綜述了陶瓷-金屬封接技術(shù)可靠性的重要性及其相關(guān)影響因素。著重指出,金屬化層顯微結(jié)構(gòu)應(yīng)均勻一致,活化劑的膨脹系數(shù)應(yīng)處于Mo金屬和Al₂O₃瓷兩者之間。提出需金屬化的陶瓷表面的粗糙度應(yīng)綜合考慮,其數(shù)值以為宜。在金屬-陶瓷平封(包含夾封、立封) 結(jié)構(gòu)中,應(yīng)充分利用配匹封接。

　　陶瓷-金屬封接技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的領(lǐng)域,是一種實(shí)用性、工藝性都很強(qiáng)的基礎(chǔ)技術(shù)。它要求陶瓷-金屬封接組件必須具有高的結(jié)合強(qiáng)度、好的氣密性以及優(yōu)良的熱循環(huán)性能等。陶瓷-金屬封接的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)器件和整機(jī)的質(zhì)量影響極大,甚至有時(shí)會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。微波管向毫米波大功率發(fā)展,對(duì)陶瓷-金屬封接性能提出了更高的要求;新興真空開關(guān)管和電力電子器件的封接,要比其他一般真空電子器件要求更嚴(yán);陶瓷-金屬封接技術(shù)已成為制約平板型高溫固體氧化物燃料電池快速發(fā)展的瓶頸之一。所有這些,都使我們有理由進(jìn)一步關(guān)注陶瓷-金屬封接技術(shù),加大研發(fā)力度,提高工藝水平,完善生產(chǎn)技術(shù),將陶瓷-金屬封接技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量以及可靠性提高到一個(gè)新水平。

　　國內(nèi)自1958年開始研發(fā)陶瓷-金屬封接技術(shù),當(dāng)時(shí),主要研發(fā)單位有中科院上海硅酸鹽研究所和北京真空電子技術(shù)研究所,后者于1964 年研制成功并進(jìn)行了技術(shù)鑒定,隨即在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化并將此技術(shù)在國內(nèi)介紹、推廣。就全國而言,約于1970年在諸多廠家得到推廣和應(yīng)用。經(jīng)過50 年來國內(nèi)各廠家的共同努力,取得不少科研成果,生產(chǎn)技術(shù)也日臻成熟,有些廠家也已形成了自己的工藝路線和特色產(chǎn)品。

　　但是,從整個(gè)行業(yè)來說,在基礎(chǔ)理論科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)等方面,與國外先進(jìn)水平相比,尚有一定的差距。例如:產(chǎn)品性能指標(biāo)(包括封接強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性、氣密性等) 、質(zhì)量和可靠性(包含產(chǎn)品均勻性、一致性以及壽命等) 、以及產(chǎn)品精確的外形尺寸和精工端莊的外表等。在總體上講我們是“能做、但不優(yōu)質(zhì)”。

　　從工藝上來看,國內(nèi)專家在一次金屬化技術(shù)試驗(yàn)研究方面比較下功夫,具有建樹。而對(duì)二次金屬化方面就不盡然了。至于膏劑中粘結(jié)劑等有機(jī)載體,廠家們基礎(chǔ)上是“拿來主義”,其結(jié)果是大同小異。事實(shí)上,產(chǎn)業(yè)化中,這三方面都是很重要的。

1、關(guān)于界面應(yīng)力的評(píng)估

　　陶瓷-金屬封接件的可靠性取決于封接結(jié)構(gòu)、制造工藝和在整個(gè)應(yīng)用過程中的應(yīng)力變化。從理論上,應(yīng)力與封接強(qiáng)度直接相關(guān),見式(1):

　　　　　σ封=σ瓷-σ應(yīng)(1)

　　式中,σ封為陶瓷-金屬封接強(qiáng)度;σ瓷為陶瓷強(qiáng)度;σ應(yīng)為陶瓷-金屬封接界面所產(chǎn)生的應(yīng)力。為提高封接件的可靠性,則必須減少其界面應(yīng)力(特別是單面平封結(jié)構(gòu)) 。σ應(yīng)值主要源于封接件異種材料的膨脹差,金屬化層和陶瓷體中顯微結(jié)構(gòu)的宏觀不均勻性以及封接間的尺寸、外形和結(jié)構(gòu)型式等。

