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高纯氧化铝陶瓷金属化工艺研究

发布日期:2017年9月9日

微波真空电子器件广泛应用于雷达、各种通信设备以及电子对抗设备等方面,在现代军事电子装备中,在大功率、高频率的情况下,微波真空电子器件有着不可取代的重要地位。95%氧化铝陶瓷作为微波电真空器件最常用的绝缘介质材料,广泛用于微波管的输能窗片、收集极和夹持杆。但是随着微波管逐渐应用于高频率以及高功率,对于输出窗以及夹持杆等陶瓷制品的损耗和散热性能提出了更高的要求。95%氧化铝瓷的损耗和散热性能已不能满足高性能微波管设计要求,需要用纯度更高的氧化铝陶瓷如高纯氧化铝陶瓷材料(氧化铝含量大于99%)或蓝宝石替代。

氧化铝陶瓷的许多应用都涉及到陶瓷与金属封接技术。在金属化数十年的发展中,目前最常用的95%氧化铝瓷,已经形成了一套成熟的Mo-Mn金属化理论和封接工艺。但是99%氧化铝瓷与常用的95%氧化铝瓷在微观结构上有一定区别。95%氧化铝瓷的晶粒较大,在晶界中含有一定量的玻璃相,在金属化过程中,金属化层中的玻璃活化剂会产生液相,并与瓷中的玻璃相产生互迁移,形成与陶瓷基体粘结良好的金属化层,对于95%氧化铝瓷,其金属化机理是玻璃相迁移理论。而高纯氧化铝中的晶粒细小,晶界中含有极少甚至没有玻璃相,在金属化过程中金属化层中的玻璃相不能与瓷中玻璃相产生互迁移,因此玻璃相迁移理论对于高纯氧化铝的金属化并不适用。

与95%氧化铝陶瓷金属化过程中有大量的玻璃相迁移的现象不同,高纯氧化铝陶瓷的金属化主要是由于金属化层与陶瓷基体在烧结过程的溶解-沉淀形成的互作用以及玻璃相本身与陶瓷基体的物理作用,因此金属化层与陶瓷基体之间的相互润湿性和互溶性显得至关重要。此外,考虑到金属化层本身与陶瓷基体之间若存在较大的热应力会影响整个封接结构的强度和气密性,金属化层与陶瓷基体的热膨胀系数应匹配。

目前常用于95%氧化铝陶瓷表面高温金属化的玻璃活化剂体系为Mn-Al-Si-Ca玻璃系统。该系统应用于高纯氧化铝陶瓷存在一定问题。首先MnAl-Si-Ca玻璃系统在高温下的介电损耗tanδ较高,为2×10-3~3×10-3。此外,Mn在高温下会挥发并沉积在金属化层表面,在高温下Mn离子的变价会造成金属化层表面有导电杂质存在,在存在1%的导电杂质时,介质的电绝缘强度就降低到1/14,使金属化层容易产生电击穿,降低窗片的输出功率,因此该系统对于高压大功率应用场合,可靠性低;其次含Mn玻璃相的粘度一般较低降低,玻璃相的迁移会加剧,对于高纯氧化铝瓷,玻璃相无法迁移到陶瓷晶界中,玻璃相就会聚集在陶瓷表面,玻璃相的脆性,以及具有低的导热性、低强度和差的热稳定性,会对金属化层的强度和封接结构的使用造成不利的影响。故目前所用的Mn-Al-Si-Ca玻璃系统不适合高压大功率场合下使用的高纯氧化铝陶瓷的金属化,需要开发一种绝缘耐压性能好且与高纯氧化铝陶瓷具有良好的润湿性和互溶性的玻璃系统作为金属化的玻璃活化剂。

CaO-Al2O3-SiO2(Ca-Al-Si)系玻璃是目前制备高纯氧化铝陶瓷常用的烧结助剂,该体系具有低的热膨胀系数,与Mn-Al-Si-Ca系玻璃相比,其高温下的介电损耗也较低。为此,本文采用Ca-Al-Si系玻璃替代Mn-Al-Si-Ca系玻璃作为高纯氧化铝陶瓷金属化的玻璃活化剂,对其高温金属化性能进行研究,以期开发一种适合于高压大功率应用的高纯氧化铝陶瓷的金属化工艺。

1 实验

1.1 实验方案

1.1.1 配方设计

金属化封接的烧结温度主要在1300~1500℃,结合相图在Ca-Al-Si玻璃系统中选定组成4%CaO+11%Al2O3+85%SiO2为基础配方,选用的玻璃系统低共熔点为1345℃。

1.1.2 样品制备

按照设计好的配方称取玻璃原料,用行星球磨机球磨一定时间,得到一定粒径和混合均匀的粉料。再将玻璃粉料与金属Mo粉按照一定比例混合,用球磨机混合均匀,配制成所需的金属化粉料,再加入一定比例的有机溶剂和粘结剂制成稀稠度合适的金属化浆料。

采用丝网在样品上印刷上金属化浆料,然后在氢炉中进行金属化烧结,得到所需要的高纯氧化铝金属化样品。同时,为了保证封接的质量,通常还在金属化层表面电镀一层数微米厚的镍层。

1.2 性能测试

用Ag焊料将金属化样品与陶瓷抗拉件钎焊,用日本岛津AG-IC50KN型电子万能材料试验机测试样品的抗拉强度;用英富康UL-1000型检漏仪测试金属化样品气密性;用耐驰STA-449C型同步热分析仪测试玻璃粉料的差热分析数据。

结果表明:

(1)Ca-Al-Si玻璃系统可在1450℃左右进行金属化烧结,实现高纯氧化铝的Mo金属化,同时气密性良好,但是Ca-Al-Si玻璃系统与高纯氧化铝陶瓷的润湿性以及互溶性较差,导致金属化样品的抗拉强度较低。

(2)提高Ca-Al-Si玻璃系统中的CaO与Al2O3含量,可以使得玻璃相与高纯氧化铝和Mo金属层之间的热膨胀系数匹配。同时CaO和Al2O3含量的增加可以降低玻璃活化剂的熔化温度,保证在金属化过程中玻璃活化剂完全熔化并与陶瓷基体有良好的润湿性,金属化样品的抗拉强度可达到100MPa。

秒速快3(3)在Ca-Al-Si玻璃系统中加入3%的TiO2不能改善玻璃相对于高纯氧化铝的润湿性以及互溶性;TiO2高温对Mo层烧结有促进作用。

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