二次金属化工艺技术探索

　　通过对烧结Ni的改进，发现掺杂Ag的复合烧结Ni效果更好。它不会发生电镀Ni造成的Ni层起泡，以及封接强度低的问题;也能避免烧结Ni容易漏气的问题。

　　氧化铝陶瓷机械强度高、硬度大、电绝缘性好、高频损耗小、介电常数适中且真空致密，能够较好地符合电真空陶瓷的各项要求，在应用时需要陶瓷与金属封接。

　　用烧结金属粉末法进行陶瓷-金属封接，不是一步将陶瓷与金属零件焊接于一起，而是先将陶瓷表面进行金属化，通常是以Mo-Mn为主的薄膜，称为一次金属化，再将金属化后的陶瓷与金属零件钎焊，为了使焊料在金属化层上浸润并或形成阻挡层，还要在已烧结的金属化表面上电镀或涂覆一层Ni或Cu，称为二次金属化;随后即可与金属零件钎焊。

　　覆Ni主要采用电镀工艺，但是由于用Mo-Mn法工艺制得的金属化部分表面有玻璃相，电镀后烧氢，容易出现镀层起泡，难以修复。为此需要进行镀前的处理，以确保电镀不出现问题。这需要多步工艺，导致成本增加，生产周期变长。

　　为了提高覆Ni成品率，简化其工艺，缩短生产周期，也有厂家应用二步烧结法工艺，在Mo-Mn层上涂敷Ni粉和有机载体混合而成的Ni膏，并进行二次烧结。烧结Ni工艺有效地避免了Ni层起泡问题。但是它又新出现另一个问题：Ni层不致密，焊接后容易导致气密合格率低。

　　为此我们进行试验，改进烧结Ni工艺，采用复合烧结Ni工艺，取得一些进展。

1、实验工作

　　1.1、材料选择、金属化和钎焊工艺

　　1.1.1、材料

　　本研究使用热压铸成型的95%氧化铝瓷，形状为标准抗拉件，如图1(a)所示。使用前用SS-1化学除油剂清洗的95%氧化铝瓷试样表面，然后用去离子水煮10min，在100℃下烘干。将可伐4J-33车制成Φ16mm×Φ10mm×0.5mm圆环，用SS-1化学除油剂清洗表面，电镀覆Ni(5～10μm)，使用硫酸盐电镀液，电流密度0.5A/dm2。

　　1.1.2、一次金属化

　　本实验中，将Mo、Mn、Al2O3、SiO2、CaO称重，用球磨机混合，金属化配方见表1。将松油醇、乙基纤维素称重，倒入玻璃瓶中，在80℃下搅拌，直至乙基纤维素全部溶解。配制成印刷胶。将金属化粉与印刷胶按粉胶比4∶1，用振动球磨机混合16h，制备成金属化膏。

　　用丝网印刷机将金属化膏，涂覆在陶瓷陶瓷抗拉件Φ16mm表面，保证一次金属化层厚度，烧结后达到22～26μm。印刷完成后烘干，在1450℃湿氢气氛下烧结1h。

　　1.1.3、二次金属化

　　(1)电镀覆Ni(2～4μm)，使用硫酸盐电镀液，电流密度0.5A/dm2。

　　(2)烧结Ni：将Ni粉、印刷胶称重，粉胶比100∶15～20，用高速搅拌机搅拌3～5h，用丝网印刷机印刷;印刷完成后烘干，用氢炉1000～1100℃下烧结，保温15～20min。保证二次金属化层烧结后厚度达到6～8μm。

　　(3)烧结复合Ni：将Ni粉、Ag粉称重，用球磨机混合，复合Ni配方中Ni粉100g，Ag粉5～10g。按粉胶比100∶15～20，将复合Ni粉与印刷胶称量，用高速搅拌机搅拌3～5h，用丝网印刷机印刷，保证二次金属化层烧结后厚度达到6～8μm，印刷完成后烘干，用氢炉1000～1100℃下烧结，保温15～20min。

　　1.1.4、焊接

　　装配陶瓷、焊料、可伐，见图1(b)。用72Ag-28Cu钎焊合金作为焊料。钎焊在氢炉内进行，气氛为湿氢，90min内升温到790℃，指示焊料熔化后，提高10℃，保温2min。

　　1.2、检漏过程

　　用INFICON　VL1000氦质谱检漏仪(德国)检验样品的真空气密性。密封件的一端用真空橡胶垫密封，另一端固定到一个转接口，借助一个中心环和夹具将转接口进一步连接到检漏仪的入口，然后抽真空并喷吹氦到密封件上进行真空检漏。

　　1.3、封接强度测试

　　将焊接后的抗拉件用AG-IC50KN(岛津)电子万能拉力机上进行实验，得到的拉断拉力除以焊接面积就得到封接强度。

　　1.4、断面样品制样

　　文中提到的钎焊各个阶段的断面样品都是垂直于接合界面，用金刚石切割刀切割而成;然后将切好的样品镶嵌在聚苯乙烯中，依次用800#，1400#，2000#磨料研磨，并在研磨轮上用W5号的金刚石研磨膏抛光;最后用乙醇擦拭，并用清水冲干净，用以观察金属化层、焊料。

　　1.5、扫描电镜微观形貌及能谱分析

　　在样品表面沉积一薄层10nm的碳，利用型号为EVO-18的扫描电镜(SEM)分析喷碳后的样品形貌。用型号为BRUKER　123eV 的能谱(EDS)仪，分析样品成分。

3、结论

　　对于95%Al2O3瓷Mo-Mn法金属化，国内覆Ni工艺主要有电镀Ni、烧结Ni工艺，以及最近探索出的烧结复合Ni工艺。

　　(1)电镀Ni用Ag-Cu28与可伐或不锈钢焊接，封接强度低。如果在未处理的Mo-Mn层上电镀Ni，烧氢后容易起泡。但是该方法快捷、成本低，与钼层能吻合覆盖。

　　(2)烧结Ni没有环保问题、烧氢起泡问题，对焊料有一定阻挡作用。但是Ni层不致密，与钼层难以做到吻合覆盖。

　　(3)复合烧结Ni没有环保问题、烧氢起泡问题，Ni层致密，对焊料阻挡作用最好，但是成本高，与钼层难以做到吻合覆盖。