氧化鋁陶瓷金屬化工藝的改進(jìn)

1、 電子陶瓷 、 陶瓷 2金屬封接與真空開(kāi)關(guān)管用管殼的技術(shù)進(jìn)步專輯氧化鋁陶瓷金屬化工藝的改進(jìn)劉 征 1, 黃亦工 1, 陳新輝 1, 蔡安富 1, 王洪軍 1, 黃 浩 2(11北京真空電子技術(shù)研究所 , 北京 100016; 21昆山國(guó)力真空電器有限公司 , 江蘇 昆山 215300The T echnology Improvement of the Alumina Ceramics MetallizationL IU Zheng 1, HUAN G Y i 2gong 1, CHEN Xin 2hui 1, CAI An 2fu 1, WAN G Hong 2jun 1,HUAN G Hao

2、 2 (1. Beijing V acuum Elect ronics Research Institute , Beijing 100016, China ;2. Kunshan Guoli V acuum Elect rical Devices L imited Com pany , Kunshan 215300, China Abstract :In order to overcome the influence of the technology factor in active molybdenum 2manganese met 2 allization , the formulat

3、ion , raw material treatment , painting method and sintering process are improved in alu 2 mina ceramics metallization , which can raise the technique level , product quality and uniform.K ey w ords :95%alumina ceramics ; Metallization ; Active 2metallization ; Technol 2 ogy factor摘要 :、 涂敷方式 、 燒結(jié)等方面

4、進(jìn)行改進(jìn) , 提高工藝 水平 , 保證質(zhì)量穩(wěn)定性 、 一致性 。關(guān)鍵詞 :95%氧化鋁陶瓷 ; ;中圖分類號(hào) :TB756 文章編號(hào) :1002-8935(2006 04-0001-03 陶瓷 2金屬封接技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造電子管 、 真 空開(kāi)關(guān)管等真空電子器件 , 其中最為關(guān)鍵的技術(shù)是 陶瓷金屬化 , 現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的是 95%氧化鋁瓷 及其活化鉬錳法金屬化 。 在金屬化瓷件的生產(chǎn)過(guò)程 中 , 經(jīng)常遇到如下問(wèn)題 :金屬化強(qiáng)度偏低 、 斷裂模式 為光板 、 涂膏厚度不穩(wěn)定 、 金屬化面透光 、 氧化等 。 這些不僅導(dǎo)致成品率低下 , 而且影響產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng) 爭(zhēng)能力 , 因此不斷提高金屬化工藝水平

5、 , 保證產(chǎn)品質(zhì) 量的穩(wěn)定性 、 一致性十分必要 , 這對(duì)制造高可靠的真 空電子器件是至關(guān)重要的 。1 影響金屬化的因素金屬化質(zhì)量的好壞首先取決于陶瓷自身的質(zhì)量 及其金屬化工藝。針對(duì)某種陶瓷的金屬化工藝 , 能 否成為最佳工藝規(guī)范取決于以下因素 :金屬化配方 、 原料的顆粒尺寸 、 活化劑的比例 、 金屬化層的厚度及 其均勻度 、 燒結(jié)制度 、 電鍍或燒結(jié)鎳質(zhì)量等 。 這些因 素都能影響金屬化層的顯微結(jié)構(gòu)和焊接性能并最終 影響氧化鋁陶瓷 2金屬材料間的結(jié)合強(qiáng)度和氣密 性 1。 1. 1 顆粒尺寸活化鉬錳法實(shí)質(zhì)上是一種液相燒結(jié)粉末冶金工 藝 , 顆粒尺寸和形狀直接影響燒結(jié)密度 、 燒結(jié)溫度及 顯

6、微結(jié)構(gòu) , 采用小顆粒及圓形顆粒有助于在較低的 金屬化溫度下實(shí)現(xiàn)顯微結(jié)構(gòu)的致密化 。 為了保證顆 粒尺寸和形狀 , 采取了以下措施 :(1 采用高效粉碎設(shè)備 。根據(jù)不同物料選定最 佳的裝載量和研磨時(shí)間 。(2 調(diào)整料球比及磨球尺寸 。根據(jù)不同物料的 性能采用 1035mm 耐磨瑪瑙球 , 大 、 中 、 小球以 5 3 2的比例混合 , 料球比 1 (1. 52. 5 。(3 選用適宜的分散劑 。粉體在粉碎過(guò)程中由 于表面能的增大易產(chǎn)生團(tuán)聚體從而影響顯微結(jié)構(gòu) , 根據(jù)不同原料選用不同的分散劑 , 最大限度減小團(tuán) 聚體 , 改善粉體性能 。1. 2 金屬化燒結(jié)制度無(wú)論對(duì)于鉬顆粒燒結(jié)、 金屬化配方