1.1、封接件異種材料的膨脹差

　　異種材料的膨脹差應(yīng)包含封接金屬和陶瓷、金屬化層中Mo顆粒與活化劑以及陶瓷體中晶相和玻璃相等之間的膨脹差。膨脹差在異相界面產(chǎn)生應(yīng)力,見式(2)  :

σ應(yīng)= (E/(1-μ) ) SΔαΔT (2)

　　式中, E,μ為陶瓷的彈性模量和泊松此; S為封接面積;Δα為封接金屬和陶瓷的膨脹差;ΔT 為焊料固化和工作點(diǎn)之間的溫度差。

　　為了降低Δα值,因而在陶瓷-金屬封接技術(shù)中,應(yīng)盡可能采用配匹封接,即Δα≤10 %。此外,日本高鹽治男也提出了封接金屬和陶瓷之間最適當(dāng)?shù)呐蛎洸?見式(3)。

- 5 ≤αM - αC ≤10 (3)

　　式中,αM為金屬的膨脹系數(shù),αC為陶瓷的膨脹系數(shù)。應(yīng)該指出:由于陶瓷的抗張和抗壓強(qiáng)度幾乎相差10倍,因而在膨脹差的選擇上,還應(yīng)考慮封接結(jié)構(gòu)的不同而做適當(dāng)調(diào)整。例如,平封和對(duì)封(立封、刀口封)需要較小的膨脹差,而針對(duì)內(nèi)、外套封就不完全一樣,這要根據(jù)具體情況而定。

　　金屬化層中Mo顆粒與活化劑以及陶瓷中晶相與玻璃相之間的膨脹差對(duì)應(yīng)力的影響是至關(guān)重要的,尤其是金屬化層因?yàn)檩^薄(約20μm) ,易引起局部應(yīng)力集中,甚至產(chǎn)生微裂紋和慢性漏氣等缺陷,更應(yīng)引起重視。因而,在金屬化配方進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),必須對(duì)活化劑的膨脹系數(shù)進(jìn)行預(yù)先計(jì)算和測試。由于Mo和活化劑兩者燒結(jié)后是相互交織、相互包裹的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其膨脹系數(shù)的關(guān)系應(yīng)為:

αMo ≤α活化劑≤αAl₂O₃

　　作者經(jīng)過對(duì)各種活化劑膨脹系數(shù)測試數(shù)據(jù)的擬合,根據(jù)活化劑中陽離子場強(qiáng)的基本理論, 見式(4)  :

F=2Z/a² (4)

　　式中, F為活化劑中各種陽離子和氧離子之間的吸引力, Z為陽離子的原子價(jià), a為正負(fù)離子之間的中心間距。提出了直觀、簡單和以質(zhì)量百分比計(jì)算膨脹系數(shù)因子的方法,以供參考,見表1。

表1 　活化劑組分的膨脹系數(shù)因子(25～100℃)

　　測試數(shù)據(jù)表明: F越大,膨脹越小,反之亦然。

1.2、金屬化層顯微結(jié)構(gòu)中宏觀均勻性

　　金屬化層與金屬陶瓷相似,也是一種復(fù)合材料,即由兩種以上不同的原材料組成,使原材料的性能得到充分發(fā)揮,并通過復(fù)合化而得到單一材料所不具備性能的材料。對(duì)于金屬陶瓷的定義雖眾說紛紜,但目前還是比較傾向于下列ASTM ,C-12說法:一種由金屬或合金與一種或多種陶瓷組成的非均質(zhì)的復(fù)合材料,其中后者約占15 %～85 %體積分?jǐn)?shù),同時(shí)在制備的溫度下,金屬和陶瓷相之間的溶解度相當(dāng)小 。可以看出此定義對(duì)金屬化層也是適用的。

　　金屬陶瓷的理想顯微結(jié)構(gòu)是伴隨其不同應(yīng)用而有所差異,但是要獲得最好的機(jī)械性能,最理想的顯微結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一種細(xì)顆粒的陶瓷相均勻分布在金屬粘結(jié)劑基體上的結(jié)構(gòu),這一種結(jié)構(gòu)的幾何學(xué)曾經(jīng)是一些研究工作的課題。金屬化層或者說是陶瓷金屬其顯微結(jié)構(gòu)的要求與金屬陶瓷應(yīng)該是一樣的,所不同的是后者細(xì)顆粒是Mo金屬相,而粘結(jié)劑是玻璃相。這方面,兩者是相通的。