RU2777312C1 - Method for metallization of ceramic products - Google Patents
Method for metallization of ceramic products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777312C1 RU2777312C1 RU2021132597A RU2021132597A RU2777312C1 RU 2777312 C1 RU2777312 C1 RU 2777312C1 RU 2021132597 A RU2021132597 A RU 2021132597A RU 2021132597 A RU2021132597 A RU 2021132597A RU 2777312 C1 RU2777312 C1 RU 2777312C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metallization
- titanium
- firing
- temperature
- minutes
- Prior art date
Links
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 39
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 42
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 6
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000011068 load Methods 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 50
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 30
- 239000010408 film Substances 0.000 description 14
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 11
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N HF Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 4
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 4
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 3
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 3
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 3
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006748 scratching Methods 0.000 description 3
- 230000002393 scratching Effects 0.000 description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N HCl Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZQPPMHVWECSIRJ-KTKRTIGZSA-N Oleic acid Chemical compound CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCC(O)=O ZQPPMHVWECSIRJ-KTKRTIGZSA-N 0.000 description 2
- 235000015450 Tilia cordata Nutrition 0.000 description 2
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating Effects 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- -1 titanium-copper Chemical compound 0.000 description 2
- XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N triclene Chemical group ClC=C(Cl)Cl XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WUOACPNHFRMFPN-VIFPVBQESA-N (R)-(+)-α-terpineol Chemical compound CC1=CC[C@H](C(C)(C)O)CC1 WUOACPNHFRMFPN-VIFPVBQESA-N 0.000 description 1
- ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L Copper(II) sulfate Chemical compound [Cu+2].[O-][S+2]([O-])([O-])[O-] ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N Dibutyl phthalate Chemical compound CCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCC DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000080590 Niso Species 0.000 description 1
- 239000005642 Oleic acid Substances 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 1
- WUOACPNHFRMFPN-SECBINFHSA-N alpha-Terpineol Natural products CC1=CC[C@@H](C(C)(C)O)CC1 WUOACPNHFRMFPN-SECBINFHSA-N 0.000 description 1
- 229940088601 alpha-terpineol Drugs 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 description 1
- 229910000365 copper sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005246 galvanizing Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 1
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical class [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001929 titanium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к металлизации керамики, используемой в электронной, радиотехнической и других отраслях промышленности и может найти применение для изготовления электровакуумных приборов, гибридных интегральных схем и корпусов силовых модулей и мощных полупроводниковых приборов.The invention relates to the metallization of ceramics used in electronic, radio engineering and other industries and can be used for the manufacture of vacuum devices, hybrid integrated circuits and housings of power modules and high-power semiconductor devices.
Известен способ тонкопленочной металлизации путем термического испарения металла в вакууме [см. патент РФ №2704149, МПК С23С 28/02, заявл. 15.05.2019, опубл. 24.10.2019], включающий нанесение вакуумным осаждением на поверхность керамической пластины тонкопленочного слоя титан-медь, состоящего из титана и осажденной на него меди.A known method of thin-film metallization by thermal evaporation of the metal in a vacuum [see. RF patent No. 2704149, IPC C23C 28/02, Appl. 05/15/2019, publ. October 24, 2019], which includes vacuum deposition on the surface of a ceramic plate of a thin-film titanium-copper layer consisting of titanium and copper deposited on it.
Этот способ трудоемок, требует сложного оборудования, а также применения полированных диэлектрических подложек с шероховатостью обработанных поверхностей на уровне 20-150 нм.This method is time consuming, requires complex equipment, as well as the use of polished dielectric substrates with a roughness of the treated surfaces at the level of 20-150 nm.
Известен способ металлизации керамических изделий [см. авторское свидетельство СССР №617444, МПК С04В 41/14, заявл. 03.01.75, опубл. 30.07.78], путем обжига их в контакте с металлизационной лентой, в качестве которой используют предварительно окисленную на глубину 0,1-1 мкм металлическую ленту, а обжиг осуществляют при температуре на 50-100°С выше температуры размягчения диэлектрика, после чего ленту отслаивают, а диэлектрик подвергают термообработке в восстановительной среде при температуре на 150-200°С ниже температуры его размягчения.A known method of metallization of ceramic products [see. USSR author's certificate No. 617444, IPC С04В 41/14, Appl. 01/03/75, publ. 07/30/78], by firing them in contact with a metallization tape, which is used as a metal tape pre-oxidized to a depth of 0.1-1 microns, and firing is carried out at a temperature of 50-100 ° C higher than the softening temperature of the dielectric, after which the tape exfoliate, and the dielectric is subjected to heat treatment in a reducing environment at a temperature of 150-200°C below its softening temperature.
