Способ металлизации керамики под пайку

 

Изобретение относится к технологии нанесения металлического покрытия на керамические поверхности и может быть использовано для пайки керамических изделий, используемых в электротехнической, электронной и приборостроительной отраслях промышленности. Способ заключается в нанесении двух слоев покрытия путем нагрева сжатого воздуха, подачи предварительно нагретого сжатого воздуха в сверхзвуковое сопло, подачи в это сопло порошкового материала, его ускорения в сопле и нанесения на поверхность керамики. При этом первый слой формируют толщиной 5-200 мкм и используют для этого порошковый материал, содержащий не менее 20% по массе порошка керамики, остальное - смесь порошков металлов или сплавов, в которой не менее 30% от массы этой смеси составляет порошок алюминия. Второй слой формируют по той же технологической схеме, используя при этом другой порошковый материал, который содержит компоненты, обеспечивающие пайку второго слоя покрытия. Способ обеспечивает прочное сцепление первого слоя с поверхностью керамики, легкую пайку второго слоя, при этом используемая последовательность операций гарантирует прочное сцепление второго слоя с первым. 1 с. и 11 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технологии обработки керамики, а точнее к технологии нанесения металлического покрытия на керамические поверхности, и может быть использовано для пайки керамических изделий, используемых в электротехнической, электронной и приборостроительной отраслях промышленности.

Необходимость металлизации поверхности керамического изделия в большинстве случаев связана с необходимостью последующей пайки этого изделия. Примером могут служить, в частности, электроды керамических конденсаторов и пьезокерамических элементов, керамические печатные платы (и аналогичные изделия, включая медно-керамические элементы для силовых гибридных схем) с электропроводящими дорожками и контактными площадками, на которых с помощью пайки крепятся элементы электронных устройств. В другом случае, на керамических (фарфоровых) изоляторах металлизационное покрытие наносится для герметичного присоединения (припайки) токонесущих электродов. Металлизация поверхности керамических изделий используется также и для механического соединения с помощью пайки керамических деталей с другими керамическими и металлическими деталями.

К свойствам металлических покрытий под пайку керамических изделий могут предъявляться различные требования, зависящие от характера этих изделий и условий их функционирования. В большинстве случаев необходимо, чтобы металлическое покрытие достаточно хорошо держалось на поверхности керамики (достаточно для предполагаемых условий эксплуатации керамического изделия) и обеспечивало возможность пайки по этому покрытию.

Известны способы металлизации керамики, включающие нанесение на поверхность керамики специальных металлсодержащих паст и последующее вжигание металлизационного покрытия при высокой температуре (несколько сотен градусов °С) [авт. свид. СССР №706379, кл. С 04 В 41/88, опуб. 30.12.79, №48; авт. свид. СССР №1823872, кл. С 04 В 41/88, опуб. 23.06.93, №23, патент РФ №2016887, кл. С 04 В 41/88, опуб. 30.07.94]. Эти способы весьма трудоемки, дорогостоящи и требуют значительного времени для проведения всех необходимых стадий технологического процесса.

Известны способы металлизации керамики насыщением, в которых металлизацию проводят помещением образцов керамики в порошковую засыпку определенного состава и термообработкой в специальной среде при температуре нескольких сот градусов в течение нескольких часов [авт. свид. СССР №1609784, кл. С 04 В 41/88, опубл. 30.11.90, №44; авт. свид-ва СССР №1004318 и №1004319, кл. С 04 В 41/88, опубл. 15.03.83, №10; авт.свид. №1017695, кл. С 04 В 41/88, опубл. 15.05.83, №18]. Эти способы также весьма трудоемки, дорогостоящи и продолжительны по времени.

