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    高純氧化鋁陶瓷金屬化工藝研究

    發布日期:2017年9月9日

    微波真空電子器件廣泛應用于雷達、各種通信設備以及電子對抗設備等方面,在現代軍事電子裝備中,在大功率、高頻率的情況下,微波真空電子器件有著不可取代的重要地位。95%氧化鋁陶瓷作為微波電真空器件最常用的絕緣介質材料,廣泛用于微波管的輸能窗片、收集極和夾持桿。但是隨著微波管逐漸應用于高頻率以及高功率,對于輸出窗以及夾持桿等陶瓷制品的損耗和散熱性能提出了更高的要求。95%氧化鋁瓷的損耗和散熱性能已不能滿足高性能微波管設計要求,需要用純度更高的氧化鋁陶瓷如高純氧化鋁陶瓷材料(氧化鋁含量大于99%)或藍寶石替代。

    氧化鋁陶瓷的許多應用都涉及到陶瓷與金屬封接技術。在金屬化數十年的發展中,目前最常用的95%氧化鋁瓷,已經形成了一套成熟的Mo-Mn金屬化理論和封接工藝。但是99%氧化鋁瓷與常用的95%氧化鋁瓷在微觀結構上有一定區別。95%氧化鋁瓷的晶粒較大,在晶界中含有一定量的玻璃相,在金屬化過程中,金屬化層中的玻璃活化劑會產生液相,并與瓷中的玻璃相產生互遷移,形成與陶瓷基體粘結良好的金屬化層,對于95%氧化鋁瓷,其金屬化機理是玻璃相遷移理論。而高純氧化鋁中的晶粒細小,晶界中含有極少甚至沒有玻璃相,在金屬化過程中金屬化層中的玻璃相不能與瓷中玻璃相產生互遷移,因此玻璃相遷移理論對于高純氧化鋁的金屬化并不適用。

    與95%氧化鋁陶瓷金屬化過程中有大量的玻璃相遷移的現象不同,高純氧化鋁陶瓷的金屬化主要是由于金屬化層與陶瓷基體在燒結過程的溶解-沉淀形成的互作用以及玻璃相本身與陶瓷基體的物理作用,因此金屬化層與陶瓷基體之間的相互潤濕性和互溶性顯得至關重要。此外,考慮到金屬化層本身與陶瓷基體之間若存在較大的熱應力會影響整個封接結構的強度和氣密性,金屬化層與陶瓷基體的熱膨脹系數應匹配。

    目前常用于95%氧化鋁陶瓷表面高溫金屬化的玻璃活化劑體系為Mn-Al-Si-Ca玻璃系統。該系統應用于高純氧化鋁陶瓷存在一定問題。首先MnAl-Si-Ca玻璃系統在高溫下的介電損耗tanδ較高,為2×10-3~3×10-3。此外,Mn在高溫下會揮發并沉積在金屬化層表面,在高溫下Mn離子的變價會造成金屬化層表面有導電雜質存在,在存在1%的導電雜質時,介質的電絕緣強度就降低到1/14,使金屬化層容易產生電擊穿,降低窗片的輸出功率,因此該系統對于高壓大功率應用場合,可靠性低;其次含Mn玻璃相的粘度一般較低降低,玻璃相的遷移會加劇,對于高純氧化鋁瓷,玻璃相無法遷移到陶瓷晶界中,玻璃相就會聚集在陶瓷表面,玻璃相的脆性,以及具有低的導熱性、低強度和差的熱穩定性,會對金屬化層的強度和封接結構的使用造成不利的影響。故目前所用的Mn-Al-Si-Ca玻璃系統不適合高壓大功率場合下使用的高純氧化鋁陶瓷的金屬化,需要開發一種絕緣耐壓性能好且與高純氧化鋁陶瓷具有良好的潤濕性和互溶性的玻璃系統作為金屬化的玻璃活化劑。

    CaO-Al2O3-SiO2(Ca-Al-Si)系玻璃是目前制備高純氧化鋁陶瓷常用的燒結助劑,該體系具有低的熱膨脹系數,與Mn-Al-Si-Ca系玻璃相比,其高溫下的介電損耗也較低。為此,本文采用Ca-Al-Si系玻璃替代Mn-Al-Si-Ca系玻璃作為高純氧化鋁陶瓷金屬化的玻璃活化劑,對其高溫金屬化性能進行研究,以期開發一種適合于高壓大功率應用的高純氧化鋁陶瓷的金屬化工藝。

    1 實驗

    1.1 實驗方案

    1.1.1 配方設計

    金屬化封接的燒結溫度主要在1300~1500℃,結合相圖在Ca-Al-Si玻璃系統中選定組成4%CaO+11%Al2O3+85%SiO2為基礎配方,選用的玻璃系統低共熔點為1345℃。

    1.1.2 樣品制備

    按照設計好的配方稱取玻璃原料,用行星球磨機球磨一定時間,得到一定粒徑和混合均勻的粉料。再將玻璃粉料與金屬Mo粉按照一定比例混合,用球磨機混合均勻,配制成所需的金屬化粉料,再加入一定比例的有機溶劑和粘結劑制成稀稠度合適的金屬化漿料。

    采用絲網在樣品上印刷上金屬化漿料,然后在氫爐中進行金屬化燒結,得到所需要的高純氧化鋁金屬化樣品。同時,為了保證封接的質量,通常還在金屬化層表面電鍍一層數微米厚的鎳層。

    1.2 性能測試

    用Ag焊料將金屬化樣品與陶瓷抗拉件釬焊,用日本島津AG-IC50KN型電子萬能材料試驗機測試樣品的抗拉強度;用英富康UL-1000型檢漏儀測試金屬化樣品氣密性;用耐馳STA-449C型同步熱分析儀測試玻璃粉料的差熱分析數據。

    結果表明:

    (1)Ca-Al-Si玻璃系統可在1450℃左右進行金屬化燒結,實現高純氧化鋁的Mo金屬化,同時氣密性良好,但是Ca-Al-Si玻璃系統與高純氧化鋁陶瓷的潤濕性以及互溶性較差,導致金屬化樣品的抗拉強度較低。

    (2)提高Ca-Al-Si玻璃系統中的CaO與Al2O3含量,可以使得玻璃相與高純氧化鋁和Mo金屬層之間的熱膨脹系數匹配。同時CaO和Al2O3含量的增加可以降低玻璃活化劑的熔化溫度,保證在金屬化過程中玻璃活化劑完全熔化并與陶瓷基體有良好的潤濕性,金屬化樣品的抗拉強度可達到100MPa。

    (3)在Ca-Al-Si玻璃系統中加入3%的TiO2不能改善玻璃相對于高純氧化鋁的潤濕性以及互溶性;TiO2高溫對Mo層燒結有促進作用。

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