一種用于釬焊的氧化鋁陶瓷金屬化方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于氧化鋁陶瓷與金屬異質釬焊領域，具體涉及間接釬焊法中氧化鋁陶瓷金屬化的方法。
【背景技術】
[0002]普通氧化鋁陶瓷(Al2O3質量分數為90%?99.8% )具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損以及絕緣強度高、介質損耗低和電性能穩定等優良的電氣性能，已被廣泛用作電真空器件材料。高純度氧化鋁陶瓷(Al2O3質量分數大于99.8%)以優異的機械，光學性能，如高硬度，高透過率，現已廣泛用于LED半導體襯底材料，手表表盤、航空、航天、精密制造窗口材料。然而，氧化鋁陶瓷固有的硬性和脆性使其難以加工和制造，需將其與金屬通過釬焊連接起來使用才能充分發揮其優異性能。由于陶瓷與金屬的物理、化學、機械性能差異較大(如熱膨脹系數，化學鍵，彈性模量)，陶瓷與金屬的釬焊連接困難。目前氧化鋁陶瓷與金屬的釬焊連接包括直接釬焊法和間接釬焊法。直接釬焊法是在釬料中加入T1、Zr、Hf等活性元素獲得活性釬料，以提高釬料高溫下在陶瓷表面的潤濕性，直接實現氧化鋁陶瓷與金屬的釬焊連接。此種方法工藝簡單，但在釬焊時釬料中的活性元素容易與其它金屬形成脆性的金屬間化合物，導致釬焊強度不穩定，釬縫容易開裂。間接釬焊法是先對氧化鋁陶瓷進行金屬化，即在其表面形成一層致密、牢固的金屬化層，使其與釬料之間的潤濕良好，然后采用普通釬料和釬焊工藝實現與金屬的釬焊連接。間接釬焊法中，氧化鋁陶瓷金屬化層的質量直接決定了釬焊接頭的結合強度。
[0003]現有氧化鋁陶瓷金屬化常用方法為燒結粉末金屬法，Mo-Mn法是燒結粉末金屬法中使用最廣泛的一種。Mo-Mn法是在還原性氣氛中在氧化鋁陶瓷表面燒結一層含Mo-Mn的金屬化層，使陶瓷表面帶有金屬性質。工藝步驟主要包括陶瓷表面處理、金屬膏劑化、配制與涂膏、高溫燒結、鍍鎳、鍍鎳后回火等工序。此工藝中不同氧化鋁含量的陶瓷要選用相應的金屬化膏劑才能保證金屬化層與氧化鋁陶瓷的結合強度，達到最佳的金屬化效果，并且膏劑的配方復雜，增加了工藝難度。由于一般釬料(如Ag-Cu釬料)對陶瓷金屬化層的潤濕性還達不到釬焊要求從而影響釬焊效果，因此通常需要在Mo-Mn金屬化層上再電鍍一層鎳來增加釬料對金屬化層的潤濕性，而鍍鎳后的陶瓷需要在氫氣爐中100tC下燒結。這就造成整個工藝需要涂膏和鍍鎳兩次金屬化，兩次高溫燒結，增加工序的同時大大增加了金屬化的成本。另一方面，該方法的機理是:高溫燒結過程中，通過金屬膏劑和氧化鋁陶瓷中玻璃相之間的相互擴散、迀移來實現金屬化層與氧化鋁陶瓷的牢固結合。由于高純氧化鋁陶瓷中玻璃相的含量很少，甚至沒有玻璃相(如藍寶石)，因此該方法對高純氧化鋁陶瓷(Al2O3質量分數大于99.8%)的金屬化效果很差。并且，由于玻璃相的熔點較高，該金屬化方法需要在很高的溫度(通常大于1500°C )下使玻璃相熔化，這對設備要求較高，成本高。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種用于釬焊的氧化鋁陶瓷金屬化的新方法，以簡化工藝，降低金屬化成本，并提高高純氧化鋁陶瓷的金屬化效果。
[0005]本發明所述用于釬焊的氧化鋁陶瓷金屬化方法，工藝步驟如下:
[0006](I)將氧化鋁陶瓷用清潔劑進行清洗去除表面粘附的油污，然后在1000?1200°C保溫燒結50?70min，除去可揮發的有機物和水分；
[0007](2)將步驟(I)燒結后的氧化鋁陶瓷用鋁箔覆蓋表面不需沉積金屬層的部位，然后采用真空磁控濺射、真空蒸鍍或離子鍍的方法在氧化鋁陶瓷未覆蓋鋁箔部位的表面依次沉積T1、Zr或Hf金屬層，Mo或Cr金屬層，Ni或Cu金屬層，得到沉積金屬層的氧化招陶瓷；
[0008](3)將步驟(2)得到的沉積了金屬層的氧化鋁陶瓷置于真空燒結爐中并對真空燒結爐抽真空，當爐內真空度達到4X10 3Pa時開始加熱，將爐內溫度升至430?480°C并在該溫度下保溫20?40min，然后再升溫至900?1200°C保溫20?60min，保溫結束后隨爐冷卻至室溫即完成氧化鋁陶瓷的金屬化，在上述升溫和保溫過程中保持爐內真空度高于6X10 3Pa0
[0009]上述方法的步驟(2)中，控制T1、Zr或Hf金屬層的厚度為0.2?0.9 μm，Mo或Cr金屬層的厚度為I?2.5 μ m，Ni或Cu金屬層的厚度為2?4.5 μ m。