Известен способ нанесения медных покрытий на керамический элемент, включающий нанесение металлизационной пасты, наложение поверх нее медных пластин и последующий нагрев до температуры, превышающей температуру плавления меди [Патент РФ №2010784, кл.С 04 В 41/88, опуб. 15.04.1994, №7]. В этом случае металлизационная паста формирует первый слой двухслойного покрытия, обеспечивающий прочное сцепление с керамикой, а из медных пластин формируется второй слой, прочно связанный с первым слоем и обеспечивающий возможность последующей пайки. Однако этот способ технологически сложен, требует специального оборудования для высокотемпературного нагрева изделия и значительных затрат времени.

Известен способ металлизации заготовок керамических элементов, включающий нанесение многослойного металлизационного покрытия путем вакуумного напыления первого адгезионного слоя титана с последующим вакуумным напылением на него медного слоя электрода [Патент РФ №2044719, кл. С 04 В 41/88, опуб. 27.09.1995, №27]. Этот способ позволяет получить достаточно прочное сцепление медного покрытия с керамикой, но требует использования специального вакуумного оборудования. В целом этот способ достаточно трудоемкий и дорогой.

Задачей заявленного решения является упрощение и удешевление технологии, ускорение технологического процесса и обеспечение при этом наибольшей прочности сцепления наносимого слоя при металлизации керамики под пайку.

Поставленная задача решается тем, что в способе металлизации керамики под пайку, включающем нанесение двухслойного покрытия, предварительно нагревают сжатый воздух, подают его в сверхзвуковое сопло, вводят в это сопло порошковый материал, содержащий не менее 20% по массе порошка керамики, остальное - смесь порошков металлов или сплавов, в которой не менее 30% от массы этой смеси составляет порошок алюминия, ускоряют порошковый материал в сопле, направляют его на поверхность керамики и формируют первый слой покрытия толщиной 5-200 мкм; затем опять предварительно нагревают сжатый воздух, подают его в сверхзвуковое сопло, вводят в это сопло другой порошковый материал, ускоряют его в сопле, направляют на поверхность первого слоя покрытия и формируют второй слой покрытия, причем этот порошковый материал содержит компоненты, обеспечивающие пайку второго слоя покрытия.

Для обеспечения высокой прочности сцепления первого металлического слоя с подложкой предлагается использовать порошковый материал, содержащий в качестве порошка керамики порошок оксида алюминия, или карбида кремния, или оксида кремния, или оксида циркония, или их смеси.

При нанесении первого слоя в составе порошкового материала кроме алюминия используют порошки других металлов или сплавов, обеспечивающих оптимальный процесс напыления в целом (например, увеличение сыпучести порошкового материала, уменьшение вероятности осаждения порошкового материала на стенках сверхзвукового сопла и др.). В частности, добавляют цинковый порошок, который уменьшает вероятность налипания алюминия на стенки сопла в процессе напыления.

При нанесении второго слоя, с целью обеспечения возможности его пайки мягкими припоями, используют порошковый материал, содержащий не менее 20% медного и/или никелевого, и/или цинкового порошка.

Для увеличения прочности сцепления второго слоя с первым слоем при нанесении второ го слоя используют порошковый материал, содержащий 0-80% керамического порошка.

Для оптимизации процесса напыления первого слоя покрытия сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло нагревают до температуры 100-400°С.

Для оптимизации процесса напыления второго слоя покрытия сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло нагревают до температуры 200-700°С.

Сравнительный анализ показал, что заявляемый способ отличается от известных ранее способов тем, что включает в себя предварительный нагрев сжатого воздуха, подачу предварительно нагретого сжатого воздуха в сверхзвуковое сопло, введение в это сопло порошкового материала, ускорение его в сопле, направление ускоренного потока этого порошкового материала на поверхность керамики и формирование первого слоя покрытия толщиной 5-200 мкм, при этом порошковый материал содержит не менее 20% по массе порошка керамики, остальное - смесь порошков металлов или сплавов, в которой не менее 30% от массы этой смеси составляет порошок алюминия; последующий предварительный нагрев сжатого воздуха, подачу его в сверхзвуковое сопло, введение в это сопло другого порошкового материала, ускорение его в сопле, направление ускоренного потока этого порошкового материала на поверхность первого слоя покрытия и формирование второго слоя покрытия, при этом этот порошковый материал должен содержать компоненты, обеспечивающие пайку второго слоя покрытия.

