Procesos de Metalización de Diferentes Materiales Cerámicos
Los materiales metálicos tienen buena plasticidad, ductilidad, conductividad y conductividad térmica, mientras quemateriales cerámicostienen resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, alta dureza y alto aislamiento, y cada uno tiene su propia amplia gama de aplicaciones. La metalización cerámica, inventada por los químicos estadounidenses Charles W. Wood y Albert D. Wilson a principios del siglo XX, combina los dos materiales para lograr un rendimiento complementario. Comenzaron a investigar métodos para aplicar recubrimientos metálicos a superficies cerámicas en 1903 y obtuvieron una patente para la tecnología en 1905. Posteriormente, esta tecnología se utilizó ampliamente en la producción industrial para fabricar productos cerámicos con apariencia y propiedades metálicas, como cerámica resistente al calor y electrónica. dispositivos.
La metalización de cerámica se refiere a adherir firmemente una capa delgada de película de metal a la superficie de cerámica para lograr la soldadura entre la cerámica y el metal. Existen varios procesos de metalización de cerámica, incluido el método de molibdeno-manganeso, el método de recubrimiento de oro, el método de recubrimiento de cobre, el método de recubrimiento de estaño, el método de recubrimiento de níquel y el método LAP (recubrimiento asistido por láser). Las cerámicas metalizadas comunes incluyen cerámicas de óxido de berilio,cerámica de alúmina,cerámica de nitruro de aluminio, yCerámica de nitruro de silicio.Dado que la estructura de la superficie de diferentes materiales cerámicos es diferente, diferentes procesos de metalización son adecuados para metalizar diferentes materiales cerámicos.
1. Cerámica BeO
El método de metalización más utilizado para las cerámicas BeO es el método de molibdeno-manganeso. Este método consiste en recubrir una superficie de cerámica con una mezcla de pasta de polvos metálicos puros (Mo, Mn) y un óxido metálico, y luego calentarla a alta temperatura en un horno para formar una capa de metal. Agregar de 10 % a 25 % de Mn a Mo en polvo es para mejorar la unión entre el recubrimiento de metal y la cerámica.
El principal método de metalización de las cerámicas Al2O3 es elMétodo de cobre ligado directo (DBC), que permite la conexión directa entre lámina de cobre y cerámica Al2O3 sin necesidad de materiales adicionales. El proceso implica cubrir la superficie de la cerámica Al2O3 con una lámina de cobre tratada, introducir un gas inerte con un cierto contenido de oxígeno y luego calentarlo. Durante este proceso, la superficie del cobre se oxida y cuando la temperatura alcanza el rango de la fase líquida eutéctica, la cerámica de Al2O3 y el cobre producen una fase líquida eutéctica que humedece ambos materiales y completa la conexión inicial. Durante el enfriamiento, la fase líquida eutéctica precipita Cu y Cu2O, que existen en la interfaz para lograr una conexión estrecha.
Actualmente, los principales métodos utilizados para las cerámicas AlN son DBC y Active Metal Brazing (AMB).
El método de cobreado directo para las cerámicas de AlN es similar al de las cerámicas de Al2O3 pero con algunas diferencias. Esto se debe a que AlN es una cerámica sin óxido y la fase líquida eutéctica se esparce mal en su superficie, lo que hace imposible la unión directa. Por lo tanto, necesita ser pre-oxidado alrededor de 1200℃, y una capa de óxido de alrededor de 1-2metrom se generará en la superficie de la cerámica AlN después de la oxidación. Luego, la cerámica de AlN preoxidada y el cobre se conectan en el rango de temperatura en el que existe la fase líquida eutéctica para completar la preparación de la placa de cobre recubierta de AlN.
Otro método comúnmente utilizado es AMB, que conecta la lámina de cobre y cerámica AlN con materiales de aporte de soldadura fuerte de metal activo, siendo el sistema Ag-Cu-Ti el más utilizado. El Ti en el material de aporte de soldadura fuerte es un metal activo que representa alrededor del 1-5 % de la proporción de masa, mientras que el Cu representa alrededor del 28 % y la Ag representa alrededor del 67-71 %. El problema de conectar la lámina de cobre y la cerámica de AlN a través de la soldadura fuerte de metal activo es que queda mucha tensión interna en la estructura formada, lo que puede generar problemas de confiabilidad en las aplicaciones prácticas. Por lo tanto, en el proceso de diseño de la composición del material de aporte para soldadura fuerte, además de las partículas metálicas de Ag, Cu y Ti, es necesario agregar algunos aportes que pueden reducir el desajuste térmico. Actualmente, los rellenos comúnmente utilizados incluyen principalmente SiC, Mo, TiN, Si3N4 y Al2O3.
Las cerámicas de Si3N4 generalmente se conectan al cobre mediante Active Metal Brazing (AMB). La razón por la cual el recubrimiento de cobre directo no se puede utilizar para la metalización superficial deCerámica Si3N4es que no se puede generar una capa de óxido directamente sobre la superficie de la cerámica Si3N4. Al igual que AlN, Si3N4 también es un nitruro, que puede reaccionar químicamente con algunos metales activos (Ti, Cr, V) para generar nitruros continuos en la capa de interfaz, logrando así la conexión entre la cerámica de Si3N4 y los materiales de soldadura fuerte de metal. El material de soldadura fuerte de metal más utilizado es el sistema Ag-Cu-Ti, pero la línea de fase líquida de estos materiales de soldadura fuerte está por debajo de 1200 K y su resistencia a la oxidación es pobre. La temperatura de uso después de la soldadura fuerte no debe ser superior a 755 K.
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