7、組分與瓷組 分的化學(xué)反應(yīng) , 還是對(duì)于熔體的滲透來(lái)說(shuō) , 都需要一 定的高溫 , 所以在金屬化配方和瓷體確定之后 , 燒結(jié) 溫度的高低就成為影響金屬化質(zhì)量的決定性因素 。 1 VACUUM ELECTRONICS 真空電子技術(shù)首先要準(zhǔn)確測(cè)定爐溫 , 定期校準(zhǔn)和更換熱偶 , 使其測(cè) 量穩(wěn)定性大為提高 ; 同時(shí)采用精密測(cè)溫環(huán) , 使測(cè)量準(zhǔn) 確度提高到 ±2 , 然后根據(jù)活化劑的種類 、 比例進(jìn) 行相圖分析 , 初步確定金屬化溫度制度 。針對(duì)不同氧化鋁陶瓷 (熱壓鑄或等靜壓陶瓷 , 通過(guò)改變金屬化燒結(jié)制度 , 針對(duì)溫度梯度 、 最高溫 度 、 保溫時(shí)間 、 爐內(nèi)氣氛等因素進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn) ,

8、分別 做 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)抗拉件試驗(yàn)及 S J /T1124622001標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定的三點(diǎn)法抗拉實(shí)驗(yàn) , 觀察金相結(jié)果和斷裂模式 , 找到了合適的金屬化燒結(jié)制度 。1. 3 活化劑比例活化鉬錳法和鉬錳法相比 , 不但可以縮短燒結(jié) 時(shí)間 、 提高燒結(jié)速度 , 而且更重要的是 , 在燒結(jié)溫度 下 , 由液相引起的物質(zhì)遷移要比固相擴(kuò)散快 , 而且最 終也將填滿燒結(jié)體內(nèi)的孔隙 , 因此可以獲得致密度 高 、 性能好的燒結(jié)產(chǎn)品 。對(duì)于完全依靠顆粒的重新 排列而實(shí)現(xiàn)致密化的系統(tǒng) , 低于 30%(體積比 的液 相量通過(guò)顆粒的重新排列來(lái)達(dá)到完全致密化是困難 的 2。 活化劑比例過(guò)低得不到致密的金屬化層 , 或

9、者說(shuō)金屬化層的鉬粉空隙沒(méi)有為熔體所充實(shí) 之 , 活化劑比例較大 , ,高一些 。 , 分別做抗拉試驗(yàn) , 觀 察金相結(jié)果和斷裂模式 , 找到了針對(duì)不同陶瓷的最 佳活化劑比例 , 研發(fā)出 M 211,M 213,M 215等系列配 方 , 其中 M 211,M 213適用于熱壓鑄陶瓷 ,M 215適用 于等靜壓陶瓷 , 燒結(jié)溫度范圍為 14001500 , 其 封接強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 。 2005年度用 M 213配 方生產(chǎn)的金屬化瓷殼總計(jì)已有 85000只 , 產(chǎn)品質(zhì)量 得到用戶的好評(píng) 。1. 4 涂敷方式采用絲網(wǎng)印刷工藝涂敷金屬化膏。 該技術(shù)使鉬 錳層厚度的控制更加精確 , 一致性大幅提高

10、 , 通過(guò)大 量試驗(yàn) , 得到質(zhì)量穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝 。作者 從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制 :(1 印刷膠的配制 。溶質(zhì)與溶劑的比例及印刷 膠黏度 , 較合適的黏度為 26Pas 。(2 粉膠比例 。 粉膠比例會(huì)影響印刷效果 、 金屬 化強(qiáng)度 、 斷裂模式和顯微結(jié)構(gòu) 。經(jīng)實(shí)驗(yàn)針對(duì)本文研 制的 M 系列金屬化配方 , 最佳粉膠比為 (23 1。 (3 絲網(wǎng)及其目數(shù) 。 分別對(duì)不同材質(zhì) 、 不同目數(shù) 的絲網(wǎng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn) , 已選定印刷效果良好 、 厚 度一致性好的絲網(wǎng) 。(4 刮板 。 分別對(duì)不同廠家 、 不同硬度的刮板進(jìn) 行了試驗(yàn) , 選定印刷效果良好 、 厚度均勻 、 磨損小的 刮板 。 國(guó)