Сущность способа заключается в следующем.

Предлагаемый способ металлизации керамики включает в себя напыление двухслойного покрытия. Первый слой обеспечивает прочное сцепление с поверхностью керамики, а второй слой обеспечивает легкую пайку.

При нанесении металлизационного покрытия предлагаемым способом первый слой покрытия формируется из порошкового материала, содержащего металлические и керамические частицы. Эти частицы, ускоренные потоком воздуха в сверхзвуковом сопле, с высокой скоростью соударяются с керамической подложкой. При этом происходит пластическая деформация металлических частиц, как при единичных столкновениях частиц с поверхностью, так и под действием ударов последующих частиц. В результате формируется прочное, в основном механическое, сцепление этих частиц с поверхностью керамики. Присутствующие в порошковом материале керамические частицы увеличивают шероховатость микрорельефа поверхности керамики, дополнительно трамбуют покрытие и увеличивают, таким образом, прочность сцепления первого слоя покрытия с поверхностью керамики. При этом оказалось, что при содержании керамических частиц в порошковом материале, из которого формируется первый слой покрытия, менее 20% от общей массы порошкового материала, прочность сцепления этого слоя с керамикой начинает значительно уменьшаться.

Кроме того, оказалось, что не все металлы одинаково хорошо сцепляются с керамикой. Наилучшим здесь оказался алюминий. Причем, как показали эксперименты, при содержании алюминия в порошковом материале менее 30% от общей массы металлических частиц, содержащихся в этом порошковом материале, прочность сцепления первого слоя покрытия с поверхностью керамики начинает значительно уменьшаться.

Основную роль в обеспечении интегральной прочности сцепления всего металлизационного покрытия с керамикой, в данном способе его формирования играет, как оказалось, толщина первого слоя покрытия. Так при толщине первого слоя покрытия менее 5 мкм прочность сцепления резко уменьшается за счет неравномерного покрытия поверхности керамики частицами первого порошкового материала и за счет того, что они недостаточно “утрамбованы” ударами последующих частиц. В диапазоне толщин 5-200 мкм прочность сцепления изменяется не очень значительно. А при толщине первого слоя покрытия более 200 мкм прочность сцепления снова начинает значительно уменьшаться за счет увеличения внутренних напряжений в покрытии, обусловленных, в частности, большой разницей в коэффициентах температурного расширения керамики и наносимых на нее металлов.

Для нанесения первого слоя предпочтительным оказался диапазон температур подогрева сжатого воздуха 100-400°С. При меньших температурах абразивный эффект керамики, присутствующей в первом порошковом составе, становится слишком значительным и покрытие не образуется, отдельные закрепившиеся на поверхности металлические частицы практически полностью срезаются частицами керамики. При температуре выше указанного диапазона становится слишком значителен разогрев первого слоя покрытия (вследствие его обдува при напылении разогретой струей воздуха). Поскольку коэффициент температурного расширения у керамики всегда много меньше, чем у металлов, то возникающие при чрезмерном разогреве слоя напряжения способствуют уменьшению фактической прочности сцепления первого слоя покрытия с керамикой.

После нанесения первого слоя металлизационного покрытия на него наносится второй слой. Этот слой, как и первый, формируется путем подачи в сверхзвуковое сопло предварительно нагретого сжатого воздуха, подачи в сопло порошкового материала, его ускорения в сопле и направления сформированной таким образом порошковой струи на поверхность первого слоя. Поскольку первый слой получен из частиц порошкового материала, состоит большей частью из металла и его поверхность имеет развитую шероховатую структуру, то прочность сцепления второго металлсодержащего слоя с первым слоем практически всегда превышает прочность сцепления первого слоя с поверхностью керамики. Это оказалось справедливым для всех составов порошкового материала, из которого формируется второй слой покрытия, и для всех толщин второго слоя покрытия. Основное требование для состава этого порошкового материала - возможность его легкой пайки. При этом конкретный состав должен определяться конкретным способом пайки и используемым припоем.

