陶瓷表面的局部区域进行金属化，然后通过钎焊与金属零件连接为一体。微波真空器件用陶瓷金属化技术有自己独特的要求。首先微波真空器件用瓷封件通常使用银、铜焊料或其合金焊料、金铜、金镍等焊料钎焊，焊接温度高；此外瓷封件在装配到电子器件过程中往往要经过多次焊接工序，并且要经受长时间的真空排气热烘烤，而且在微波真空器件工作状态下，瓷封件还要承受冷热和机械冲击，为了保证微波真空器件有足够的寿命和高的可靠性，必须要求瓷封件封口部位有较高的焊接强度，通常还必须同时保证真空气密性。这就要求用于瓷封件焊接的金属化陶瓷上的金属化层与基底陶瓷有较强的结合强度，以保证瓷封件上的焊接强度和可靠性。为此，本发明针对微波真空器件制造，而对高结合强度和气密瓷封件的特殊要求，提出了一种高强气密性的氮化铝陶瓷表面金属化方法。

由于氮化铝陶瓷除具有优良的导热和电性能之外还具有与硅匹配的膨胀系数，是理想的集成电子封装材料。因此国内有关氮化铝陶瓷的金属化技术的相关报道已经十分广泛，其中，所查阅到的专利多数是针对集成电路基板应用，主要涉及氮化铝陶瓷表面覆铜金属化技术和覆W、Mo金属化技术。专利CN201681922报道了一种在氮化铝表面形成W或Mo金属化层的技术；专利CN101962760A报道了一种通过化学镀方法在氮化铝陶瓷表面形成Cu金属层的方法；CN101445386A和CN102208371A涉及到通过在氮化铝和Cu层之间形成Cu-O共晶层，从而在氮化铝陶瓷表面形成Cu金属化层的方法，后者还涉及到利用Ti改性层获得覆铜氮化铝基板的工艺。但是上述方法只适合平面金属化，而且金属化层与基板结合强度较低，故上述所报道的氮化铝陶瓷金属化方法不适合在微波真空电子器件中使用。

在大量实践中得知，氮化铝陶瓷的金属化比其他氧化物如氧化铝和氧化铍陶瓷的金属化更困难。首先，氮化铝陶瓷属共价键结合，化学反应活性低，很难与其它物资发生化学反应而相互结合。另外氮化铝陶瓷热膨胀系数比较低，与金属化层或金属结合过程中应力较大；此外，氮化铝陶瓷晶粒尺寸较小(通常约5微米)，而且几乎没有玻璃相存在，只有少量晶界第二相存在于晶界或三晶交汇处。基于上述原因，本发明开创性的提出了一种氮化铝陶瓷高温金属化的工艺方法，传统的高温金属化方法是氧化铝陶瓷常用的金属化技术，它主要通过金属化层中的玻璃相和陶瓷中的玻璃相在高温相互扩散在陶瓷基底表面形成牢固的金属化结合层。但是如前所述，由于氮化铝陶瓷微观结构和组成不同于氧化铝陶瓷，因此通常用于氧化铝陶瓷的Mo-Mn金属化工艺，并不适用于氮化铝陶瓷。为此本发明专门开发了一种适合于氮化铝陶瓷的高温金属化方法。

本发明的高温金属化方法用金属化粉末配方包括W、Mo等耐热金属中的一种，以及玻璃相和少量的Ni或Mn元素。Ni或Mn元素为外加，约占总量的0.1-10％；玻璃相主要是在铝硅酸盐或硼硅酸盐玻璃组分基础上添加MgO、CaO、MnO、TiO₂、ZnO、Y₂O₃或NiO中至少一种改性添加剂，用于调节玻璃相的膨胀系数并改善对氮化铝陶瓷的润湿性。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，针对微波真空电子器件制造中焊接的金属化层与基底陶瓷之间需要有较高的结合强度和气密性，为了器件制造的需求，申请人创新地研究一种陶瓷的高温金属化方法。