Недостатком известного способа является его сложность, высокая трудоемкость из-за многочисленных отжигов и необходимость использования дорогостоящего оборудования. А самое главное - сложность и неравномерность отрыва металлической ленты при отслаивании ленты, которое необходимо осуществлять с большим усилием и поэтому требуется разрабатывать и изготавливать специальное устройство. Характер отрыва ленты от керамики неоднородный: на некоторых местах- отрыв происходит по стеклу на поверхности керамики, а на некоторых участках керамических изделий отрыв происходит по слою окисла на металлической ленте, что характеризует нестабильность процесса отслоения.The disadvantage of this method is its complexity, high labor intensity due to numerous annealing and the need to use expensive equipment. And most importantly, the complexity and unevenness of the metal tape tearing off when peeling off the tape, which must be carried out with great effort and therefore it is required to develop and manufacture a special device. The nature of the detachment of the tape from the ceramics is heterogeneous: in some places, the detachment occurs along the glass on the surface of the ceramics, and in some areas of ceramic products, the detachment occurs along the oxide layer on the metal tape, which characterizes the instability of the delamination process.
Наиболее близким к изобретению техническим решением (прототип) является способ металлизации керамических изделий, включающий укладку металлизационной пленки на изделие, нагрев изделия после укладки металлизационной пленки под дополнительной нагрузкой 0,02-0,08 кг/см2 и обжиг [см. авторское свидетельство СССР №783288, МПК С04В 41/14, опубл. 30.11.80, бюл. 44].Closest to the invention technical solution (prototype) is a method of metallization of ceramic products, including laying the metallization film on the product, heating the product after laying the metallization film under an additional load of 0.02-0.08 kg/cm 2 and firing [see. USSR author's certificate No. 783288, IPC С04В 41/14, publ. 30.11.80, bul. 44].
Недостатком известного способа является невозможность заметаллизировать одновременно две поверхности изделий типа плоских пластин-подложек на основе оксида и нитрида алюминия. Кроме того, при использовании металлизационной пленки для керамики из оксида алюминия не удается обеспечить сцепления (адгезии) покрытия с керамикой из нитрида алюминия, на этом материале при проверке адгезии получается «голый» отрыв, т.е. отсутствие сцепления металлизации со шлифованными поверхностями (с шероховатостью 0,63 мкм) керамических подложек.The disadvantage of the known method is the inability to metallize simultaneously two surfaces of products such as flat substrate plates based on aluminum oxide and nitride. In addition, when using a metallization film for aluminum oxide ceramics, it is not possible to provide adhesion (adhesion) of the coating with aluminum nitride ceramics; lack of adhesion of metallization to ground surfaces (with a roughness of 0.63 microns) of ceramic substrates.
Задачей изобретения является упрощение процесса металлизации путем переноса (нанесения) металлизационного слоя одновременно на обе стороны плоских керамических пластин в виде подложек, как на основе оксида, так и нитрида алюминия, получение равномерного металлизационного слоя и обеспечение адгезии на шлифованных поверхностях (с шероховатостью 0,63 мкм) подложек из различных керамических материалов.The objective of the invention is to simplify the metallization process by transferring (applying) a metallization layer simultaneously to both sides of flat ceramic plates in the form of substrates, both based on oxide and aluminum nitride, obtaining a uniform metallization layer and ensuring adhesion on ground surfaces (with a roughness of 0.63 µm) substrates of various ceramic materials.
