专利名称：一种氮化铝陶瓷的表面金属化方法
一种氮化铝陶瓷的表面金属化方法技术领域
本发明属于陶瓷材料领域，特别涉及到一种微波真空电子器件制造中氮化铝陶瓷的表面金属化方法。
背景技术：
众所周知，氮化铝陶瓷热导率是氧化铝陶瓷的7 8倍，其机械强度和介电强度均优于氧化铝陶瓷，介电性能和氧化铝陶瓷相近；同时由于它又具有接近于氧化铍陶瓷的高热导率却并没有氧化铍陶瓷的毒副作用，因此在使用的过程中，它已成为理想的氧化铝和氧化铍陶瓷的替代品。氮化铝陶瓷在电力电子器件、汽车工业、微波真空器件等领域有着重要应用。
作为微波真空器件制造不可缺少的关键材料之一，陶瓷材料在微波真空器件中主要用作微波输能窗、收集极部件以及夹持杆等绝缘支撑部件。上述陶瓷零部件通常需要与金属部件连接形成陶瓷-金属封接件(统称为瓷封件)。为了封接，就需要对氮化铝陶瓷表面的局部区域进行金属化，然后通过钎焊与金属零件连接为一体。微波真空器件用陶瓷金属化技术有自己独特的要求。首先微波真空器件用瓷封件通常使用银、铜焊料或其合金焊料、金铜、金镍等焊料钎焊，焊接温度高；此外瓷封件在装配到电子器件过程中往往要经过多次焊接工序，并且要经受长时间的真空排气热烘烤，而且在微波真空器件工作状态下，瓷封件还要承受冷热和机械冲击，为了保证微波真空器件有足够的寿命和高的可靠性，必须要求瓷封件封口部位有较高的焊接强度，通常还必须同时保证真空气密性。这就要求用于瓷封件焊接的金属化陶瓷上的金属化层与基底陶瓷有较强的结合强度，以保证瓷封件上的焊接强度和可靠性。为此，本发明针对微波真空器件制造，而对高结合强度和气密瓷封件的特殊要求，提出了一种高强气密性的氮化铝陶瓷表面金属化方法。
由于氮化铝陶瓷除具有优良的导热和电性能之外还具有与硅匹配的膨胀系数，是理想的集成电子封装材料。因此国内有关氮化铝陶瓷的金属化技术的相关报道已经十分广泛，其中，所查阅到的专利多数是针对集成电路基板应用，主要涉及氮化铝陶瓷表面覆铜金属化技术和覆W、Mo金属化技术。专利CN201681922报道了一种在氮化铝表面形成W或 Mo金属化层的技术；专利CN101962760A报道了一种通过化学镀方法在氮化铝陶瓷表面形成Cu金属层的方法；CN101445386A和CN102208371A涉及到通过在氮化铝和Cu层之间形成Cu-O共晶层，从而在氮化铝陶瓷表面形成Cu金属化层的方法，后者还涉及到利用Ti改性层获得覆铜氮化铝基板的工艺。但是上述方法只适合平面金属化，而且金属化层与基板结合强度较低，故上述所报道的氮化铝陶瓷的金属化方法不适合在微波真空电子器件中使用。
在大量实践中得知，氮化铝陶瓷的金属化比其他氧化物如氧化铝和氧化铍陶瓷的金属化更困难。首先，氮化铝陶瓷属共价键结合，化学反应活性低，很难与其它物资发生化学反应而相互结合。另外氮化铝陶瓷热膨胀系数比较低，与金属化层或金属结合过程中应力较大；此外，氮化铝陶瓷晶粒尺寸较小(通常约5微米)，而且几乎没有玻璃相存在，只有少量晶界第二相存在于晶界或三晶交汇处。基于上述原因，本发明开创性的提出了一种氮化铝陶瓷表面的多层金属膜复合金属化工艺，利用不同金属膜层的各自的不同特性达到增强与氮化铝陶瓷基底结合力并缓解结合应力的这样一种效果，从而获得高强气密的金属化层；此外，在开发了这种表面金属化方法的同时，还专门针对氮化铝陶瓷的结构特点，提出了一种适合于氮化铝陶瓷的高温金属化工艺，该工艺流程部分将作为本专利申请的姐妹篇于另案处理。发明内容
本发明需要解决的技术问题是，针对在微波真空电子器件制造中，用于焊接的金属化层与基底陶瓷之间需要有较高的结合强度和气密性，为此创新地研究一种陶瓷的表面金属化方法，本发明的目的，在于提供一种氮化铝陶瓷的表面金属化方法，它是涉及一种氮化铝陶瓷表面多层金属膜金属化的方法。
