Procédés de métallisation pour différents matériaux céramiques
Les matériaux métalliques ont une bonne plasticité, ductilité, conductivité et conductivité thermique, tandis quematériaux céramiquesont une résistance à haute température, une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion, une dureté élevée et une isolation élevée, et ils ont chacun leur propre large gamme d'applications. La métallisation céramique, inventée par les chimistes américains Charles W. Wood et Albert D. Wilson au début du XXe siècle, associe les deux matériaux pour obtenir des performances complémentaires. Ils ont commencé à rechercher des méthodes d'application de revêtements métalliques sur des surfaces céramiques en 1903 et ont obtenu un brevet pour la technologie en 1905. Cette technologie a ensuite été largement utilisée dans la production industrielle pour fabriquer des produits céramiques à l'aspect et aux propriétés métalliques, tels que la céramique résistante à la chaleur et l'électronique. dispositifs.
La métallisation céramique fait référence au fait de faire adhérer fermement une fine couche de film métallique à la surface céramique pour réaliser le soudage entre la céramique et le métal. Il existe différents procédés de métallisation de la céramique, notamment la méthode au molybdène-manganèse, la méthode de placage à l'or, la méthode de placage au cuivre, la méthode de placage à l'étain, la méthode de placage au nickel et la méthode LAP (placage assisté par laser). Les céramiques métallisées courantes comprennent les céramiques d'oxyde de béryllium,céramique d'alumine,céramique de nitrure d'aluminium, etcéramique de nitrure de silicium.Étant donné que la structure de surface de différents matériaux céramiques est différente, différents procédés de métallisation conviennent à la métallisation de différents matériaux céramiques.
1. BeO Céramique
La méthode de métallisation la plus couramment utilisée pour les céramiques BeO est la méthode molybdène-manganèse. Cette méthode consiste à enduire une surface céramique d'un mélange pâteux de poudres métalliques pures (Mo, Mn) et d'un oxyde métallique, puis à le chauffer à haute température dans un four pour former une couche métallique. L'ajout de 10% à 25% de Mn à la poudre de Mo consiste à améliorer la liaison entre le revêtement métallique et la céramique.
La principale méthode de métallisation des céramiques Al2O3 est laMéthode Direct Bonded Copper (DBC), qui permet une connexion directe entre la feuille de cuivre et la céramique Al2O3 sans avoir besoin de matériaux supplémentaires. Le processus consiste à recouvrir la surface de la céramique Al2O3 avec une feuille de cuivre traitée, à introduire un gaz inerte avec une certaine teneur en oxygène, puis à le chauffer. Au cours de ce processus, la surface du cuivre est oxydée et lorsque la température atteint la plage de phase liquide eutectique, la céramique Al2O3 et le cuivre produisent une phase liquide eutectique qui mouille les deux matériaux et complète la connexion initiale. Pendant le refroidissement, la phase liquide eutectique précipite Cu et Cu2O, qui existent à l'interface pour réaliser une connexion étanche.
Actuellement, les principales méthodes utilisées pour les céramiques AlN sont le DBC et le brasage actif par métal (AMB).
La méthode de cuivrage direct pour les céramiques AlN est similaire à celle des céramiques Al2O3 mais avec quelques différences. En effet, l'AIN est une céramique non oxyde et la phase liquide eutectique s'étale mal à sa surface, rendant le collage direct impossible. Par conséquent, il doit être pré-oxydé à environ 1200℃, et une couche d'oxyde d'environ 1-2mm sera généré à la surface de la céramique AIN après oxydation. La céramique AlN pré-oxydée et le cuivre sont ensuite connectés dans la plage de température où la phase liquide eutectique existe pour compléter la préparation de la plaque de cuivre revêtue d'AlN.
Une autre méthode couramment utilisée est l'AMB, qui relie la céramique AlN et la feuille de cuivre à des matériaux de remplissage de brasage en métal actif, le système Ag-Cu-Ti étant le plus couramment utilisé. Ti dans le matériau d'apport de brasage est un métal actif, représentant environ 1 à 5 % de la proportion en masse, tandis que Cu représente environ 28 % et Ag représente environ 67 à 71 %. Le problème de la connexion de la céramique AIN et de la feuille de cuivre par brasage au métal actif est qu'il reste beaucoup de contraintes internes dans la structure formée, ce qui peut entraîner des problèmes de fiabilité dans les applications pratiques. Par conséquent, dans le processus de conception de la composition du matériau de charge de brasage, en plus des particules métalliques Ag, Cu et Ti, certaines charges qui peuvent réduire l'inadéquation thermique doivent être ajoutées. Actuellement, les charges couramment utilisées comprennent principalement SiC, Mo, TiN, Si3N4 et Al2O3.
Les céramiques Si3N4 sont généralement connectées au cuivre à l'aide d'un brasage actif par métal (AMB). La raison pour laquelle le revêtement de cuivre direct ne peut pas être utilisé pour la métallisation de surface deCéramique Si3N4est qu'une couche d'oxyde ne peut pas être directement générée sur la surface de la céramique Si3N4. Semblable à AlN, Si3N4 est également un nitrure, qui peut réagir chimiquement avec certains métaux actifs (Ti, Cr, V) pour générer des nitrures continus dans la couche d'interface, réalisant ainsi la connexion entre la céramique Si3N4 et les matériaux de brasage métallique. Le matériau de brasage métallique le plus couramment utilisé est le système Ag-Cu-Ti, mais la ligne de phase liquide de ces matériaux de brasage est inférieure à 1200 K et leur résistance à l'oxydation est médiocre. La température d'utilisation après brasage ne doit pas dépasser 755 K.
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