11、產(chǎn)刮板耐磨性較差 , 德國(guó)產(chǎn)硬度 7585度 較好 。(5 溫度 。 印刷膠黏度對(duì)溫度非常敏感 , 又直接 影響涂敷層的厚度 , 為保證涂敷層的厚度 , 將室溫控 制在 25±2 。(6 厚度 。 使用 X 2熒光測(cè)厚儀對(duì)產(chǎn)品厚度進(jìn)行 檢測(cè) , 以保證金屬化涂敷層的厚度為鉬顆粒的 5 10倍 。表 1為 ASTM 抗拉件結(jié)果 , 銀銅焊料 , 斷裂模式 為粘瓷。 表 2為 S J/T1124622001三點(diǎn)法拉釘結(jié)果。 表 1 ASTM 抗拉件結(jié)果配方 拉力平均值 /kNM 21116. 8M 21317. 0M 21514. 8拉力測(cè)試值 /N2256 2587 2821M 213

12、3072 2890 3098M 2152154 2528 21421. 5 鎳層由于要與金屬件焊接 , 鉬錳層上需要進(jìn)行電鍍 鎳或燒結(jié)鎳 3。 電鍍的最大問(wèn)題是環(huán)保 , 電鍍廢液 及其清洗液的排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響 。 為解決 此問(wèn)題 , 作者對(duì)燒結(jié)鎳工藝進(jìn)行了一系列研究 , 探索 出一套較適用的工藝 。由于近二十年來(lái)鎳氫 、 鎳鎘等電池行業(yè)的突飛 猛進(jìn) , 鎳粉已經(jīng)與四十年前有天壤之別 , 不僅純度 高 , 且燒結(jié)性能好 。 采用優(yōu)質(zhì)鎳粉 , 研制出 N 21,N 22等系列配方 , 經(jīng)過(guò)混料 、 配膏 、 印刷 、 燒結(jié) , 鎳層表面 外觀細(xì)膩 、 致密 、 光亮 , 與電鍍鎳產(chǎn)品的外觀

13、幾無(wú)差 異 , 抗拉強(qiáng)度和斷裂模式均不劣于電鍍鎳產(chǎn)品 , 且鎳 層厚度均勻一致 , 徹底擺脫了電鍍廢液的污染問(wèn)題 , 具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值 。 燒結(jié)鎳產(chǎn)品已經(jīng)在大 部分用戶廠家使用 , 效果良好 , 目前 80%以上的產(chǎn) 品已采用燒結(jié)鎳工藝生產(chǎn) 。 部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 3和 表 4。表 3 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)抗拉件測(cè)試值陶瓷廠家 測(cè)試值 /kNA 廠 17. 518. 719. 520. 018. 3B 廠 14. 513. 713. 514. 215. 6C 廠 12. 311. 913. 014. 117. 82真空電子技術(shù) VACUUM ELECTRONICS表 4 SJ/T 112462

14、2001三點(diǎn)法拉釘測(cè)試值陶瓷廠家 測(cè)試值 /NA 廠 260928902528B 廠 281929293038C 廠2991257825742 顯微結(jié)構(gòu)圖 1和圖 2分別為 M 213, M 215金屬化配方微 觀結(jié)構(gòu)圖 , 圖 3為 M 系列金屬化產(chǎn)品封接斷口照 片 , 圖 4為 M 213金屬化配方抗拉件斷口照片 (燒結(jié) 鎳 , 圖 5為 M 215金屬化配方抗拉件斷口照片 (燒 結(jié)鎳 。圖 1 M 213 金屬化配方微觀結(jié)構(gòu)圖 2 M 215 金屬化配方微觀結(jié)構(gòu)圖 3 M 系列金屬化產(chǎn)品封接斷口圖 4 M 213金屬化配方抗拉件斷口 (燒結(jié)鎳 圖 5 M 215金屬化配方抗拉件斷口 (燒結(jié)鎳 3 結(jié)論, 最佳的金屬化 、 涂敷方式 、 燒結(jié)制度 、 。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)探索 , 研制出 M 系列活化鉬錳金屬化配方及 N 系列燒結(jié)鎳配方 , 固 化了與之配套的制粉 、 涂敷 、 燒結(jié)等工藝制度 , 進(jìn)行 了批量生產(chǎn) 。致謝 :感謝高隴橋教授的悉心指導(dǎo)