在表述本发明所采用的技术方案之前，先将其理论基础作一简单介绍。在氮化铝陶瓷表面通过磁控溅射、电镀或化学镀等薄膜形成工艺，将会在氮化铝陶瓷表面依次形成三层不同的金属薄膜。本发明的特点在于第一层是选自Ti、^ 或Ta活性金属中的任意一种，利用活性金属的高反应活性与氮化铝陶瓷基底形成牢固结合；第二层金属膜可以是Cu 或Au等延展性好的金属，也可以是W、Mo等低膨胀系数耐热金属，或W-Cu、Mo-Cu合金，也可以是Ni、Ta或^ ，第二层膜主要用于保护第一层膜不被氧化，或缓解金属化层与氮化铝陶瓷基底之间的结合应力；第三层金属可以是Ni、Au或Cu中的任意一种，用于增加或改善钎焊时焊料在金属化层表面的润湿和流散性。本发明的特点在于依据本发明的多层金属膜金属化技术，可以获得较高的金属化结合强度并确保真空气密性。采用本发明获得的氮化铝瓷封件的漏气速率Q ( IO-10Pa. m3/s,封接抗拉强度达到SOMPa以上，其中抗拉强度测试参照图1所示的组合抗拉结构测试图进行。本发明的另一特点在于依据本发明的金属化技术，不但可以应用于氮化铝陶瓷，还可以应用于金刚石、CVDBN、单晶Ge以及蓝宝石材料的表面金属化。
本发明是依靠下述技术方案来实现的，一种氮化铝陶瓷的表面金属化方法，其特征在于，按照以下工艺步骤进行操作，
a.陶瓷表面清洗；
b.在干燥炉内(100 150) °C环境下烘干4 4. 5小时；
c.继续烘烤，在150°C下，烘烤15分钟；
d.按薄膜形成工艺，采用Ti、^ 或Ta，形成第一层金属膜，厚度为1000 6000A;
e.采用Cu、Au、或W、Mo、Ni、Ta、Zr，或W-Cu、Mo-Cu合金形成第二层金属膜，厚度为2000 8000A;
f.采用Ni、Au或Cu形成第三层金属膜，厚度为1 5μπι;
上述第一、第二层膜优选采用磁控溅射镀膜法，第三层膜优选采用电镀或化学镀方法形成。
在金属化后，钎焊前，可以预先对金属化层进行700-900°C的热处理，然后进行钎焊。
本发明的有益效果是，多层金属膜金属化方法可以获得与陶瓷基底有较强的结合力，确保瓷封件上的焊接强度和可靠性，以满足微波真空电子器件的特殊要求。
图1为抗拉强度测试组件示意图2为本发明氮化铝陶瓷的表面金属化方法流程图。
具体实施方式
参照图1，表示抗拉强度测试组件示意图，图中1为95A1203陶瓷标准抗拉件，2为 Cu片，中间部分为氮化铝陶瓷片3。参照图2，表示本发明氮化铝陶瓷的表面金属化方法流程图。按照该流程操作步骤，给出以下实施例，
按照表所示的金属化膜层顺序，通过磁控溅射镀膜和电镀方法在氮化铝陶瓷片表面形成多层复合金属化膜，然后按照图1结构，利用Ag-CU焊料在高温真空炉中焊接形成组合抗拉结构件。用氦质谱检漏仪检验组合抗拉件的漏气速率，并按照中华人民共和国电子行业标准SJ/T33^-2001的方法、以及中华人民共和国电子行业SJ/T11M6-2001方法的规定，测试组合抗拉件的抗拉强度。
权利要求
1.一种氮化铝陶瓷的表面金属化方法，其特征在于，按照以下工艺步骤进行操作，a.陶瓷表面清洗；b.在干燥炉内(100 150)°C环境下烘干4 4. 5小时；c.继续烘烤，在150°C下，烘烤15分钟；d.按薄膜形成工艺，采用Ti、a 或Ta，形成第一层金属膜，厚度为1000 6000A;e.采用Cu、Au、或W、Mo、Ni、Ta、Zr，或W_Cu、Mo-Cu合金形成第二层金属膜，厚度为2000 8000A;f.采用Ni、Au或Cu形成第三层金属膜，厚度为1 5μπι。
2.按照权利要求1所述的氮化铝陶瓷的表面金属化方法，其特征在于，所述第一、第二层膜优选采用磁控溅射镀膜法，第三层膜优选采用电镀或化学镀方法形成。
3.按照权利要求1所述的氮化铝陶瓷的表面金属化方法，其特征在于，可以预先对金属化层进行700-900°C的热处理，然后进行钎焊。
全文摘要
一种氮化铝陶瓷的表面金属化方法，属于陶瓷材料领域，按照以下工艺步骤进行操作，陶瓷表面清洗；在干燥炉内(100～150)℃环境下烘干4～4.5小时；继续烘烤，在150℃下，烘烤15分钟；按薄膜形成工艺，采用Ti、Zr或Ta，形成第一层金属膜，厚度为采用Cu、Au、或W、Mo、Ni、Ta、Zr，或W-Cu、Mo-Cu合金形成第二层金属膜，厚度为采用Ni、Au或Cu形成第三层金属膜，厚度为1～5μm；氮化铝陶瓷的表面金属化方法，第一、第二层膜优选采用磁控溅射镀膜法，第三层膜优选采用电镀或化学镀方法形成。多层金属膜金属化方法可以获得与陶瓷基底有较强的结合力，确保瓷封件上的焊接强度和可靠性。
文档编号C04B41/89GK102515874SQ201110441059
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者刘征, 杜斌, 杨华猛, 杨艳玲, 鲁燕萍 申请人:中国电子科技集团公司第十二研究所