CN104591699A - 金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，包括如下组分：碳；铝、氧化铝、氮化铝中的至少一种；碳化硼、氮化硼、钛、碳化钛、碳氮化钛、二氧化钛中的至少一种；硅、氮化硅、氧化钙中的至少一种；三氧化二钇、氧化铈、碳化铬、锂、碳酸锂、氧化镧、镍、碳化钼、氧化锆中的至少两种。优点为该焊接封装模具陶瓷材料用于封装金属与高温玻璃绝缘子，性能优异，使用温度高达1100℃左右，高温不变形，冷热急变性好，不粘熔融高温玻璃绝缘子，不氧化，不会出现氧化的陶瓷粉尘粘结在玻璃绝缘子上的问题，不会对金属表面渗碳，不影响产品质量，使用寿命是同等条件下石墨封装材料的10倍以上，是目前替代石墨封装材料的最佳材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接封装模具陶瓷材料，尤其涉及一种金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料。
背景技术
随着电子技术的飞速发展，电子产品领域的焊接封装精度要求越来越高，传统的金属与高温玻璃绝缘子焊接封装所使用的模具材料多为石墨，其中，这里的模具不同于传统意义的用于成型物品的工具，它是一种焊接板或垫板等，金属与高温玻璃绝缘子在这块焊接板或垫板上完成焊接封装的工艺。采用石墨制成的模具存在诸多的缺陷：例如，石墨焊接封装模具材料在980-1100℃高温时极易氧化，且氧化的石墨粉尘粘结在产品的表面无法清除，模具使用几十次就得更换，使用寿命极短，尤其是一种预氧化焊接封装工艺，在温度达到650℃左右时向炉内喷湿氮，使金属达到氧化的目的，从而使金属与玻璃绝缘子焊接封装达到最佳状态。同时，焊接封装炉内大量氧化的导电粉尘在高温中沸腾、污染产品、污染车间环境，影响操作人员的身体健康；此外，980-1100℃高温条件下，金属与高温玻璃绝缘子焊接封装时与石墨焊接封装模具材料直接接触，易使金属渗碳，导致金属变质，并留有印痕，影响产品的质量和外观。
故，亟待解决上述技术难题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种性能优异的金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料。
技术方案：本发明所述的焊接封装模具陶瓷材料，包括如下组分：碳；铝、氧化铝、氮化铝中的至少一种；碳化硼、氮化硼、钛、碳化钛、碳氮化钛、二氧化钛中的至少一种；硅、氮化硅、氧化钙中的至少一种；三氧化二钇、氧化铈、碳化铬、锂、碳酸锂、氧化镧、镍、碳化钼、氧化锆中的至少两种。
其中，所说的碳0.5-60％；铝0.1-30％、氧化铝0.1-30％、氮化铝0.5-40％中的至少一种；碳化硼0.5-30％、氮化硼0.1-50％、钛1-20％、碳化钛0.5-40％、碳氮化钛0.5-25％、二氧化钛0.5-10％中的至少一种；硅0.5-50％、氮化硅1-50％、氧化钙0.1-5％中的至少一种；三氧化二钇0.5-20％、氧化铈0.1-10％、碳化铬0.5-10％、锂0.5-10％、碳酸锂0.1-10％、氧化镧0.5-10％、镍0.5-20％、碳化钼0.5-30％、氧化锆0.5-10％中的至少两种。
所说的焊接封装模具陶瓷材料可以包括如下多组组分，以重量百分比计(下同)：
碳0.5-30％，铝0.1-30％，氧化铝0.5-20％，碳化钛0.5-30％，碳化硼0.5-20％，硅0.5-50％，三氧化二钇0.1-10％，氧化铈0.1-10％。
碳0.5-40％，氧化铝1-30％，碳化钛0.5-40％，氮化硼0.5-40％，二氧化钛0.5-10％，氧化钙0.5-3％，碳化铬0.5-8％，三氧化二钇0.5-20％。
碳1-50％，铝1-30％，氧化铝0.1-20％，碳化钛1-30％，硅1-50％，三氧化二钇0.5-10％，氧化镧0.5-5％，碳酸锂0.5-10％。
碳1-50％，铝0.5-30％，碳氮化钛0.5-25％，硅1-40％，碳酸锂0.1-10％，三氧化二钇1-10％，氧化铈0.1-5％，氧化锆0.5-10％。
碳1-30％，铝1-20％，氧化铝1-20％，碳化硼0.5-30％，氮化硼0.1-50％，碳化钛1-30％，硅0.5-40％，氧化钙0.1-5％，三氧化二钇1-10％，碳酸锂1-10％。
碳1-30％，铝1-30％，氮化硼1-10％，碳化钛1-30％，硅1-30％，碳化铬0.5-10％，镍0.5-20％，碳化钼0.5-20％。
碳1-30％，铝0.1-20％，钛1-20％，碳化硼0.5-15％，硅0.5-20％，锂0.5-10％，镍1-20％，碳化钼1-30％，碳化铬1-10％。
