氧化铝陶瓷金属化工艺的改进

1、 电子陶瓷 、 陶瓷 2金属封接与真空开关管用管壳的技术进步专辑氧化铝陶瓷金属化工艺的改进刘 征 1, 黄亦工 1, 陈新辉 1, 蔡安富 1, 王洪军 1, 黄 浩 2(11北京真空电子技术研究所 , 北京 100016; 21昆山国力真空电器有限公司 , 江苏 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 、 烧结等方面

4、进行改进 , 提高工艺 水平 , 保证质量稳定性 、 一致性 。关键词 :95%氧化铝陶瓷 ; ;中图分类号 :TB756 文章编号 :1002-8935(2006 04-0001-03 陶瓷 2金属封接技术广泛应用于制造电子管 、 真 空开关管等真空电子器件 , 其中最为关键的技术是 陶瓷金属化 , 现在应用最为广泛的是 95%氧化铝瓷 及其活化钼锰法金属化 。 在金属化瓷件的生产过程 中 , 经常遇到如下问题 :金属化强度偏低 、 断裂模式 为光板 、 涂膏厚度不稳定 、 金属化面透光 、 氧化等 。 这些不仅导致成品率低下 , 而且影响产品的市场竞 争能力 , 因此不断提高金属化工艺水平

5、 , 保证产品质 量的稳定性 、 一致性十分必要 , 这对制造高可靠的真 空电子器件是至关重要的 。1 影响金属化的因素金属化质量的好坏首先取决于陶瓷自身的质量 及其金属化工艺。针对某种陶瓷的金属化工艺 , 能 否成为最佳工艺规范取决于以下因素 :金属化配方 、 原料的颗粒尺寸 、 活化剂的比例 、 金属化层的厚度及 其均匀度 、 烧结制度 、 电镀或烧结镍质量等 。 这些因 素都能影响金属化层的显微结构和焊接性能并最终 影响氧化铝陶瓷 2金属材料间的结合强度和气密 性 1。 1. 1 颗粒尺寸活化钼锰法实质上是一种液相烧结粉末冶金工 艺 , 颗粒尺寸和形状直接影响烧结密度 、 烧结温度及 显

6、微结构 , 采用小颗粒及圆形颗粒有助于在较低的 金属化温度下实现显微结构的致密化 。 为了保证颗 粒尺寸和形状 , 采取了以下措施 :(1 采用高效粉碎设备 。根据不同物料选定最 佳的装载量和研磨时间 。(2 调整料球比及磨球尺寸 。根据不同物料的 性能采用 1035mm 耐磨玛瑙球 , 大 、 中 、 小球以 5 3 2的比例混合 , 料球比 1 (1. 52. 5 。(3 选用适宜的分散剂 。粉体在粉碎过程中由 于表面能的增大易产生团聚体从而影响显微结构 , 根据不同原料选用不同的分散剂 , 最大限度减小团 聚体 , 改善粉体性能 。1. 2 金属化烧结制度无论对于钼颗粒烧结、 金属化配方

7、组分与瓷组 分的化学反应 , 还是对于熔体的渗透来说 , 都需要一 定的高温 , 所以在金属化配方和瓷体确定之后 , 烧结 温度的高低就成为影响金属化质量的决定性因素 。 1 VACUUM ELECTRONICS 真空电子技术首先要准确测定炉温 , 定期校准和更换热偶 , 使其测 量稳定性大为提高 ; 同时采用精密测温环 , 使测量准 确度提高到 ±2 , 然后根据活化剂的种类 、 比例进 行相图分析 , 初步确定金属化温度制度 。针对不同氧化铝陶瓷 (热压铸或等静压陶瓷 , 通过改变金属化烧结制度 , 针对温度梯度 、 最高温 度 、 保温时间 、 炉内气氛等因素进行优化实验 ,

8、分别 做 ASTM 标准抗拉件试验及 S J /T1124622001标准 规定的三点法抗拉实验 , 观察金相结果和断裂模式 , 找到了合适的金属化烧结制度 。1. 3 活化剂比例活化钼锰法和钼锰法相比 , 不但可以缩短烧结 时间 、 提高烧结速度 , 而且更重要的是 , 在烧结温度 下 , 由液相引起的物质迁移要比固相扩散快 , 而且最 终也将填满烧结体内的孔隙 , 因此可以获得致密度 高 、 性能好的烧结产品 。对于完全依靠颗粒的重新 排列而实现致密化的系统 , 低于 30%(体积比 的液 相量通过颗粒的重新排列来达到完全致密化是困难 的 2。 活化剂比例过低得不到致密的金属化层 , 或

