Was sind metallisierte Keramik?

2025,11,01

Mit der ständigen Weiterentwicklung fortschrittlicher Keramik, insbesondere elektronischer Keramik, ist der Zusammenhang zwischen Keramik und Metallen zu einem Schwerpunkt von Interesse geworden. Die unterschiedlichen Mikrostrukturen von Keramik- und Metalloberflächen stellen jedoch Herausforderungen für die direkte Bindung dar. Traditionelle Lötmittel können nicht angemessen nasse Keramikoberflächen angemessen sind, was eine wirksame Haftung verhindert. Um dies anzugehen, wurden keramische Metallisationstechniken entwickelt. Diese Methoden beinhalten die Ablagerung eines fest haften Metallfilms auf die Keramikoberfläche, wodurch ein erfolgreiches Schweißen zwischen Keramik und Metallen ermöglicht wird.

Prinzip der Keramikmetallisierung

Die Keramikmetallisation umfasst eine Reihe von chemischen und physikalischen Reaktionen, einschließlich plastischer Substanzen und Partikelumlagerung. Während des Sinterns werden verschiedene Substanzen in der Metallisationsschicht wie Oxide und nicht-metallische Oxide chemischen Reaktionen und Diffusionsfusionen durchgeführt. Mit zunehmender Temperatur bilden diese Substanzen Zwischenverbindungen, die einen gemeinsamen Schmelzpunkt erreichen, um eine flüssige Phase zu erzeugen. Die viskose flüssige Glasphase unterliegt einer plastischen Strömung, und Partikel ordnen unter Kapillarwirkung um. Oberflächenenergie treibt die atomare oder molekulare Diffusion an, fördert das Kornwachstum und die Verringerung der Porosität, wodurch letztendlich die Verdichtung der Metallisationsschicht erreicht wird.

Prozessklassifizierung metallisierter Keramik

Diese Diskussion konzentriert sich auf Metallisationstechniken für fortschrittliche Keramikkomponenten ohne Keramiksubstrate.

Verbrannte Silbermethode (Silberinfiltration)

Diese Methode umfasst eine Infiltration einer Schicht aus metallischem Silber auf die Keramikoberfläche. Die hervorragende Leitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit von Silber ermöglichen eine direkte Schweißung von Metallen in die Silberschicht. Silber ist jedoch anfällig für die Diffusion in das Medium unter hohen Temperaturen, Luftfeuchtigkeit und DC -elektrischen Feldern, wodurch es für Umgebungen mit strengen elektrischen Leistungsanforderungen ungeeignet ist.

Prozessfluss:

Vorbehandlung: Die Keramik werden in Seifenwasser bei 70–80 ° C gereinigt, gespült und bei 100–110 ° C getrocknet. Es kann auch Ultraschallreinigung verwendet werden.

Silberpaste-Zubereitung: Silberhaltige Rohstoffe, Fluss und Bindemittel werden 70 bis 90 Stunden in einer Korundkugelmühle gemischt, um Gleichmäßigkeit und Feinheit zu erreichen.

Beschichtung: Silberpaste wird manuell, mechanisch über Tauchbeschichtung, Sprühen oder Siebdruck aufgetragen. Lösungsmittel wie Terpentin können hinzugefügt werden, um die Viskosität anzupassen.

Trocknen und Sintern: Die silberne Schicht wird bei 60 ° C getrocknet, um die Skalierung zu verhindern, und dann in einen Elektroofen vom Box oder Tunnelöfen gesintert.

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Versenkte Metallpulvermethode

Diese Technik beinhaltet das Sintern von Metallpulver auf die Keramikoberfläche unter einer Hochtemperatur, die die Atmosphäre zu einem Metallfilm bildet.

Wichtige Überlegungen:

Der Schmelzpunkt des zu verschweißten Metalls sollte die Metallisationstemperatur um mindestens 200 ° C überschreiten.

Die thermischen Expansionskoeffizienten des Metalls und der Keramik sollten eng miteinander abgestimmt werden.

Metallpulverauswahl:

Refraktäre Metalle (z. B. W, MO) werden als Primärpulver verwendet, wobei geringe Mengen von Metallen mit niedrigerem Meltzahl (z. B. Fe, Mn, Ti) zugesetzt werden.

Die MO-MN-Formel wird aufgrund ihrer starken Anpassungsfähigkeit weit verbreitet.

Unterkategorien:

MO-MN-Methode für Aktivator-Activatoren: Aktivatoren (z. B. Erzpulver, Porzellanpulver) senken die Metallisationstemperatur und verbessern die Bindungsfestigkeit.

Metallisation mit niedriger Temperatur: Substitute für Molybdän- und Manganoxide oder Salze (z. B. Moo₃, Mno₂) für Metallpulver, wodurch die Metallisationstemperaturen unter 1200 ° C reduziert werden. Diese Methode ist bequem, um tiefe oder kleine Löcher zu beschichten, leiden jedoch unter hohen Migrationsraten der Metallisationsschicht.

