24. Методы металлизации керамики. Вакуум-плотные спаи керамики с металлами и методы их получения.
Значительную часть изделий технической керамики, главным образом в радио- и электронной технике (конденсаторы, резисторы, пьезоэлементы, интегральные схемы и т.д.) подвергают металлизации, а в некоторых случаях – последующей пайке с металлоконструкциями. Назначение металлизации – это создание электрических контактов, металлокерамических узлов, декоративных эффектов.
Керамику металлизируют с помощью методов, аналогичных нанесению керамических покрытий. Технологию металлизации подразделяют на толстопленочную и тонкопленочную. При толстопленочной технологии на поверхность керамики наносят слой тонкодисперсного металла на органической связке, закрепляемый с помощью высокотемпературной обработки (вжигания) или методами газотермического напыления. При тонкопленочной технологии на поверхность керамики путем конденсации атомов или ионов напыляют пленку металлов без дополнительной термической обработки.
Для металлизации применяют благородные металлы – Au, Ag, Pt, Pd и их сплавы; тугоплавкие – W, Mo, Ta, Cr; элементы и сплавы группы железа. Толщина металлических пленок изменяется от долей до нескольких сотен микрометров и зависит от назначения покрытий и технологии их нанесения.
Металлизационные слои наносят на оксидную, бескислородную керамику, а также на ферриты.
Основным показателем качества покрытий является прочность его сцепления с керамической подложкой, определяемая косвенно испытанием на изгиб; она может меняться от нескольких до 200 МПа.
В зависимости от сочетания металла и керамики, а также технологии нанесения металлизационного слоя различают несколько видов сил сцепления и типов структур. В первом граница раздела четко выражена, нет новых соединений, в сцеплении участвуют только поверхностные силы. Во втором на границе раздела имеется переходная зона, образованная в результате химических реакций, и диффузии. В третьем на границе раздела переходные зоны отсутствуют, но значительно развит ее рельеф, наблюдается пластическое течение и микроскопические включения друг в друга, что обусловливает механическое сцепление материалов.
С
целью повышения механического сцепления
при металлизации по толстопленочной
технологии в состав паст вводят
легкоплавкие добавки в виде стеклоприпоев
и других плавней. При нагреве стекло
плавится, смачивает частицы металла и
поверхность керамики, заполняет поры
между частицами металла. При этом
прочность стеклофазы определяет
прочность всего металлизационного
слоя.
Для металлизации керамики на основе Al2O3 можно использовать металлы IV группы, иттрий. Присутствие в керамике термодинамически менее устойчивых оксидов Si, Fe, Mn, Cr и других расширяет круг металлов (Ta, Al, Nb, Mn, Cr).
В связи с тем, что число металлов для прямого взаимодействия с компонентами керамики ограничено, металлизацию по толстопленочной технологии проводят, вводя в состав пасты два металла с различным сродством к кислороду. Регулируя окислительно-восстановительный потенциал газовой среды во время вжигания металлического покрытия, добиваются полного окисления одного металла, в то время как другой остается в свободном состоянии. Образовавшийся оксид реагирует с компонентами керамики, обеспечивая сцепление частиц металла с ней.
Толстопленочную технологию широко применяют для металлизации алюмооксидной керамики.
При металлизации керамики, не содержащей стеклофазу, используют специальные добавки обычно в количестве не менее 10 %, хорошо смачивающие керамику и металл, например, глазури или стекла.
Тонкопленочную металлизацию используют в основном для нанесения проводников при изготовлении электронных компонентов (резисторов, конденсаторов и др.). Толщина слоя обычно составляет около 1 мкм, поэтому требуется весьма высокая (12- 14 класс) степень чистоты поверхности керамики.
Этот вид металлизации наиболее сложен по аппаратурному оформлению. Тонкие пленки наносят путем конденсации атомов металла на подложке в вакууме. Они не требуют дополнительного вжигания, их сцепление с керамикой имеет адгезионный характер. Получить при этом значительную прочность сцепления трудно, так как контакт металла с керамикой осуществляется на малоразвитой ограниченной фазовой границе.
Соединение керамики с металлом.
В современной технике часто приходится соединять детали из разнородных материалов: керамики с металлом или стеклом, керамики с керамикой и т.п.
При соединении разнородных материалов особую роль играет близость их термических коэффициентов линейного расширения. Если это различие велико, то может появиться опасность возникновения существенных термических напряжений или разрушения соединения. Также важен температурный режим охлаждения, который тем медленней, чем значительнее несогласованность ТКЛР, больше размер деталей и поверхность контакта между спаянными деталями.
Прочное соединение разнородных материалов происходит за счет простого механического сцепления либо в результате химического взаимодействия или диффузии на границе контакта.
Наиболее распространенным методом соединения является пайка предварительно металлизированной керамики с металлом. Металлизацию осуществляют по толстопленочной технологии тугоплавкими металлами с добавкой легкоплавких металлов или соединений, образующих стеклофазу. Для хорошего сцепления металла с керамикой необходимо взаимодействие между поверхностями металла и металлизированной керамики. Поскольку молибден - марганцевые покрытия плохо смачиваются серебросодержащими припоями, то на него наносят слой никеля толщиной в несколько мкм гальваническим или карбонильным методом и вжигают в электрических печах в среде сухого водорода. При пайке медью никелирование не требуется.
В последние два десятилетия соединение керамики с металлом осуществляют без металлизации, используя диффузионный метод и сварку при помощи электронного луча. Кроме того, иногда выполняют соединения с помощью стекол.
Все более широкое применение находит соединение керамики с металлом при помощи активных металлов и гидридов активных металлов, что позволяет получать спаи без предварительной металлизации керамики. Под активными понимают металлы, которые могут соединяться с керамикой без добавок. Они активно химически взаимодействуют с оксидами керамики и припоями в процессе термообработки.