碳1-60％，铝1-30％，氧化铝1-30％，碳化硼1-20％，氮化硼1-20％，硅0.5-50％，三氧化二钇1-10％，氧化铈1-5％，氧化镧1-10％。
碳0.5-60％，铝0.5-30％，氮化铝0.5-40％，碳化硼0.5-20％，硅1-20％，氮化硅1-50％，碳酸锂1-10％，氧化镧1-10％，氧化铈1-10％。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明的模具陶瓷材料可以用于焊接封装金属与高温玻璃绝缘子，其性能优异，且在电子焊接封装领域中的性能大大优于石墨材料，其使用温度高达1100℃左右，高温不变形，冷热急变性好，不粘熔融高温玻璃绝缘子，不发生氧化，不会出现氧化的粉尘粘结在玻璃绝缘子上的问题，也不会对金属表面渗碳，不影响产品的质量，其使用寿命是同等条件下使用石墨封装材料的10倍以上，是目前替代石墨封装材料的最佳材料。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步说明。
本申请人曾在专利ZL200410071751.9和ZL200610041130.5中涉及焊接模具陶瓷材料，其是针对低温玻壳或塑料，分别与半导体芯片和引线焊接封装所用的模具，使用温度较低，且玻壳不需要熔化，如玻壳熔化，则产品报废。而本发明是高温玻璃绝缘子与金属焊接封装所用的模具陶瓷材料，其使用温度高达1100℃左右，不粘熔融高温玻璃绝缘子、不氧化、高温条件长期使用不变形，冷热急变性能好，导热系数高，热膨胀系数与石墨基本相似，同时没有氧化的粉尘粘结在玻璃绝缘子上，也不会对金属表面渗碳，不影响产品的质量和外观，使用寿命是同等条件下使用石墨封装材料的10倍以上，可使用几百次甚至上千次，且价格低廉，是目前替代石墨封装材料的最佳材料。因此，本发明模具陶瓷材料的使用环境及实现功能与上述两件专利完全不同。此外，由于高温玻璃绝缘子种类繁多，针对不同的高温玻璃绝缘子，焊接封装模具陶瓷材料的配方也有所不同，制作工艺虽大体相同，但对于不同的陶瓷材料配方，其烧结温度不同，烧结气氛也有所不同。故，本发明模具陶瓷材料的配方类型复杂多变，不同于上述低温玻壳等焊接封装模具通用的配方材料。
本申请人历经三年时间，上千次试验，终于研究得出通过精心调配多种陶瓷原料加上本领域通用的制备方法，制得了符合本发明目的的焊接封装模具陶瓷材料。
本发明的焊接封装模具陶瓷材料是以多种陶瓷原料研制而得，包括碳；铝、氧化铝、氮化铝中的至少一种；碳化硼、氮化硼、钛、碳化钛、碳氮化钛、二氧化钛中的至少一种；硅、氮化硅、氧化钙中的至少一种；三氧化二钇、氧化铈、碳化铬、锂、碳酸锂、氧化镧、镍、碳化钼、氧化锆中的至少两种。
如果进一步精确各原料的配比关系，其制得的焊接封装陶瓷材料效果更好。各种原料的配比为：碳0.5-60％，铝0.1-30％，氧化铝0.1-30％，氮化铝0.5-40％，碳化硼0.5-30％，氮化硼0.1-50％，钛1-20％，碳化钛0.5-40％，碳氮化钛0.5-25％，二氧化钛0.5-10％，硅0.5-50％，氮化硅1-50％，氧化钙0.1-5％，三氧化二钇0.5-20％，氧化铈0.1-10％，碳化铬0.5-10％，锂0.5-10％，碳酸锂0.5-10％，氧化镧0.5-10％，镍0.5-20％，碳化钼0.5-30％，氧化锆0.5-10％。
以下以举例的形式列出本发明焊接封装模具陶瓷材料的几组配方，当然不限于下列配方：
1、碳0.5-30％，铝0.1-30％，氧化铝0.5-20％，碳化钛0.5-30％，碳化硼0.5-20％，硅0.5-50％，三氧化二钇0.1-10％，氧化铈0.1-10％。
2、碳0.5-40％，氧化铝1-30％，碳化钛0.5-40％，氮化硼0.5-40％，二氧化钛0.5-10％，氧化钙0.5-3％，碳化铬0.5-8％，三氧化二钇0.5-20％。
3、碳1-50％，铝1-30％，氧化铝0.1-20％，碳化钛1-30％，硅1-50％，三氧化二钇0.5-10％，氧化镧0.5-5％，碳酸锂0.5-10％。
4、碳1-50％，铝0.5-30％，碳氮化钛0.5-25％，硅1-40％，碳酸锂0.1-10％，三氧化二钇1-10％，氧化铈0.1-5％，氧化锆0.5-10％。
5、碳1-30％，铝1-20％，氧化铝1-20％，碳化硼0.5-30％，氮化硼0.1-50％，碳化钛1-30％，硅0.5-40％，氧化钙0.1-5％，三氧化二钇1-10％，碳酸锂1-10％。
6、碳1-30％，铝1-30％，氮化硼1-10％，碳化钛1-30％，硅1-30％，碳化铬0.5-10％，镍0.5-20％，碳化钼0.5-20％。