Aktive Metall -Lötverbindungsmethode

Diese Technik entwickelt später als die MO-MN-Methode und erfordert weniger Schritte, wobei die Versiegelung der Keramikmetall in einem einzigen Heizungsprozess abgeschlossen wird. Lötlegeln mit aktiven Elementen (z. B. Ti, Zr, HF, Ta) reagieren mit Al₂o₃, um an der Grenzfläche eine metallische Reaktionsschicht zu bilden. Während sich kostengünstig und anpassungsfähig an die groß angelegte Produktion hat, beschränkt sich die begrenzte Auswahl an aktiven Löschelmaterialien auf eine große, einköpfige oder kleine Batchproduktion.

Oxidlötmethode

Diese Methode verwendet gemischte Oxide (z. B. CaO, Mgo, SRO, Bao mit SiO₂, B₂o₃, Al₂o₃) als Lötmittel für die Versiegelung von Keramikmetall. Die Oxide werden geschmolzen, gelöscht und zu feinem Pulver gemahlen. Diese Technik wird üblicherweise zur Versiegung von hochalumino- oder transparenten Aluminiumoxidkeramik auf Metalle wie W, Mo, Ta und NB verwendet.

Druckdichtung

Bei Raumtemperatur wird mechanischer Druck auf dicht Bindungskeramik und Metalle ausgeübt. Diese Methode nutzt die hohe Druckfestigkeit der Keramik und die elastische Verformung von Metallen. Ein kleiner schräger Winkel (7 ° –10 °) ist auf die keramische Ringendfläche gemahlen, und der Keramikring (etwas kleiner im Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Metallrings) wird auf das Metall gedrückt. Der Metallring dehnt sich elastisch aus und klemmt fest zum Keramikring, um eine Druckdichtung mit Drücken von bis zu 600 MPa zu bilden.

Anwendungen: Dieser Vorgang eignet sich für große Versiegelungsteile mit niedrigem Volumen, typischerweise mit hohem Alumina-Porzellan. Das verwendete Metall sollte eine hohe Festigkeit, Elastizität, einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweisen, der der Keramik ähnelt, und eine gute Müdigkeitsresistenz. Die weiche Metallbeschichtung (z. B. Silber, Kupfer oder Gold) auf der Metalldichtungsfläche erleichtert das Schieben während des Versiegelns und sorgt für luftdicht.

Sputtermethode Metallisation

In einem Vakuumsystem geleitet, beinhaltet Sputtering mit zwei SPUTTORING-, VOR-SPETTORING- oder Hochfrequenz-Sputterprozessen. Beim Zwei-Sputtering wird das System in ein hohes Vakuum (10⁻⁵ PA) gepumpt, gefüllt mit Argon (1–10⁻¹ PA), und der Keramikteil wird in der Nähe des Sputter-Ziels platziert. Eine negative Hochspannung (1–7 kV) ionisiert den Argon, und positive Ionen bombardieren die Zieloberfläche, die Metall auf die Keramik spottert, um einen dünnen Metallfilm zu bilden.

Zielkonfiguration: Zwei oder drei verschiedene Metalle werden auf einem rotbaren Regal montiert. Nach dem Spotter der ersten Schicht (z. B. Wolfram oder Molybdän, 50–500 nm dick) wird der Zielrahmen gedreht, um eine zweite Schicht zu spucken (z. B. Kupfer, Silber oder Gold, 1–5 µm dick). Die Verwendung von TI für die erste Schicht führt zu besseren Ergebnissen.

Anwendungen: Sputtering ist ideal für Keramik, die hohe Temperaturen nicht standhalten (z. B. piezoelektrische Keramik) und eine genaue dimensionale Kontrolle aufgrund der dünnen Metallisationsschicht gewährleistet.

Technische Herausforderungen der metallisierten Keramik

Thermische Expansionsfehlanpassung: Unterschiede in den thermischen Expansionskoeffizienten zwischen Keramik und Metallen können während des Sinterns Stress hervorrufen, was zu Riss- oder Schichtzerstörung führt.

Grenzflächen chemische Reaktionen: Reaktionen an der Metall-Keramik-Grenzfläche erzeugen Oxide, wodurch die chemische Zusammensetzung und Struktur der Grenzfläche und die Abbauleistung verändert.

Schmelzpunktunterschiede: Der signifikante Unterschied in Schmelzpunkten zwischen Keramik und Metallen kompliziert die vollständige Fusion, was zu winzigen Rissen und Defekten führt, die die Versiegelungsfestigkeit verringern.

Hohe Kosten und Komplexität: Der teure und komplizierte Herstellungsprozess der Keramikmetallisation begrenzt seine Anwendung in bestimmten Bereichen.

Durch die Bewältigung dieser Herausforderungen entwickelt sich die Keramikmetallisierung weiterentwickelt und ermöglicht zuverlässige Verbindungen zwischen Keramik und Metallen in fortschrittlichen elektronischen und strukturellen Anwendungen.

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Autor:

Mr. Andy Chen

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