陶瓷-金属封接技术的可靠性增长(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:高陇桥

  综述了陶瓷-金属封接技术可靠性的重要性及其相关影响因素。着重指出,金属化层显微结构应均匀一致,活化剂的膨胀系数应处于Mo金属和Al2O3瓷两者之间。提出需金属化的陶瓷表面的粗糙度应综合考虑,其数值以为宜。在金属-陶瓷平封(包含夹封、立封) 结构中,应充分利用配匹封接。

  陶瓷-金属封接技术是一门多学科交叉的领域,是一种实用性、工艺性都很强的基础技术。它要求陶瓷-金属封接组件必须具有高的结合强度、好的气密性以及优良的热循环性能等。陶瓷-金属封接的稳定性和可靠性对器件和整机的质量影响极大,甚至有时会产生灾难性的后果。微波管向毫米波大功率发展,对陶瓷-金属封接性能提出了更高的要求;新兴真空开关管和电力电子器件的封接,要比其他一般真空电子器件要求更严;陶瓷-金属封接技术已成为制约平板型高温固体氧化物燃料电池快速发展的瓶颈之一。所有这些,都使我们有理由进一步关注陶瓷-金属封接技术,加大研发力度,提高工艺水平,完善生产技术,将陶瓷-金属封接技术和产品质量以及可靠性提高到一个新水平。

  国内自1958年开始研发陶瓷-金属封接技术,当时,主要研发单位有中科院上海硅酸盐研究所和北京真空电子技术研究所,后者于1964 年研制成功并进行了技术鉴定,随即在国内实现了产业化并将此技术在国内介绍、推广。就全国而言,约于1970年在诸多厂家得到推广和应用。经过50 年来国内各厂家的共同努力,取得不少科研成果,生产技术也日臻成熟,有些厂家也已形成了自己的工艺路线和特色产品。

  但是,从整个行业来说,在基础理论科学研究和生产技术等方面,与国外先进水平相比,尚有一定的差距。例如:产品性能指标(包括封接强度和热稳定性、气密性等) 、质量和可靠性(包含产品均匀性、一致性以及寿命等) 、以及产品精确的外形尺寸和精工端庄的外表等。在总体上讲我们是“能做、但不优质”。

  从工艺上来看,国内专家在一次金属化技术试验研究方面比较下功夫,具有建树。而对二次金属化方面就不尽然了。至于膏剂中粘结剂等有机载体,厂家们基础上是“拿来主义”,其结果是大同小异。事实上,产业化中,这三方面都是很重要的。

1、关于界面应力的评估

  陶瓷-金属封接件的可靠性取决于封接结构、制造工艺和在整个应用过程中的应力变化。从理论上,应力与封接强度直接相关,见式(1):

     σ封=σ瓷-σ应(1)

  式中,σ封为陶瓷-金属封接强度;σ瓷为陶瓷强度;σ应为陶瓷-金属封接界面所产生的应力。为提高封接件的可靠性,则必须减少其界面应力(特别是单面平封结构) 。σ应值主要源于封接件异种材料的膨胀差,金属化层和陶瓷体中显微结构的宏观不均匀性以及封接间的尺寸、外形和结构型式等。

1.1、封接件异种材料的膨胀差

  异种材料的膨胀差应包含封接金属和陶瓷、金属化层中Mo颗粒与活化剂以及陶瓷体中晶相和玻璃相等之间的膨胀差。膨胀差在异相界面产生应力,见式(2)  :

σ应= (E/(1-μ) ) SΔαΔT (2)

  式中, E,μ为陶瓷的弹性模量和泊松此; S为封接面积;Δα为封接金属和陶瓷的膨胀差;ΔT 为焊料固化和工作点之间的温度差。

  为了降低Δα值,因而在陶瓷-金属封接技术中,应尽可能采用配匹封接,即Δα≤10 %。此外,日本高盐治男也提出了封接金属和陶瓷之间最适当的膨胀差,见式(3)。

- 5 ≤αM - αC ≤10 (3)

  式中,αM为金属的膨胀系数,αC为陶瓷的膨胀系数。应该指出:由于陶瓷的抗张和抗压强度几乎相差10倍,因而在膨胀差的选择上,还应考虑封接结构的不同而做适当调整。例如,平封和对封(立封、刀口封)需要较小的膨胀差,而针对内、外套封就不完全一样,这要根据具体情况而定。

  金属化层中Mo颗粒与活化剂以及陶瓷中晶相与玻璃相之间的膨胀差对应力的影响是至关重要的,尤其是金属化层因为较薄(约20μm) ,易引起局部应力集中,甚至产生微裂纹和慢性漏气等缺陷,更应引起重视。因而,在金属化配方进行设计时,必须对活化剂的膨胀系数进行预先计算和测试。由于Mo和活化剂两者烧结后是相互交织、相互包裹的网络结构,其膨胀系数的关系应为:

αMo ≤α活化剂≤αAl2O3

  作者经过对各种活化剂膨胀系数测试数据的拟合,根据活化剂中阳离子场强的基本理论, 见式(4)  :

F=2Z/a2 (4)

  式中, F为活化剂中各种阳离子和氧离子之间的吸引力, Z为阳离子的原子价, a为正负离子之间的中心间距。提出了直观、简单和以质量百分比计算膨胀系数因子的方法,以供参考,见表1。

表1  活化剂组分的膨胀系数因子(25~100℃)

活化剂组分的膨胀系数因子 

  测试数据表明: F越大,膨胀越小,反之亦然。

1.2、金属化层显微结构中宏观均匀性

  金属化层与金属陶瓷相似,也是一种复合材料,即由两种以上不同的原材料组成,使原材料的性能得到充分发挥,并通过复合化而得到单一材料所不具备性能的材料。对于金属陶瓷的定义虽众说纷纭,但目前还是比较倾向于下列ASTM ,C-12说法:一种由金属或合金与一种或多种陶瓷组成的非均质的复合材料,其中后者约占15 %~85 %体积分数,同时在制备的温度下,金属和陶瓷相之间的溶解度相当小 。可以看出此定义对金属化层也是适用的。

  金属陶瓷的理想显微结构是伴随其不同应用而有所差异,但是要获得最好的机械性能,最理想的显微结构应该是一种细颗粒的陶瓷相均匀分布在金属粘结剂基体上的结构,这一种结构的几何学曾经是一些研究工作的课题。金属化层或者说是陶瓷金属其显微结构的要求与金属陶瓷应该是一样的,所不同的是后者细颗粒是Mo金属相,而粘结剂是玻璃相。这方面,两者是相通的。

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