Технический результат достигается за счет того, что в способе металлизации керамических изделий включающий укладку металлизационной пленки на изделие, нагрев изделия после укладки металлизационной пленки под дополнительной нагрузкой 0,02-0,08 кг/см2 и обжиг, в качестве металлизационной ленты используют ленту из титана толщиной не более 1,5 мм, которую устанавливают с двух сторон к плоским керамическим изделиям, предварительный нагрев собранных изделий проводят вместе с последующим обжигом в одном цикле в вакуумной печи сначала при температуре 400°С не менее 30 мин., после чего нагревают при температуре 850°С не менее 12 мин, а затем осуществляют обжиг при температуре 960°С не менее 4 мин, при этом нагрев и отжиг осуществляют в фиксирущей оправке.The technical result is achieved due to the fact that in the method of metallization of ceramic products, including laying a metallization film on the product, heating the product after laying the metallization film under an additional load of 0.02-0.08 kg / cm 2 and firing, a tape of titanium with a thickness of not more than 1.5 mm, which is installed on both sides to flat ceramic products, preheating of the assembled products is carried out together with subsequent firing in one cycle in a vacuum furnace, first at a temperature of 400 ° C for at least 30 minutes, after which they are heated at at a temperature of 850°C for at least 12 minutes, and then firing is carried out at a temperature of 960°C for at least 4 minutes, while heating and annealing is carried out in a fixing mandrel.
После этого на подложку можно наносить второй слой металлизации любым из известных методов (напылением, гальваническим осаждением или вжиганием металлизационной пасты).After that, a second metallization layer can be applied to the substrate by any of the known methods (sputtering, galvanic deposition, or metallization paste firing).
Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.
На очищенную от загрязнений шлифованную подложку из алюмооксидной или алюмонитридной керамики с обеих сторон (на лицевую и обратную стороны) накладываются такого же размера, как и подложка, титановые ленты в виде пластин. Собранное изделие из подложки и двух титановых лент-пластин помещается в углубления (такого же габаритного размера, как и подложка) в фиксирущей оправке из отшлифованной огнеупорной плиты. На выступающие из углублений верхние титановые пластины собранных изделий устанавливается вторая отшлифованная огнеупорная плита-пригруз, которая обеспечивает подпрессовку и прижим титановых пластин с двух сторон к подложкам с нагрузкой 0,02-0,08 кг/см2. Такое небольшое давление в процессе нагревания и обжига обеспечивает контакт титановых лент-пластин к обеим сторонам подложек и предотвращает их деформацию. Нагрев собранных изделий осуществляется в вакуумной печи - полуавтомате в следующем режиме: предварительный нагрев проводится при температуре 400°С в течение 30 мин., далее нагрев продолжается при температуре 850°С в течение 12 мин, а затем осуществляется обжиг при температуре 960°С в течение 4 мин.Titanium tapes in the form of plates, the same size as the substrate, are applied on both sides (on the front and back sides) on a polished substrate made of alumina or aluminum nitride ceramics cleaned of impurities. The assembled product from the substrate and two titanium tape-plates is placed in recesses (of the same overall size as the substrate) in a fixing mandrel made of ground refractory plate. The second polished refractory weight plate is installed on the upper titanium plates protruding from the recesses of the assembled products, which provides prepressing and pressing of the titanium plates from both sides to the substrates with a load of 0.02-0.08 kg/cm 2 Such a low pressure during heating and firing ensures that the titanium tapes-plates are in contact with both sides of the substrates and prevent their deformation. The assembled products are heated in a semi-automatic vacuum furnace in the following mode: preheating is carried out at a temperature of 400°C for 30 minutes, then heating continues at a temperature of 850°C for 12 minutes, and then firing is carried out at a temperature of 960°C in within 4 min.
При таком режиме нагрева и обжига в одном цикле происходит напыление и диффузия титана в поверхностные слои керамических подложек из оксида (Al2O3) и нитрида (AlN) алюминия, взаимодействие его с образованием новых фаз в виде титанатов алюминия, оксидов и нитридов титана, что позволяет получать покрытия с высокой адгезией и использовать изготовленные таким образом подложки со слоем титана в качестве заготовок для последующего нанесения 2-го металлизационного слоя путем вакуумного напыления, гальванического осаждения меди из различных растворов или вжигания металлизационных паст различного состава.With this mode of heating and firing in one cycle, titanium is deposited and diffused into the surface layers of ceramic substrates made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and aluminum nitride (AlN), its interaction with the formation of new phases in the form of aluminum titanates, titanium oxides and nitrides, which makes it possible to obtain coatings with high adhesion and to use the substrates with a titanium layer prepared in this way as blanks for the subsequent deposition of the 2nd metallization layer by vacuum deposition, galvanic copper deposition from various solutions, or annealing of metallization pastes of various compositions.
Реализации способа подтверждается конкретными примерами.The implementation of the method is confirmed by concrete examples.
