Metallisierungsprozesse für verschiedene keramische Materialien
Metallmaterialien weisen eine gute Plastizität, Duktilität, Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufkeramische Materialienzeichnen sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Härte und hohe Isolierung aus und haben jeweils ihr eigenes breites Anwendungsspektrum. Die keramische Metallisierung, die Anfang des 20. Jahrhunderts von den amerikanischen Chemikern Charles W. Wood und Albert D. Wilson erfunden wurde, kombiniert die beiden Materialien, um eine komplementäre Leistung zu erzielen. Sie begannen 1903 mit der Erforschung von Methoden zum Aufbringen von Metallbeschichtungen auf Keramikoberflächen und erhielten 1905 ein Patent für die Technologie. Diese Technologie wurde anschließend in der industriellen Produktion weit verbreitet zur Herstellung von Keramikprodukten mit metallischem Aussehen und metallischen Eigenschaften eingesetzt, beispielsweise hitzebeständige Keramik und Elektronik Geräte.
Unter Keramikmetallisierung versteht man das feste Anhaften einer dünnen Metallfilmschicht an der Keramikoberfläche, um eine Verschweißung zwischen Keramik und Metall zu erreichen. Es gibt verschiedene keramische Metallisierungsverfahren, darunter das Molybdän-Mangan-Verfahren, das Vergoldungsverfahren, das Verkupferungsverfahren, das Verzinnungsverfahren, das Vernickelungsverfahren und das LAP-Verfahren (laserunterstützte Beschichtung). Zu den gängigen metallisierten Keramiken gehören Berylliumoxidkeramiken,Aluminiumoxidkeramik,Aluminiumnitrid-Keramik, UndSiliziumnitridkeramik.Da die Oberflächenstruktur verschiedener Keramikmaterialien unterschiedlich ist, eignen sich zur Metallisierung unterschiedlicher Keramikmaterialien unterschiedliche Metallisierungsverfahren.
1.BeO-Keramik
Die am häufigsten verwendete Metallisierungsmethode für BeO-Keramik ist die Molybdän-Mangan-Methode. Bei dieser Methode wird eine Keramikoberfläche mit einer Pastenmischung aus reinen Metallpulvern (Mo, Mn) und einem Metalloxid beschichtet und anschließend in einem Ofen auf hohe Temperatur erhitzt, um eine Metallschicht zu bilden. Durch die Zugabe von 10 bis 25 % Mn zum Mo-Pulver soll die Bindung zwischen der Metallbeschichtung und der Keramik verbessert werden.
Die Hauptmetallisierungsmethode für Al2O3-Keramik ist dieDirect Bonded Copper-Methode (DBC), die eine direkte Verbindung zwischen Kupferfolie und Al2O3-Keramik ermöglicht, ohne dass zusätzliche Materialien erforderlich sind. Dabei wird die Oberfläche der Al2O3-Keramik mit behandelter Kupferfolie abgedeckt, ein Inertgas mit einem bestimmten Sauerstoffgehalt eingeleitet und anschließend erhitzt. Während dieses Prozesses wird die Kupferoberfläche oxidiert, und wenn die Temperatur den Bereich der eutektischen Flüssigphase erreicht, erzeugen die Al2O3-Keramik und das Kupfer eine eutektische Flüssigphase, die beide Materialien benetzt und die anfängliche Verbindung vervollständigt. Beim Abkühlen scheidet die eutektische Flüssigphase Cu und Cu2O aus, die an der Grenzfläche vorhanden sind, um eine dichte Verbindung zu erreichen.
Derzeit werden für AlN-Keramiken vor allem DBC und Active Metal Brazing (AMB) verwendet.
Die direkte Verkupferungsmethode für AlN-Keramik ähnelt der für Al2O3-Keramik, weist jedoch einige Unterschiede auf. Dies liegt daran, dass AlN eine nichtoxidische Keramik ist und sich die eutektische Flüssigphase nur schlecht auf der Oberfläche ausbreitet, was eine direkte Verbindung unmöglich macht. Daher muss es bei etwa 1200 voroxidiert werden℃und eine Oxidschicht von etwa 1-2Mm wird nach der Oxidation auf der Oberfläche der AlN-Keramik erzeugt. Die voroxidierte AlN-Keramik und das Kupfer werden dann in dem Temperaturbereich verbunden, in dem die eutektische Flüssigphase vorliegt, um die Vorbereitung der AlN-beschichteten Kupferplatine abzuschließen.
Eine weitere häufig verwendete Methode ist AMB, bei der die AlN-Keramik und die Kupferfolie mit Aktivmetall-Lötfüllmaterialien verbunden werden, wobei das Ag-Cu-Ti-System am häufigsten verwendet wird. Ti im Lotfüllmaterial ist ein Aktivmetall und macht etwa 1–5 % des Massenanteils aus, während Cu etwa 28 % und Ag etwa 67–71 % ausmachen. Das Problem bei der Verbindung von AlN-Keramik und Kupferfolie durch aktives Metalllöten besteht darin, dass in der geformten Struktur große innere Spannungen zurückbleiben, was in praktischen Anwendungen zu Zuverlässigkeitsproblemen führen kann. Daher müssen im Designprozess der Lötfüllstoffzusammensetzung zusätzlich zu den Metallpartikeln Ag, Cu und Ti einige Füllstoffe hinzugefügt werden, die die thermische Fehlanpassung reduzieren können. Zu den derzeit am häufigsten verwendeten Füllstoffen gehören hauptsächlich SiC, Mo, TiN, Si3N4 und Al2O3.
Si3N4-Keramiken werden im Allgemeinen mittels Active Metal Brazing (AMB) mit Kupfer verbunden. Der Grund, warum eine direkte Kupferbeschichtung nicht zur Oberflächenmetallisierung von verwendet werden kannSi3N4-Keramikliegt darin, dass eine Oxidschicht nicht direkt auf der Oberfläche von Si3N4-Keramik erzeugt werden kann. Ähnlich wie AlN ist auch Si3N4 ein Nitrid, das mit einigen aktiven Metallen (Ti, Cr, V) chemisch reagieren kann, um kontinuierliche Nitride in der Grenzflächenschicht zu erzeugen und so die Verbindung zwischen Si3N4-Keramik und Metalllotmaterialien herzustellen. Das am häufigsten verwendete Metalllot ist das Ag-Cu-Ti-System, aber die Flüssigphasenlinie dieser Lotmaterialien liegt unter 1200 K und ihre Oxidationsbeständigkeit ist schlecht. Die Einsatztemperatur nach dem Löten sollte nicht höher als 755 K sein.
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