7、碳1-30％，铝0.1-20％，钛1-20％，碳化硼0.5-15％，硅0.5-20％，锂0.5-10％，镍1-20％，碳化钼1-30％，碳化铬1-10％。
8、碳1-60％，铝1-30％，氧化铝1-30％，碳化硼1-20％，氮化硼1-20％，硅0.5-50％，三氧化二钇1-10％，氧化铈1-5％，氧化镧1-10％。
9、碳0.5-60％，铝0.5-30％，氮化铝0.5-40％，碳化硼0.5-20％，硅1-20％，氮化硅1-50％，碳酸锂1-10％，氧化镧1-10％，氧化铈1-10％。
经数次试验证明(参见表1)，采用上述1-9组配方制成的焊接封装模具陶瓷材料，用于军工企业、民用电子器件的高温玻璃绝缘子焊接封装，使用温度在保护气氛中可达到1100℃左右，氧化气氛中可达720℃，该模具在高温中使用不粘玻璃绝缘子，不氧化，没有氧化的粉尘粘在玻璃绝缘子上，其性能与石墨焊接封装模相当，冷热急变性好，高温使用不变形，导热系数好，不会对金属表面渗碳，不影响焊接封装产品的外观，不会对金属渗碳而造成金属材料的质变现象，焊接封装炉内没有导电粉尘在高温中沸腾而造成污染产品，不会污染车间环境，也不会因此而影响操作人员的身体健康。该模具陶瓷材料长时间使用后无需用水或其它化工原料清洗，可一直使用直至报废为止。本发明的焊接封装模具陶瓷材料符合军工电子焊接封装企业等的使用要求，可以广泛用于电子行业、军工、玻璃产品制造行业等领域。
表1金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料性能
| 烧结方法 | 保护气氛烧结 |
| 体积密度/g/cm3 | 1.8-2.2 |
| 显气孔率/％ | 12-28 |
| 抗折强度/mpa | 85-150 |
| 抗压强度/mpa | 700 |
| 抗拉强度/Gpa | 70 |
| 弹性模量/Gpa | 150 |
| 硬度(莫氏) | 4-5 |
| 膨胀系数(X10-6/℃) | 2.5-2.9 |
| 温度(区间/℃) | 0-1100 |
| 导热系数/w/m.k | 9-15 |
实施例1
(一)原料
碳5％，铝10％，氧化铝10％，碳化钛20％，碳化硼10％，硅35％，三氧化二钇5％，氧化铈5％，总量为100％。
(二)制备方法
将上述原料粉末混合，经造粒压制、1400-1800℃高温烧结，再由高精度数控设备加工而成。
实施例2
(一)原料
碳0.5％，铝30％，氧化铝0.5％，碳化钛9％，碳化硼20％，硅20％，三氧化二钇10％，氧化铈10％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例3
(一)原料
碳30％，铝0.1％，氧化铝20％，碳化钛30％，碳化硼0.9％，硅18％，三氧化二钇0.1％，氧化铈0.9％。
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例4
(一)原料
碳30％，氧化铝15％，碳化钛25％，氮化硼10％，二氧化钛5％，氧化钙3％，碳化铬2％，三氧化二钇10％，总量为100％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例5
(一)原料
碳0.5％，氧化铝30％，碳化钛40％，氮化硼0.5％，二氧化钛10％，氧化钙1％，碳化铬8％，三氧化二钇10％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例6
(一)原料
碳40％，氧化铝1％，碳化钛0.5％，氮化硼40％，二氧化钛0.5％，氧化钙0.5％，碳化铬0.5％，三氧化二钇17％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例7
(一)原料
碳1％，铝30％，氧化铝20％，碳化钛9％，硅15％，三氧化二钇10％，氧化镧5％，碳酸锂10％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例8
(一)原料
碳50％，铝1％，氧化铝9％，碳化钛1％，硅30％，三氧化二钇0.5％，氧化镧0.5％，碳酸锂8％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例9
(一)原料
碳20％，铝15％，氧化铝10％，碳化钛20％，硅15％，三氧化二钇5％，氧化镧5％，碳酸锂10％，总量为100％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例10
(一)原料