Пример №1Example #1
Спеченные керамические подложки из оксида алюминия (Al2O3) размером 60×48×1 мм шлифовали лицевую и оборотную стороны до достижения шероховатости рабочих поверхностей Rz=0,063 мкм. После шлифовки подложки тщательно промывали в кипящем трихлорэтилене, а затем подвергали ультразвуковой обработке в деионизированной воде и сушили в ацетоне. Далее к очищенным от загрязнений сторонам подложек из алюмооксидной керамики прикладывали ленты - пластины из титана марки ВТ1-0 размером 60×48×1 мм. Полученный сэндвич из подложки и двух, находящихся в контакте с ними титановых лент-пластин, помещали в углубления (такого же габаритного размера, как и подложка) в фиксирующую оправку из отшлифованной огнеупорной плиты. На выступающие из углублений верхние титановые пластины собранных изделий устанавливали вторую отшлифованную огнеупорную плиту-пригруз, которая обеспечивала подпрессовку и прижим титановых пластин с двух сторон к подложкам с усилием 0,02-0,08 кг/см2. Затем огнеупорную оправку с установленными в углублениях изделием помещали в никелевую лодочку и отправляли в вакуумную печь.Sintered ceramic substrates made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with a size of 60×48×1 mm were ground front and back sides until the roughness of the working surfaces Rz=0.063 μm. After grinding, the substrates were thoroughly washed in boiling trichlorethylene, then sonicated in deionized water and dried in acetone. Next, tapes - plates of VT1-0 titanium grade 60 × 48 × 1 mm in size were applied to the sides of the substrates made of alumina ceramics, cleaned from contamination. The resulting sandwich of the substrate and two titanium tapes-plates in contact with them was placed in recesses (of the same overall size as the substrate) in a fixing mandrel made of ground refractory plate. A second polished refractory weight plate was installed on the upper titanium plates protruding from the recesses of the assembled products. Then the refractory mandrel with the product installed in the recesses was placed in a nickel boat and sent to a vacuum furnace.
Нагрев собранных изделий осуществляли вместе с последующим обжигом в одном цикле в вакуумной печи - полуавтомате в следующем режиме: вакуум обеспечивали не хуже 1⋅10-5 мм.рт.ст., предварительный нагрев проводили при температуре 400°С в течение 30 мин., далее нагрев продолжали при температуре 850°С в течение 12 мин, а затем осуществляли окончательную термообработку при температуре 960°С в течение 4 мин. При таком режиме нагрева и обжига в одном цикле происходило напыление и диффузия титана в поверхностные слои керамических подложек из оксида (Al2O3), что обеспечивало прочную связь металл-керамика.The assembled products were heated together with subsequent firing in one cycle in a semi-automatic vacuum furnace in the following mode: vacuum was provided no worse than 1⋅10 -5 mm Hg, preheating was carried out at a temperature of 400°C for 30 minutes, further heating was continued at a temperature of 850°C for 12 minutes, and then the final heat treatment was carried out at a temperature of 960°C for 4 minutes. With this mode of heating and firing in one cycle, titanium was deposited and diffused into the surface layers of ceramic substrates made of oxide (Al 2 O 3 ), which ensured a strong metal-ceramic bond.
После окончательной термообработки (обжига) титановые ленты - пластины отсоединяли от керамических подложек, при этом после отсоединения обе поверхности керамических подложек, находящихся в процессе нагрева и обжига в соприкосновении с титановыми лентами-пластинами, были покрыты сплошными пленками темно-серого цвета. Полученные пленки состояли из титана, имели толщину в диапазоне 136-164 мкм и при 20°С их удельное электрическое сопротивление составило 3,8 Ом⋅м.After the final heat treatment (firing), the titanium tapes-plates were detached from the ceramic substrates, and after detachment, both surfaces of the ceramic substrates that were in contact with the titanium tapes-plates during heating and firing were covered with solid dark gray films. The resulting films consisted of titanium, had a thickness in the range of 136-164 μm, and at 20°C their electrical resistivity was 3.8 Ohm⋅m.