[0010]上述方法的步驟(I)中，所述清潔劑由NaOH和雙氧水組成，NaOH的質量與雙氧水的體積之比為2.5:100，NaOH的質量單位為g，雙氧水的體積單位為mL ;清洗時，先將氧化鋁陶瓷放入清潔劑中清洗1min?30min，再用去離子水漂洗去除清潔劑。
[0011]上述方法中，所述氧化鋁陶瓷為Al2O3質量百分數90%?99.8%的多晶陶瓷或Al2O3質量百分數大于99.8%的高純單晶陶瓷。
[0012]本發明所述方法的機理:真空高溫燒結過程中，與氧化鋁陶瓷直接接觸的金屬層活性元素T1、Zr或Hf能奪走Al2O3中的氧，在金屬化層與氧化鋁陶瓷界面形成一層活性元素的氧化物過渡層，通過該氧化物過渡層實現金屬化層與氧化鋁陶瓷的牢固結合。
[0013]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0014]1、本發明所述方法工序少，操作簡單，只需要一次金屬化燒結，且燒結溫度較低(900?1200°C )，因此簡化了氧化鋁陶瓷金屬化的工藝，降低了能耗和對設備的要求，整體上降低了金屬化成本。
[0015]2、由于本發明所述方法是通過T1、Zr或Hf活性元素的氧化物過渡層實現金屬化層與氧化鋁陶瓷的牢固結合，對氧化鋁陶瓷中玻璃相的擴散、迀移沒要求，因此使用本發明所述方法對高純氧化鋁陶瓷(純度大于99.8% )進行金屬化也能得到很好的效果，為高純氧化鋁陶瓷提供了一種可行的金屬化方法。
[0016]3、本發明所述方法中，金屬層Mo或Cr金屬層可以緩解在釬焊冷卻過程中產生的殘余應力，有利于獲得牢固可靠的釬焊接頭，最外層的Ni或Cu金屬層可大大提高普通釬料(如AgCu28)在金屬化層上的潤濕性，改善釬焊效果。因此本發明所述方法金屬化效果好，能提高氧化鋁陶瓷與金屬的結合強度。
【附圖說明】
[0017]圖1為實施例1中金屬化后的氧化鋁陶瓷的斷面掃描電鏡圖。
[0018]圖2為實施例1中金屬化后的氧化鋁陶瓷與可伐合金釬焊連接后焊縫的掃描電鏡圖。
[0019]圖3為圖2中矩形選框部分的放大圖。
[0020]圖4為按照行業標準SJ/T 3326-2001測試的實施例1中金屬化后的氧化鋁陶瓷與可伐合金釬焊連接后的應力應變曲線。
[0021]圖中，I一Ti層，2—Mo層，3 — Ni層，4一Al2O3質量百分數為95%的氧化鋁陶瓷，
5一金屬化層，6一可伐合金。
【具體實施方式】
[0022]下面通過具體實施例對本發明所述用于釬焊的氧化鋁陶瓷金屬化方法做進一步說明。
[0023]以下實施例中，步驟⑵用于形成金屬層的金屬的純度> 99%。
[0024]實施例1
[0025]本實施例中，用于釬焊的氧化鋁陶瓷金屬化方法的工藝步驟如下:
[0026](I)將Al2O3質量百分數為95%的多晶氧化鋁陶瓷(俗稱95%氧化鋁陶瓷)放入2.5g NaOH和10mL雙氧水混合所得清潔劑中清洗15min去除表面粘附的油污，再用去離子水超聲清洗20min后烘干，將烘干后的95%氧化鋁陶瓷置于箱式電阻爐中，在1100°C下保溫燒結60min，除去可揮發的有機物和水分；
[0027](2)將步驟(I)所得95%氧化鋁陶瓷用鋁箔蓋住表面不需沉積金屬層的部分后置于裝了 Ti靶、Mo靶、Ni靶的JTZ-800型中頻磁控濺射鍍膜機的真空鍍膜室中，抽真空至4X10 3Pa后向鍍膜室通入高純氬氣(99.99%)至2.1X10 1Pa,然后打開Ti靶電源，在工作電壓為300V、工作電流為5A、工作能量密度為7.3ff/cm 2、濺射偏壓為50V的條件下(膜層的沉積速率為15nm/min)沉積60minTi ;Ti沉積結束后關閉Ti靶電源，打開Mo靶電源，在工作電壓為500V、工作電流為5.5A、工作能量密度為9.3ff/cm 2、濺射偏壓為50V的條件下(膜層的沉積速率為17nm/min)沉積70min Mo ；Mo沉積結束后關閉Mo靶電源，打開Ni靶電源，在工作電壓為500V、工作電流為6A、工作能量密度為9.3ff/cm 2、濺射偏壓為50V的條件下(膜層的沉積速率為19nm/min)沉積150min Ni ;沉積完后待爐內溫度降至室溫后取出，得到依次沉積了 Ti金屬層、Mo金屬層、Ni金屬層的95%氧化鋁陶瓷。
[0028](3)將步驟⑵得到的沉積了金屬層的95%氧化鋁陶瓷置于在VQS-335型真空燒結爐中，對真空燒結爐抽真空，當真空度達到4X 10 3Pa后開始加熱，以17°C /min的升溫速率將爐內溫度升至480°C保溫20min，保溫結束后再以17°C /min的升溫速率升溫至1200°C保溫20min，升溫和保溫過程中保持真空度高于6 X 10 3Pa,再次保溫結束后隨爐冷卻至室溫即得到金屬化的