碳5％，铝30％，碳氮化钛25％，硅5％，碳酸锂10％，三氧化二钇10％，氧化铈5％，氧化锆10％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例11
(一)原料
碳50％，铝0.5％，碳氮化钛0.5％，硅40％，碳酸锂6％，三氧化二钇2％，氧化铈0.5％，氧化锆0.5％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例12
(一)原料
碳10％，铝25％，碳氮化钛15％，硅30％，碳酸锂3％，三氧化二钇7％，氧化铈2％，氧化锆8％，总量为100％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例13
(一)原料
碳30％，铝5％，氧化铝10％，碳化硼5％，氮化硼20％，碳化钛10％，硅5％，氧化钙3％，三氧化二钇2％，碳酸锂10％，总量为100％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例14
(一)原料
碳1％，铝20％，氧化铝20％，碳化硼9％，氮化硼0.1％，碳化钛29％，硅0.9％，氧化钙1％，三氧化二钇9％，碳酸锂10％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例15
(一)原料
碳30％，铝1％，氧化铝1％，碳化硼0.5％，氮化硼10.5％，碳化钛30％，硅15％，氧化钙5％，三氧化二钇6％，碳酸锂1％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例16
(一)原料
碳30％，铝30％，氮化硼1％，碳化钛1％，硅8％，碳化铬10％，镍10％，碳化钼10％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例17
(一)原料
碳1％，铝20％，氮化硼1％，碳化钛8％，硅30％，碳化铬10％，镍10％，碳化钼20％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例18
(一)原料
碳5％，铝5％，氮化硼10％，碳化钛15％，硅20％，碳化铬7％，镍18％，碳化钼20％，总量为100％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例19
(一)原料
碳30％，铝0.1％，钛1％，碳化硼0.9％，硅20％，锂3％，镍20％，碳化钼15％，碳化铬10％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例20
(一)原料
碳30％，铝20％，钛20％，碳化硼15％，硅3％，锂2％，镍8％，碳化钼1％，碳化铬1％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例21
(一)原料
碳1％，铝20％，钛19％，碳化硼15％，硅0.5％，锂9.5％，镍15％，碳化钼15％，碳化铬5％，总量为100％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例22
碳1％，铝30％，氧化铝9％，碳化硼20％，氮化硼20％，硅5％，三氧化二钇9％，氧化铈5％，氧化镧1％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例23
(一)原料
碳30％，铝1％，氧化铝30％，碳化硼9％，氮化硼1％，硅19％，三氧化二钇1％，氧化铈4％，氧化镧5％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例24
(一)原料
碳60％，铝9％，氧化铝1％，碳化硼1％，氮化硼9％，硅0.5％，三氧化二钇9.5％，氧化铈1％，氧化镧9％，总量为100％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例25
(一)原料
碳60％，铝28％，氮化铝1％，碳化硼1％，硅1％，氮化硅1％，碳酸锂1％，氧化镧1％，氧化铈16％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例26
(一)原料
碳30％，铝0.5％，氮化铝30％，碳化硼19.5％，硅10％，氮化硅5％，碳酸锂3％，氧化镧1％，氧化铈1％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
实施例27
(一)原料