本发明的目的，在于提供一种氮化铝陶瓷的高温金属化方法。

本发明采用的技术方案具体为，一种氮化铝陶瓷的高温金属化方法，其特征在于，按以下流程步骤操作：

a.配置金属化粉末，耐热金属W、Mo含量在55-90％；玻璃相含量在10-45％；玻璃改性添加剂Ni、Mn，占总量的1-5％；

b.将上述玻璃相组分混合均匀，高温熔化，淬火形成玻璃粉末，并球磨粉碎24-48小时，将所述玻璃相和耐热金属粉末以及少量的Ni和Mn元素按比例球磨混合均匀，形成金属化粉末；

c.80-100℃干燥4-5小时；

d.400目以上过筛；

e.加入硝棉溶液粘结剂；

f.加少量溶剂，乙醇、丙酮、草酸二乙酯；

g.混料配膏，按金属粉、粘结剂为4∶1比例，搅拌均匀；

h.涂膏，手工或丝网印印刷；

i.涂层烧结，在1400-1650℃下，涂层厚度为30-60μm，氮气或氮氢混合气氛环境下烧结而成致密金属化层。

本发明的高温金属化方法的有益效果是，依据该金属化工艺方法可以获得50MPa以上的封接抗拉强度，同时，瓷封件的漏气速率低，测得漏气率为Q≤10^-10Pa.m³/s；本发明的另一特点在于，按照本发明在氮化铝陶瓷形成高温金属化层后，其上再电镀一层镍，就可以用不同温度焊料进行焊接，满足微波真空器件多级焊的需求。

附图说明

图1为抗拉强度测试组件示意图；

图2为本发明氮化铝陶瓷的高温金属化方法流程图。

具体实施方式

参照图1，表示抗拉强度测试组件示意图，图中1为95Al₂O₃陶瓷标准抗拉件，2为Cu片，中间部分为氮化铝陶瓷片3。参照图2，表示本发明氮化铝陶瓷的高温金属化方法流程图。图中，a.配制金属化粉末，耐热金属W、Mo含量在55-90％(优选70-85％)；玻璃相含量在10-45％；玻璃改性添加剂Ni、Mn，占总量的1-5％；b.将上述玻璃相组分混合均匀，高温熔化，淬火形成玻璃粉末，并球磨粉碎24-48小时，将所述玻璃相和耐热金属粉末以及少量的Ni和Mn元素按比例球磨混合均匀，形成金属化粉末；c.80-100℃干燥4-5小时；d.400目以上过筛；e.加入硝棉溶液粘结剂；f.加少量溶剂，乙醇、丙酮、草酸二乙酯；g.混料配膏，按金属粉、粘结剂为4∶1比例，搅拌均匀；h.涂膏，手工或丝网印印刷；i.涂层烧结，在1400-1650℃下，涂层厚度为30-60μm；氮化铝陶瓷表面经高温1400-1650℃氮气或氮氢混合气氛环境下烧结而成致密金属化层。用氦质谱检漏仪检验组合抗拉件的漏气速率，并按照中华人民共和国电子行业标准SJ/T3326-2001的方法、以及中华人民共和国电子行业SJ/T11246-2001方法的规定，测试组合抗拉件的抗拉强度。

Claims (1)

1.一种氮化铝陶瓷的表面金属化方法，其特征在于，按照以下工艺步骤进行操作，

a.配置金属化粉末，耐热金属W、Mo含量在55-90％；玻璃相含量在10-45％；玻璃改性添加剂Ni、Mn，占总量的1-5％；

b.将上述玻璃相组分混合均匀，高温熔化，淬火形成玻璃粉末，并球磨粉碎24-48小时，将所述玻璃相和耐热金属粉末以及少量的Ni和Mn元素按比例球磨混合均匀，形成金属化粉末；

c.80-100℃干燥4-5小时；

d.400目以上过筛；

e.加入硝棉溶液粘结剂；

f.加入溶剂，乙醇、丙酮、草酸二乙酯；

g.混料配膏，按金属粉、粘结剂为4∶1比例，搅拌均匀；

h.涂膏，手工或丝网印印刷；

i.涂层烧结，在1400-1650℃下，涂层厚度为30-60μm，氮气或氮氢混合气氛环境下烧结而成致密金属化层。

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