Пример №2Example #2
Спеченные подложки из керамики на основе нитрида алюминия (AlN) размером 60×48×1 мм шлифовали лицевую и оборотную стороны до достижения шероховатости рабочих поверхностей Rz=0,063 мкм. После шлифовки подложки тщательно промывали в кипящем трихлорэтилене, а затем подвергали ультразвуковой обработке в деионизированной воде и сушили в ацетоне. Далее к очищенным от загрязнений сторонам подложек из алюмонитридной керамики прикладывали ленты - пластины из титана марки ВТ1-0 размером 60×48×1 мм. Затем собранный пакет из 3-х пластин укладывали в той же последовательности, а также проводили нагрев и отжиг в вакуумной печи, аналогично тому, что приведено в описании примера №1.Sintered ceramic substrates based on aluminum nitride (AlN) with a size of 60×48×1 mm were ground front and back sides until the roughness of the working surfaces Rz=0.063 μm. After polishing, the substrates were thoroughly washed in boiling trichlorethylene, then sonicated in deionized water and dried in acetone. Next, tapes - plates of titanium grade VT1-0 with a size of 60 × 48 × 1 mm were applied to the sides of the substrates made of aluminum nitride ceramics, cleaned from contamination. Then the assembled package of 3 plates was stacked in the same sequence, and heating and annealing were carried out in a vacuum furnace, similar to that given in the description of example No. 1.
После обжига титановые ленты - пластины снимали с керамических подложек из нитрида алюминия, которые так же, как и алюмооксидные подложки, были покрыты сплошными пленками темно-серого цвета. Полученные пленки также состояли из титана, имели толщину в диапазоне 85-95 мкм и их удельное электрическое сопротивление при 20°С составило 1,7 Ом⋅м.After firing, titanium tapes - plates were removed from aluminum nitride ceramic substrates, which, like the alumina substrates, were covered with solid films of dark gray color. The resulting films also consisted of titanium, had a thickness in the range of 85-95 μm, and their electrical resistivity at 20°C was 1.7 ohm⋅m.
Пример №3Example #3
Изготовленные подложки из оксида и нитрида алюминия с нанесенным слоем титана согласно предлагаемому способу, описанному в примерах №1 и №2, использовали в качестве заготовок для последующего нанесения 2-го металлизационного слоя путем вакуумного напыления, при этом слой титана являлся адгезионным, подложки с которым перед напылением меди в качестве второго слоя, очищали в перекисно-аммиачном растворе, сушили в азоте и затем вакуумным термическим методом напыления на установке УВН-2М2 на слой титана напыляли пленку меди толщиной 1-2 мкм, после чего на этот слой меди гальваническим методом осаждали слой меди толщиной 12-15 мкм и формировали топологический рисунок схемы методом фотолитографии.The substrates made of aluminum oxide and nitride coated with a titanium layer according to the proposed method described in examples No. 1 and No. 2 were used as blanks for the subsequent deposition of the 2nd metallization layer by vacuum deposition, while the titanium layer was adhesive, the substrates with which before deposition of copper as the second layer, it was cleaned in an ammonia peroxide solution, dried in nitrogen, and then a copper film 1–2 μm thick was deposited onto the titanium layer by vacuum thermal deposition on a UVN-2M2 installation, after which copper was deposited onto this copper layer by galvanic method a copper layer with a thickness of 12-15 μm and formed a topological pattern of the circuit by photolithography.
Сцепление пленок к слою титана определяли путем царапания металлической иглой, при этом отслоения, пузырения и шелушения покрытия отсутствовали, что свидетельствовало о качественной адгезии пленок как к подложке, так и между слоями титана и напыленным слоем меди.The adhesion of the films to the titanium layer was determined by scratching with a metal needle; there were no delaminations, bubbling, or peeling of the coating, which indicated high-quality adhesion of the films both to the substrate and between the titanium layers and the deposited copper layer.