В частности, в качестве порошкового материала, из которого формируется второй слой покрытия, может быть использована механическая смесь медного, никелевого или цинкового порошка с порошком керамики. Причем количество металлического порошка должно быть не менее 20% по массе. В противном случае за счет интенсивного абразивного воздействия керамических частиц второй слой покрытия будет формироваться слишком медленно и будет слишком дорогостоящим.

В зависимости от состава и физико-химических свойств используемого припоя возможно нанесение второго слоя покрытия из порошкового материала, содержащего смесь различных порошков металлов или сплавов. При этом в порошковый материал может быть добавлено до 80% керамического порошка. Это не ухудшает паяемость второго слоя, но во многих случаях уменьшает пористость покрытия, делает его менее рыхлым, увеличивает прочность покрытия на разрыв. При большем содержании керамики в порошковом материале, часть керамических частиц, попадающих в покрытие, будет уже достаточно велика, что будет отрицательно сказываться на пригодности второго слоя к пайке.

Для нанесения второго слоя, как показали эксперименты, оптимальным оказался диапазон температур подогрева сжатого воздуха 200-700°С. При меньших температурах коэффициент напыления становится слишком низким, что, не улучшая качества покрытия в целом, значительно его удорожает, а при более высоких температурах второй слой покрытия становится слишком рыхлым и пористым, уменьшается качество металлизационного покрытия в целом.

Анализ данного способа в сравнении с другими техническими решениями, используемыми для нанесения металлизационного покрытия на керамику, показал, что основные существенные отличия и признаки данного изобретения явным образом не следуют из известного уровня техники.

Практическая возможность промышленного применения изобретения подтверждается нижеприведенными примерами.

Пример 1

Проводилась металлизация керамики из оксида алюминия для создания электропроводящих дорожек и контактов для последующей припайки радиодеталей. Первый слой металлизационного покрытия толщиной 20 мкм наносился с использованием порошкового материала, содержащего 40% порошка карбида кремния, 60% порошка алюминия. Сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 400°С. Для нанесения второго слоя использовался порошковый материал, содержащий 50% порошка оксида алюминия и 50% порошка меди, при этом сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 400°С. Прочность сцепления металлизационного покрытия с керамической подложкой составила 10 -12 МПа.

Пример 2

Проводилась металлизация кромок деталей керамического корпуса электротехнического элемента для последующей их пайки друг с другом. Первый слой металлизационного покрытия толщиной 50 мкм наносился с использованием порошкового материала, содержащего 25% порошка оксида алюминия, 50% порошка алюминия и 25% порошка цинка. Сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 300°С. Для нанесения второго слоя использовался порошковый материал, содержащий 50% порошка оксида алюминия, 40% порошка меди и 10% порошка цинка, при этом сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 400°С. Прочность сцепления металлизационного покрытия с керамической подложкой составила 12-15 МПа.

Пример 3

Проводилась металлизация кромок фарфоровых изоляторов для последующей припайки к ним деталей корпусов высоковольтных конденсаторов и электропроводящих электродов. Первый слой металлизационного покрытия наносился толщиной 80 мкм с использованием порошкового материала, содержащего 30% порошка оксида алюминия, 50% порошка алюминия и 10% порошка цинка. Сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 400°С. Для нанесения второго слоя использовался порошковый материал, содержащий 50% порошка оксида алюминия и 50% порошка меди, при этом сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 600°С. Прочность сцепления металлизационного покрытия с керамической подложкой составила 11-14 МПа.

