Спосіб металізації алундової кераміки

Спосіб металізації алундової кераміки, що включає попереднє випалювання алундової Спосіб відноситься до технології виготовлення виробів з алундової кераміки і може бути використаний у електронній, електротехнічній, радіотехнічній, мікроелектронній та приладобудівній промисловості Однією ІЗ ОСНОВНИХ фізико-технічних характеристик металізованих виробів з алундової кераміки є міцністна характеристика, тобто адгезія між керамікою і металевим покриттям, яке виконує функцію електрода При підведені високої змінної напруги до електродів керамічного виробу (наприклад, конденсатора), виникають значні пружні коливні навантаження, які можуть призвести до відшарування електродів від кераміки Адгезія взаємозв'язана зі структурою і властивостями границі розподілу (перехідного шару) між керамікою і метал покриттям Тому зменшення адгезії при експлуатації таких алундових виробів може призвести до небажаного погіршення їх функціональних параметрів та параметрів приладів, де вони застосовуються В сучасній промисловості для виготовлення керамічних виробів (наприклад, конденсаторів, радіотехнічних платівок, корпусів для мікросхем, тощо) переважно використовують алундову кераміку різних марок, в тому числі марку ВК-94-1 [1] Для металізації виробів з кераміки ВК-94-1 в промисловому виробництві в основному використовують пасти марок ПП-3 і ПП-4 [2] Ці пасти забезпечують достатню адгезію, високу електропровідність та суцільність металопокриття Але до недоліків можна віднести наступний фактор впалювання металопокриття проводять кераміки у відновлювальному середовищі, нанесення шару металізуючої пасти, впалювання металізуючого шару в кераміку, який відрізняється тим, що перед нанесенням шару металізуючої пасти алундову кераміку попередньо термообробляють у дрібнодисперсному порошку оксиду марганцю МП3О4 при температурі 10701100°С протягом 15-20 годин, після чого кераміку металізують стандартним способом при досить високій температурі (825 - 850°С), внаслідок чого при охолодженні на границі "кераміка-металопокриття" в перехідному шарі утворюються мікротріщини Це спричиняється тим, що кераміка і металопокриття мають різні коефіцієнті ЛІНІЙНОГО теплового розширення (КЛТР), що й призводить до зниження адгезії між керамікою і металопокриттям Відомий спосіб металізації, який включає операцію нанесення на поверхню кераміки сплаву алюмінію з кремнієм (силуміну), в який додатково вводиться біля 30% германію, з впалюванням далі суміші в розтопленому стані в кераміку при температурі 450 - 500°С [3] Металізація в такий спосіб дозволяє підвищити адгезію між керамікою і електродом до 50% До недоліків цього способу можна віднести недостатню когезію металопокриття (по аналогії з адгезією, це міцністна характеристика самого металопокриття), токсичність використовуваного сплаву, а також недостатню електропровідність металізуючого сплаву Крім того, цей сплав має високу ступінь розтріскування в процесі охолодження виробів після впалювання металопокриття Це пов'язано з тим, що в своєму складі цей сплав має крихкі інгредієнти - германій та кремній Найбільш близьким до пропонованого способу за технічною суттю та результатами, що досягаються, є спосіб металізації керамічних матеріалів, який включає операцію попереднього перед металізацією випалювання кераміки при температурі 650 - 800°С у відновлювальному 00 ю (О 00 48658 середовищі (азоті, водні) і операцію нанесення паладієвої