Пример №4Example #4
Изготовленные подложки из оксида (Al2O3) и нитрида алюминия (AlN) с нанесенным слоем титана согласно предлагаемому способу, описанному в примерах №1 и №2, использовали в качестве заготовок для последующего нанесения 2-го, 3-го и 4-го металлизационных слоев путем гальванического осаждения. Перед гальваническим покрытием поверхности подложек подвергали предварительной подготовке, заключающейся в обезжиривании (в органическом растворителе и в щелочном растворе) и травлении в кислом травителе при комнатной температуре. С этой целью подложки обезжиривали в бензине и протирали влажной венской известью. Далее производили химическое травление в растворе, состоящем из 48%-ной плавиковой кислоты (185-200 мл/1 л) и 70%-ной азотной кислоты (8-10 мл /1 л) в течение 10-15 сек при 18-23°С. Затем подложки промывали в течение 3-5 сек в этиленгликоле, после чего проводили электрохимическое цинкование при комнатной температуре из раствора, содержащего 200 мл 40%-ной плавиковой кислоты, растворенных в ней 100 г металлического цинка и 800 мл этиленгликоля.Fabricated substrates made of oxide (Al 2 O 3 ) and aluminum nitride (AlN) coated with a layer of titanium according to the proposed method described in examples No. 1 and No. 2 were used as blanks for the subsequent application of the 2nd, 3rd and 4th th metallization layers by galvanic deposition. Before electroplating, the substrate surfaces were subjected to preliminary preparation, which consisted in degreasing (in an organic solvent and in an alkaline solution) and etching in an acidic etchant at room temperature. For this purpose, the substrates were degreased in gasoline and wiped with wet Vienna lime. Next, chemical etching was carried out in a solution consisting of 48% hydrofluoric acid (185–200 ml/1 l) and 70% nitric acid (8–10 ml/1 l) for 10–15 sec at 18–23 °C. Then the substrates were washed for 3–5 sec in ethylene glycol, after which electrochemical zinc plating was performed at room temperature from a solution containing 200 ml of 40% hydrofluoric acid, 100 g of metallic zinc and 800 ml of ethylene glycol dissolved in it.
При электрохимическом цинковании плотность тока составляет 0,25-1,0 А/дм2, время - 2-3 мин. На цинковый подслой наносили слой никеля. Никелирование подложек осуществляли при рН 5,6-5,8, температуре 18-23°С, плотности тока 0,25 А/дм2 в течение 2 час в электролите следующего состава: NiSO4⋅7Н2О - 200-230 г/л; NaCl - 5-10 г/л и Н3ВО3 - 25-30 г/л. При этом толщина покрытий составляла 5-6 мк.During electrochemical galvanizing, the current density is 0.25-1.0 A/dm 2 , the time is 2-3 minutes. A layer of nickel was deposited on the zinc sublayer. Nickel plating of the substrates was carried out at pH 5.6-5.8, temperature 18-23°C, current density 0.25 A/dm 2 for 2 hours in an electrolyte of the following composition: NiSO 4 ⋅7H 2 O - 200-230 g/ l; NaCl - 5-10 g / l and H 3 IN 3 - 25-30 g / l. The thickness of the coatings was 5–6 microns.
Далее подложки прогревали при 250-300°С в течение 30-40 мин., затем горячие подложки декопировали в концентрированной соляной кислоте (уд. вес. 1,17-1,19) в течение 2-3 сек и затем покрывали медью из обычных стандартных электролитов, например, из сернокислого электролита меднения.Next, the substrates were heated at 250–300°C for 30–40 min., then the hot substrates were decopied in concentrated hydrochloric acid (sp. weight 1.17–1.19) for 2–3 sec. standard electrolytes, for example, from copper sulfate electrolyte.
Сцепление пленок к слою титана определяли путем царапания металлической иглой, при этом отслоения, пузырения и шелушения покрытия отсутствовали, что свидетельствовало о качественной адгезии пленок, как к подложке, так и между слоем титана и гальваническим слоем меди.The adhesion of the films to the titanium layer was determined by scratching with a metal needle, while there were no delaminations, bubbling and peeling of the coating, which indicated high-quality adhesion of the films both to the substrate and between the titanium layer and the galvanic copper layer.