Пример 4

Проводилась металлизация части поверхности керамического сопла из оксида циркония для последующей припайки к нему металлического фланца. Первый слой металлизационного покрытия наносился толщиной 30 мкм с использованием порошкового материала, содержащего 70% порошка оксида алюминия, 30% порошка алюминия. Сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 200°С. Для нанесения второго слоя использовался порошковый материал, содержащий 40% порошка оксида алюминия и 60% порошка никеля, при этом сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 600°С.

Пример 5

Проводилась металлизация части поверхности керамической трубки из оксида алюминия для последующей герметичной припайки к ней металлической трубки. Первый слой металлизационного покрытия наносился толщиной 20 мкм с использованием порошкового материала, содержащего 30% порошка оксида алюминия, 50% порошка алюминия и 20% порошка цинка. Сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 300°С. Для нанесения второго слоя использовался порошковый материал, содержащий 60% порошка оксида алюминия и 40% порошка меди, при этом сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 500°С.

Пример 6

Проводилась металлизация торцевых поверхностей керамических лопаток вихревой мельницы для последующего нанесения мягкого припоя, обеспечивающего возможность плотного сжатия лопатки металлическими крепежными элементами. Первый слой металлизационного покрытия наносился толщиной 30 мкм с использованием порошкового материала, содержащего 30% порошка оксида алюминия, 40% порошка алюминия и 10% порошка цинка. Сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 200°С. Для нанесения второго слоя использовался порошковый материал, содержащий 50% порошка оксида алюминия и 50% порошка меди, при этом сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло предварительно нагревался до 400°С.

Из приведенного описания и примеров конкретного использования видно, что использование заявленного способа позволяет технически просто произвести металлизацию различных керамических деталей, предназначенных для дальнейшей пайки. Новый способ не требует сложных вакуумных камер, электролитов, специальных газовых сред и высокотемпературных печей. Для металлизации керамики предлагаемым способом необходимо очень небольшое время и трудозатраты, получаемое металлизационное покрытие сразу же после нанесения готово для проведения дальнейших операций.

Новый способ может найти самое широкое применение в электронной и электротехнической промышленности, а также в машиностроении и приборостроении, где используются керамические детали.

Формула изобретения

1. Способ металлизации керамики под пайку путем нанесения на ее поверхность двуслойного покрытия, заключающийся в том, что предварительно нагревают сжатый воздух, подают его в сверхзвуковое сопло, вводят в это сопло порошковый материал, содержащий не менее 20% по массе порошка керамики, остальное - смесь порошков металлов или сплавов, в которой не менее 30% от массы этой смеси составляет порошок алюминия, ускоряют порошковый материал в сопле, направляют его на поверхность керамики и формируют первый слой покрытия толщиной 5-200 мкм; затем опять предварительно нагревают сжатый воздух, подают его в сверхзвуковое сопло, вводят в это сопло другой порошковый материал, ускоряют его в сопле, направляют на поверхность первого слоя покрытия и формируют второй слой покрытия, причем этот порошковый материал содержит компоненты, обеспечивающие пайку второго слоя покрытия.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения первого слоя покрытия используют порошковый материал, содержащий порошок керамики из оксида алюминия.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения первого слоя покрытия используют порошковый материал, содержащий порошок керамики из карбида кремния.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения первого слоя покрытия используют порошковый материал, содержащий порошок керамики из оксида кремния.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения первого слоя покрытия используют порошковый материал, содержащий порошок керамики из оксида циркония.

6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения первого слоя покрытия используют порошковый материал, содержащий порошок цинка.

7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения второго слоя покрытия используют порошковый материал, содержащий не менее 20% порошка меди.

8. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения второго слоя покрытия используют порошковый материал, содержащий не менее 20% порошка никеля.

9. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения второго слоя покрытия используют порошковый материал, содержащий не менее 20% порошка цинка.

10. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения второго слоя покрытия используют порошковый материал, содержащий порошок керамики в количестве 0-80%.

11. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения первого слоя покрытия сжатый воздух нагревают до 100-400°С.

12. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для нанесения второго слоя покрытия сжатый воздух нагревают до 200-700°С.