пасти (замість срібної") на напіввідпалену кераміку (прототип) [4] Цей спосіб забезпечує високу МІЦНІСТЬ адгезії, але не дозволяє одержати суцільність металопокриття, що суттєвим чином знижує електродинамічні параметри керамічних виробів (наприклад, конденсаторів) Пов'язано це з тим, що з однієї сторони а) Температура кінцевого впалювання паладієвої пасти надто висока (~ 1400°С), б) При спіканні кераміка ущільнюється, а з другої сторони, КЛТР кераміки і металопокриття має велику різницю Це і є причинами відшарування металевої плівки і и розтріскування За основу пропонованого винаходу взято задачу підвищення адгезії між керамікою і металопокриттям при використанні промислової алундової кераміки марки BK-94-li металізуючої пасти ПП-4 Поставлена задача вирішується наступним чином в способі металізації алундової кераміки , що включає технологічну операцію попереднього випалювання кераміки у відновлювальному середовищі, операцію нанесення шару металізуючої пасти, операцію впалювання металізуючого шару в кераміку, згідно винаходу, перед металізацією алундову кераміку попередньо термообробляють в дрібнодисперсному порошку оксиду марганцю (МП3О4) при температурі 1070 1100°С на протязі 1 5 - 2 0 годин При високій температурі іони Мп 3+ і Мп 2+ дифундують у приповерхневий шар кераміки на глибину 5 15цкМ, внаслідок чого утворюється додатковий рельєф поверхні (шершавість) за рахунок підтравлення поверхні кераміки іонами марганцю і, як наслідок, й що сприяє підвищенню адгезії між керамікою і металопокриттям Після термообробки кераміки в порошку оксиду марганцю, на поверхню кераміки наносять металізуючу пасту ПП-4, і далі впалюють це металопокриття в поверхню кераміки при температурі 825 - 850°С стандартним методом ВІДМІННИМИ ознаками пропонованого способу є те, що перед металізацією вироби з алундової кераміки попередньо термообробляють в дрібнодисперсному порошку оксиду марганцю (МП3О4) при температурі 1070 - 1100°С на протязі 15-20 годин Спосіб реалізується наступним чином Беруть зразок алундової кераміки ВК-94-1 [1] у вигляді платівки розміром 60x24x2 Перед термообробкою в керамічний тигель насипають розтертий порошок оксиду марганцю, ретельно його втрамбовують, потім занурюють платівку кераміки в порошок так, щоб половина платівки знаходилась над його поверхнею Далі тигель розміщують в камері електропечі і нагрівають до температури 1100°С з швидкістю 300 - 400°С/год Витримують зразок при цій температурі протягом 15 годин Режими термообробки подано в таблиці 1 (дивись колонку 2) Після термообробки піч виключають і вона вільно охолоджується до температури оточуючого середовища Після термообробки платівки в порошку МпзСч та в середовищі повітря на леговану і нелеговану поверхні зразка наносять пасту ПП-4 через трафаретну маску у вигляді однакових площадок і далі проводять впалення пасти в поверхню кераміки стандартним способом [2] Величина металізованих площадок однакова і складає ~ 0,85мм2 кожна Металізацію нелегованої частини зразка проводять з метою одержання більш достовірних результатів вимірювань адгезії між керамікою і металопокриттям (див табл 2) Виміри адгезії проведені на розривній машині РМ3-1 [5] Результати вимірів адгезії приведені в табл 1 (див колонки 5 - 6 ) Із табл 1 видно, що найвищі значення адгезії при термообробці алундового зразка в порошку МпзСч досягаються при температурних режимах в межах 1070 1100°С на протязі 15-20 годин (див рядки 4, 5, 7 10) Зниження