Пример №5Example #5
Изготовленные подложки из оксида и нитрида алюминия с нанесенным слоем титана согласно предлагаемому способу, описанному в примерах №1 и №2, использовали в качестве заготовок для последующего нанесения 2-го металлизационного слоя методом трафаретной печати. Перед покрытием поверхности подложек подвергали предварительной подготовке, заключающейся в обезжиривании (в органическом растворителе и в щелочном растворе) и травлении в кислом травителе при комнатной температуре. С этой целью подложки обезжиривали в бензине и путем протирки влажной венской известью. Далее производили химическое травление в растворе, состоящем из 48%-ной плавиковой кислоты (185-200 мл/1 л) и 70%-ной азотной кислоты (8-10 мл/1 л) в течение 10-15 сек при 18-23°. Затем на подложки из оксида и нитрида алюминия методом трафаретной печати формировали покрытие из металлизационной пасты состава 80% Мо - 15% Mn - 5% Si + биндер. Органическое связующее (биндер) состояло из этилцеллюлоза-100, α-терпинеола, дибутилфталата и олеиновой кислоты. 26% биндера добавляли в 100 г смеси порошков до получения оптимальной вязкости 710 пуаз. При такой вязкости топологический рисунок, нанесенный через сеткографический трафарет с плотностью сетки 325 меш, имел четкие границы. При этом сохранялась толщина металлизационного покрытия, задаваемая сеткой трафарета (20-25 мкм). Вжигание пасты проводили в водородной печи в следующем температурном режиме: Т=1340°С/15 мин толкание, среда: Н2, влажность +25°. Время нахождения деталей в зоне с максимальной температурой 30 минут.Fabricated substrates of aluminum oxide and nitride coated with a layer of titanium according to the proposed method described in examples No. 1 and No. 2 were used as blanks for the subsequent application of the 2nd metallization layer by screen printing. Before coating, the surfaces of the substrates were subjected to preliminary preparation, which included degreasing (in an organic solvent and in an alkaline solution) and etching in an acidic etchant at room temperature. For this purpose, the substrates were degreased in gasoline and by wiping with wet Vienna lime. Next, chemical etching was carried out in a solution consisting of 48% hydrofluoric acid (185–200 ml/1 l) and 70% nitric acid (8–10 ml/1 l) for 10–15 sec at 18–23 °. Then, on the substrates of aluminum oxide and nitride, a coating was formed by screen printing from a metallization paste of the composition 80% Mo - 15% Mn - 5% Si + binder. The organic binder (binder) consisted of ethylcellulose-100, α-terpineol, dibutyl phthalate, and oleic acid. 26% binder was added to 100 g of the powder mixture until an optimum viscosity of 710 poise was obtained. At this viscosity, the topological pattern applied through a stencil with a grid density of 325 mesh had clear boundaries. At the same time, the thickness of the metallization coating, specified by the stencil grid (20–25 µm), was preserved. The burning of the paste was carried out in a hydrogen furnace in the following temperature regime: T=1340°C/15 min pushing, medium: H 2 , humidity +25°. The time spent by parts in the zone with a maximum temperature of 30 minutes.
После вжигания нанесенной металлизационной пасты, качество сцепления полученного покрытия оценивалось методом царапания металлической иглой, при этом отслоения, пузырения и шелушения вожженного металлизационного покрытия отсутствовали, что свидетельствовало о качественной адгезии металлизационного покрытия к подложке со слоем титана.After burning the applied metallization paste, the adhesion quality of the resulting coating was evaluated by scratching with a metal needle, while there were no peeling, bubbling and peeling of the burnt metallization coating, which indicated high-quality adhesion of the metallization coating to the substrate with a titanium layer.
Данный способ позволяет получать металлизационные покрытия на различных керамических материалах, как на оксиде алюминия, так и на керамике из нитрида алюминия, а также наносить на слой титана разные металлизационные структуры различными методами: вакуумным напылением меди, гальваническим осаждением меди из сернокислого элекролита непосредственно на слой титана и нанесением на слой титана слоя металлизационной пасты с последующим ее вжиганием. Анализ распределения титана в образцах керамик показал, что титан диффундирует в керамику на глубину до 164 мкм. Именно этот эффект и обеспечивает высокую прочность сцепления (адгезию) титанового покрытия с керамическими подложками. Кроме того, при изготовлении титановой пластины различной конфигурации методом лазерной резки, данный способ позволяет получать подложки с необходимым топологическим рисунком для гибридных интегральных схем (ГИС).This method makes it possible to obtain metallization coatings on various ceramic materials, both on aluminum oxide and on aluminum nitride ceramics, and also to deposit various metallization structures on the titanium layer by various methods: vacuum deposition of copper, galvanic deposition of copper from sulfate electrolyte directly onto the titanium layer and applying a layer of metallization paste to the titanium layer with its subsequent burning. An analysis of the distribution of titanium in ceramic samples showed that titanium diffuses into ceramics to a depth of up to 164 µm. It is this effect that ensures the high strength of adhesion (adhesion) of the titanium coating to ceramic substrates. In addition, when manufacturing a titanium plate of various configurations by laser cutting, this method makes it possible to obtain substrates with the necessary topological pattern for hybrid integrated circuits (GIS).