9、者说金属化层的钼粉空隙没有为熔体所充实 之 , 活化剂比例较大 , ,高一些 。 , 分别做抗拉试验 , 观 察金相结果和断裂模式 , 找到了针对不同陶瓷的最 佳活化剂比例 , 研发出 M 211,M 213,M 215等系列配 方 , 其中 M 211,M 213适用于热压铸陶瓷 ,M 215适用 于等静压陶瓷 , 烧结温度范围为 14001500 , 其 封接强度远远高于行业标准 。 2005年度用 M 213配 方生产的金属化瓷壳总计已有 85000只 , 产品质量 得到用户的好评 。1. 4 涂敷方式采用丝网印刷工艺涂敷金属化膏。 该技术使钼 锰层厚度的控制更加精确 , 一致性大幅提高

10、 , 通过大 量试验 , 得到质量稳定可靠的产品生产工艺 。作者 从以下几个方面进行控制 :(1 印刷胶的配制 。溶质与溶剂的比例及印刷 胶黏度 , 较合适的黏度为 26Pas 。(2 粉胶比例 。 粉胶比例会影响印刷效果 、 金属 化强度 、 断裂模式和显微结构 。经实验针对本文研 制的 M 系列金属化配方 , 最佳粉胶比为 (23 1。 (3 丝网及其目数 。 分别对不同材质 、 不同目数 的丝网进行了大量的试验 , 已选定印刷效果良好 、 厚 度一致性好的丝网 。(4 刮板 。 分别对不同厂家 、 不同硬度的刮板进 行了试验 , 选定印刷效果良好 、 厚度均匀 、 磨损小的 刮板 。 国

11、产刮板耐磨性较差 , 德国产硬度 7585度 较好 。(5 温度 。 印刷胶黏度对温度非常敏感 , 又直接 影响涂敷层的厚度 , 为保证涂敷层的厚度 , 将室温控 制在 25±2 。(6 厚度 。 使用 X 2荧光测厚仪对产品厚度进行 检测 , 以保证金属化涂敷层的厚度为钼颗粒的 5 10倍 。表 1为 ASTM 抗拉件结果 , 银铜焊料 , 断裂模式 为粘瓷。 表 2为 S J/T1124622001三点法拉钉结果。 表 1 ASTM 抗拉件结果配方 拉力平均值 /kNM 21116. 8M 21317. 0M 21514. 8拉力测试值 /N2256 2587 2821M 213

12、3072 2890 3098M 2152154 2528 21421. 5 镍层由于要与金属件焊接 , 钼锰层上需要进行电镀 镍或烧结镍 3。 电镀的最大问题是环保 , 电镀废液 及其清洗液的排放会对环境造成不良影响 。 为解决 此问题 , 作者对烧结镍工艺进行了一系列研究 , 探索 出一套较适用的工艺 。由于近二十年来镍氢 、 镍镉等电池行业的突飞 猛进 , 镍粉已经与四十年前有天壤之别 , 不仅纯度 高 , 且烧结性能好 。 采用优质镍粉 , 研制出 N 21,N 22等系列配方 , 经过混料 、 配膏 、 印刷 、 烧结 , 镍层表面 外观细腻 、 致密 、 光亮 , 与电镀镍产品的外观

13、几无差 异 , 抗拉强度和断裂模式均不劣于电镀镍产品 , 且镍 层厚度均匀一致 , 彻底摆脱了电镀废液的污染问题 , 具有巨大的经济和社会价值 。 烧结镍产品已经在大 部分用户厂家使用 , 效果良好 , 目前 80%以上的产 品已采用烧结镍工艺生产 。 部分测试结果见表 3和 表 4。表 3 ASTM 标准抗拉件测试值陶瓷厂家 测试值 /kNA 厂 17. 518. 719. 520. 018. 3B 厂 14. 513. 713. 514. 215. 6C 厂 12. 311. 913. 014. 117. 82真空电子技术 VACUUM ELECTRONICS表 4 SJ/T 112462

14、2001三点法拉钉测试值陶瓷厂家 测试值 /NA 厂 260928902528B 厂 281929293038C 厂2991257825742 显微结构图 1和图 2分别为 M 213, M 215金属化配方微 观结构图 , 图 3为 M 系列金属化产品封接断口照 片 , 图 4为 M 213金属化配方抗拉件断口照片 (烧结 镍 , 图 5为 M 215金属化配方抗拉件断口照片 (烧 结镍 。图 1 M 213 金属化配方微观结构图 2 M 215 金属化配方微观结构图 3 M 系列金属化产品封接断口图 4 M 213金属化配方抗拉件断口 (烧结镍 图 5 M 215金属化配方抗拉件断口 (烧结镍 3 结论, 最佳的金属化 、 涂敷方式 、 烧结制度 、 。经过大量的实验探索 , 研制出 M 系列活化钼锰金属化配方及 N 系列烧结镍配方 , 固 化了与之配套的制粉 、 涂敷 、 烧结等工艺制度 , 进行 了批量生产 。致谢 :感谢高陇桥教授的悉心指导