адгезії при збільшенні часу термообробки пояснюється зниженням когезії в приповерхневому шарі кераміки Для порівняння в табл 2 приведено результати адгезійної МІЦНОСТІ зразка № 5 (див табл 1) після статистичної обробки результатів вимірів по методиці [6] Таким чином, найвищі результати по підвищенню адгезії за пропонованим способом досягають до 100% Джерела інформації 1 Кераміка для мікроелектроніки марки ВК 941 (ТХО 487 002 ТУ), в/о "Ферокерам"), м Біла Церква, 1980 р 2 Паста ПП-4 (ЕТО 032 508 ТУ) Технологический процесе изготовления пассивной части толстопленочной микросборки (8 ИО 2201 0001), НПО "Электроприбор", Киев, 1990 г, 178 стр 3 А с СССР №1 121 252, кл С 04В41/81.1982 г 4 АС СССР № 1 379 296, кл С 04В41/81.1988 г (прототип) 5 Разрывная машина типа РМ-3-1 (ТУ 25 061050-72) Техническое описание и инструкция по эксплуатации, г Иваново, ЗИП, 1972, 30 стр 6 Зайдель Н А Элементарные оценки ошибок измерений Ленинград, «Наука» Таблиця 1 Спосіб металізації алундової кераміки Адгезія Р, кГс/см Температура Час КІЛЬКІСТЬ Кераміка Кераміка № зразка термообробки термообробки вимірів п термоооброблена в випалена в годин °С ПОРОШКУ МП3О4 повітрі 1 1 2 2 1050 1070 3 15 15 4 15 15 Збільшення адгезії % 5 6 7 80 55,3 58,9 44,66 71,04 100 48658 Продовження таблиці 1 Спосіб металізації алундової кераміки Температура Час № зразка термообробки термообробки °С годин 1080 1090 1100 1110 1070 1080 1090 1100 1100 1110 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 15 15 15 10 20 20 20 20 ЗО 20 КІЛЬКІСТЬ вимірів п Адгезія Р, кГс/см^ Кераміка Кераміка термоооброблена в випалена в ПОрОШКу МП3О4 15 12 13 15 15 15 10 15 15 15 105 109 120 115,4 112,4 114,4 119,3 119,3 112,1 115,6 повітрі 59,3 59,5 60,0 59,3 56,2 58,2 59,3 59,1 58,9 59,9 Збільшення адгезії % 77,25 83,34 100,00 96,29 100,00 96,56 96,80 98,15 90,00 92,90 Примітка величини адгезії в зразках вирахувані з довірчою ймовірністю а = 0,68 Таблиця 2 Спосіб металізації алундової кераміки (зразок №5) № виміру 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Сила відриву F,l~c 2 Площа площадки S, мм 3 Адгезійна Середньостатистична величина адгезії, обчислена по [6] Р, КГс/см 2 МІЦНІСТЬ Р, кГс/см 4 2 5 Поверхня кераміки термооброблена в порошку МпзСч, час обробки - 20 год , T06D = 1 1 0 0 ° С 2 3 4 5 620 00,85 72,9 1 КІЛЬКІСТЬ вимірів п = 20, 700 83,4 2 Середньоарифметична адгезійна 1700 200,0 МІЦНІСТЬ р = 119,00кГс/см 2 , 110 12,9 3 Середньоквадратична похибка одиничного результату an = 63,8, 1220 143,5 4 Середньостатистична величина 215 25,3 адгезії Р=120(± 81)кГс/см 2 , 1760 207,1 1480 174,1 9 1640 192,9 10 11 320 470 37,6 55,3 12 1360 160,0 13 930 109,4 14 15 380 1700 44,4 200,0 16 17 18 19 530 1910 1750 180 0,85 0,85 -ь 62,4 224,7 205,9 21,2 1250 -ь 147,1 20 1 1 2 3 4 5 6 Поверхня кераміки термооброблена на повітрі, 2 3 4 1480 0,85 174,1 215 25,3 -= 120 14,1 -= 180 0,85 21,2 1700 0,85 200,0 475 55,9 -= 7 160 8 420 -= -5 18,8 49,4 Примітка довірча ймовірність - a = 0,68 час обробки - 20 год , ТОбр = 100°С 5 1 КІЛЬКІСТЬ вимірів п = 13, 2 Середньо арифметична адгезійна 3 Середньоквадратична похибка одиничного результату an= 60,5, Середньостатистична величина адгезії Р = 60(± 66)кГс/см 2 МІЦНІСТЬ р = 60,90кГс/см 2 , 4 8 48658 Продовження таблиці 2 1 9 10 11 12 2 515 335 180 790 13 160 3 0,85 0,85 -= -= -5 4 60,6 39,4 21,2 92,9 5 Примітка довірча ймовірність а = 0,68 18,8 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71