Таким образом, реализация предлагаемого способа с использованием титановой ленты в виде пластины для металлизации керамических подложек из оксида и нитрида алюминия позволяет получать разнообразные металлизационные покрытия на керамике, значительно упростить процесс получения многослойных металлизационных покрытий, повысить производительность и технологичность процесса металлизации, что особенно важно в условиях массового производства.Thus, the implementation of the proposed method using a titanium tape in the form of a plate for metallization of ceramic substrates made of aluminum oxide and nitride makes it possible to obtain a variety of metallization coatings on ceramics, significantly simplify the process of obtaining multilayer metallization coatings, increase the productivity and manufacturability of the metallization process, which is especially important under conditions mass production.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2777312C1 true RU2777312C1 (en) | 2022-08-02 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3446643A (en) * | 1965-03-22 | 1969-05-27 | Lockheed Aircraft Corp | Method of coating articles with titanium and related metals and the article produced |
| SU783288A1 (en) * | 1978-10-31 | 1980-11-30 | Предприятие П/Я М-5174 | Method of metallizing ceramic articles |
| RU2044719C1 (en) * | 1991-07-31 | 1995-09-27 | Витебское производственное объединение "Монолит" | Method of metallization of piezoceramic member blanks |
| UA1269U (en) * | 2001-07-14 | 2002-06-17 | Луцький Державний Технічний Університет | ELASTIC WHEEL OF THE VEHICLE |
| JP2009143766A (en) * | 2007-12-14 | 2009-07-02 | Tokuyama Corp | Metallized substrate, and method of manufacturing the same |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3446643A (en) * | 1965-03-22 | 1969-05-27 | Lockheed Aircraft Corp | Method of coating articles with titanium and related metals and the article produced |
| SU783288A1 (en) * | 1978-10-31 | 1980-11-30 | Предприятие П/Я М-5174 | Method of metallizing ceramic articles |
| RU2044719C1 (en) * | 1991-07-31 | 1995-09-27 | Витебское производственное объединение "Монолит" | Method of metallization of piezoceramic member blanks |
| UA1269U (en) * | 2001-07-14 | 2002-06-17 | Луцький Державний Технічний Університет | ELASTIC WHEEL OF THE VEHICLE |
| JP2009143766A (en) * | 2007-12-14 | 2009-07-02 | Tokuyama Corp | Metallized substrate, and method of manufacturing the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104798440B (en) | Flexible devices substrate and its manufacture method | |
| GB2169004A (en) | Pretreating ceramic substrate for metallising | |
| US7430106B2 (en) | Materials for forming capacitor layer and printed wiring board having embedded capacitor circuit obtained by using the same | |
| CN115394658B (en) | Surface treatment process of DPC ceramic substrate | |
| US4832988A (en) | Process for chemically metallizing an inorganic substrate | |
| CN105777210A (en) | Aluminum nitride ceramic CCL (copper-clad laminate) and preparation method thereof | |
| CN113501725B (en) | Preparation method of aluminum-coated ceramic insulating lining plate | |
| Ulianitsky et al. | Fabrication of layered ceramic-metal composites by detonation spraying | |
| RU2777312C1 (en) | Method for metallization of ceramic products | |
| CN103508759B (en) | High-power LED (Light Emitting Diode) base and preparation method thereof | |
| CN101298674B (en) | Manufacturing method of insulation heat-conducting metal substrate | |
| EP0833383B1 (en) | Power module circuit board | |
| CN101298675B (en) | Manufacturing method of insulation heat-conducting metal substrate | |
| CN112584627B (en) | Method for roughening ceramic surface by using graphene and manufacturing method of copper-clad plate | |
| JP3208438B2 (en) | Ceramic substrate with metal layer and method of manufacturing the same | |
| JP6915307B2 (en) | Substrate base material for flexible devices and its manufacturing method | |
| KR20110097983A (en) | Paste composition and solar cell element using same | |
| JPS58118186A (en) | Crystalline porcelain board | |
| RU2231939C1 (en) | Printed-circuit board manufacturing process | |
| RU2759248C1 (en) | Method for metallisation of aluminium nitride ceramics | |
| CN210420167U (en) | Beryllium oxide ceramic film metallization structure and preparation device thereof | |
| KR20130049450A (en) | Junction structure and bonding method of metal and ceramics | |
| KR102201500B1 (en) | Ceramic housing and plating method of ceramic material | |
| JPS61151081A (en) | Manufacture of ceramic wire distribution substrate | |
| JPS6345191A (en) | Metallizing process for ceramic substrate |