碳0.5％，铝15.5％，氮化铝14％，碳化硼10％，硅20％，氮化硅20％，碳酸锂1％，氧化镧9％，氧化铈10％，总量为100％。
(二)制备方法
与实施例1类似，根据实际情况调整工艺参数。
Claims (10)
1.一种金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，其特征在于包括如下组分：碳；铝、氧化铝、氮化铝中的至少一种；碳化硼、氮化硼、钛、碳化钛、碳氮化钛、二氧化钛中的至少一种；硅、氮化硅、氧化钙中的至少一种；三氧化二钇、氧化铈、碳化铬、锂、碳酸锂、氧化镧、镍、碳化钼、氧化锆中的至少两种。
2.根据权利要求1所述金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，其特征在于按重量百分比包括如下组分：所述碳0.5-60％；铝0.1-30％、氧化铝0.1-30％、氮化铝0.5-40％中的至少一种；碳化硼0.5-30％、氮化硼0.1-50％、钛1-20％、碳化钛0.5-40％、碳氮化钛0.5-25％、二氧化钛0.5-10％中的至少一种；硅0.5-50％、氮化硅1-50％、氧化钙0.1-5％中的至少一种；三氧化二钇0.5-20％、氧化铈0.1-10％、碳化铬0.5-10％、锂0.5-10％、碳酸锂0.1-10％、氧化镧0.5-10％、镍0.5-20％、碳化钼0.5-30％、氧化锆0.5-10％中的至少两种。
3.根据权利要求2所述金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，其特征在于按重量百分比包括如下组分：所述碳0.5-30％，铝0.1-30％，氧化铝0.5-20％，碳化钛0.5-30％，碳化硼0.5-20％，硅0.5-50％，三氧化二钇0.1-10％，氧化铈0.1-10％。
4.根据权利要求2所述金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，其特征在于按重量百分比包括如下组分：所述碳0.5-40％，氧化铝1-30％，碳化钛0.5-40％，氮化硼0.5-40％，二氧化钛0.5-10％，氧化钙0.5-3％，碳化铬0.5-8％，三氧化二钇0.5-20％。
5.根据权利要求2所述金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，其特征在于按重量百分比包括如下组分：所述碳1-50％，铝0.5-30％，碳氮化钛0.5-25％，硅1-40％，碳酸锂0.1-10％，三氧化二钇1-10％，氧化铈0.1-5％，氧化锆0.5-10％。
6.根据权利要求2所述金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，其特征在于按重量百分比包括如下组分：所述碳1-30％，铝1-20％，氧化铝1-20％，碳化硼0.5-30％，氮化硼0.1-50％，碳化钛1-30％，硅0.5-40％，氧化钙0.1-5％，三氧化二钇1-10％，碳酸锂1-10％。
7.根据权利要求2所述金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，其特征在于按重量百分比包括如下组分：所述碳1-30％，铝1-30％，氮化硼1-10％，碳化钛1-30％，硅1-30％，碳化铬0.5-10％，镍0.5-20％，碳化钼0.5-20％。
8.根据权利要求2所述金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，其特征在于按重量百分比包括如下组分：所述碳1-30％，铝0.1-20％，钛1-20％，碳化硼0.5-15％，硅0.5-20％，锂0.5-10％，镍1-20％，碳化钼1-30％，碳化铬1-10％。
9.根据权利要求2所述金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，其特征在于按重量百分比包括如下组分：所述碳1-60％，铝1-30％，氧化铝1-30％，碳化硼1-20％，氮化硼1-20％，硅0.5-50％，三氧化二钇1-10％，氧化铈1-5％，氧化镧1-10％。
10.根据权利要求2所述金属与高温玻璃绝缘子焊接封装模具陶瓷材料，其特征在于按重量百分比包括如下组分：所述碳0.5-60％，铝0.5-30％，氮化铝0.5-40％，碳化硼0.5-20％，硅1-20％，氮化硅1-50％，碳酸锂1-10％，氧化镧1-10％，氧化铈1-10％。
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