一种用于钎焊的氧化铝陶瓷金属化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于氧化铝陶瓷与金属异质钎焊领域，具体涉及间接钎焊法中氧化铝陶瓷金属化的方法。
【背景技术】
[0002]普通氧化铝陶瓷(Al2O3质量分数为90%?99.8% )具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及绝缘强度高、介质损耗低和电性能稳定等优良的电气性能，已被广泛用作电真空器件材料。高纯度氧化铝陶瓷(Al2O3质量分数大于99.8%)以优异的机械，光学性能，如高硬度，高透过率，现已广泛用于LED半导体衬底材料，手表表盘、航空、航天、精密制造窗口材料。然而，氧化铝陶瓷固有的硬性和脆性使其难以加工和制造，需将其与金属通过钎焊连接起来使用才能充分发挥其优异性能。由于陶瓷与金属的物理、化学、机械性能差异较大(如热膨胀系数，化学键，弹性模量)，陶瓷与金属的钎焊连接困难。目前氧化铝陶瓷与金属的钎焊连接包括直接钎焊法和间接钎焊法。直接钎焊法是在钎料中加入T1、Zr、Hf等活性元素获得活性钎料，以提高钎料高温下在陶瓷表面的润湿性，直接实现氧化铝陶瓷与金属的钎焊连接。此种方法工艺简单，但在钎焊时钎料中的活性元素容易与其它金属形成脆性的金属间化合物，导致钎焊强度不稳定，钎缝容易开裂。间接钎焊法是先对氧化铝陶瓷进行金属化，即在其表面形成一层致密、牢固的金属化层，使其与钎料之间的润湿良好，然后采用普通钎料和钎焊工艺实现与金属的钎焊连接。间接钎焊法中，氧化铝陶瓷金属化层的质量直接决定了钎焊接头的结合强度。
[0003]现有氧化铝陶瓷金属化常用方法为烧结粉末金属法，Mo-Mn法是烧结粉末金属法中使用最广泛的一种。Mo-Mn法是在还原性气氛中在氧化铝陶瓷表面烧结一层含Mo-Mn的金属化层，使陶瓷表面带有金属性质。工艺步骤主要包括陶瓷表面处理、金属膏剂化、配制与涂膏、高温烧结、镀镍、镀镍后回火等工序。此工艺中不同氧化铝含量的陶瓷要选用相应的金属化膏剂才能保证金属化层与氧化铝陶瓷的结合强度，达到最佳的金属化效果，并且膏剂的配方复杂，增加了工艺难度。由于一般钎料(如Ag-Cu钎料)对陶瓷金属化层的润湿性还达不到钎焊要求从而影响钎焊效果，因此通常需要在Mo-Mn金属化层上再电镀一层镍来增加钎料对金属化层的润湿性，而镀镍后的陶瓷需要在氢气炉中100tC下烧结。这就造成整个工艺需要涂膏和镀镍两次金属化，两次高温烧结，增加工序的同时大大增加了金属化的成本。另一方面，该方法的机理是:高温烧结过程中，通过金属膏剂和氧化铝陶瓷中玻璃相之间的相互扩散、迀移来实现金属化层与氧化铝陶瓷的牢固结合。由于高纯氧化铝陶瓷中玻璃相的含量很少，甚至没有玻璃相(如蓝宝石)，因此该方法对高纯氧化铝陶瓷(Al2O3质量分数大于99.8%)的金属化效果很差。并且，由于玻璃相的熔点较高，该金属化方法需要在很高的温度(通常大于1500°C )下使玻璃相熔化，这对设备要求较高，成本高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于钎焊的氧化铝陶瓷金属化的新方法，以简化工艺，降低金属化成本，并提高高纯氧化铝陶瓷的金属化效果。
[0005]本发明所述用于钎焊的氧化铝陶瓷金属化方法，工艺步骤如下:
[0006](I)将氧化铝陶瓷用清洁剂进行清洗去除表面粘附的油污，然后在1000?1200°C保温烧结50?70min，除去可挥发的有机物和水分；
[0007](2)将步骤(I)烧结后的氧化铝陶瓷用铝箔覆盖表面不需沉积金属层的部位，然后采用真空磁控溅射、真空蒸镀或离子镀的方法在氧化铝陶瓷未覆盖铝箔部位的表面依次沉积T1、Zr或Hf金属层，Mo或Cr金属层，Ni或Cu金属层，得到沉积金属层的氧化招陶瓷；
[0008](3)将步骤(2)得到的沉积了金属层的氧化铝陶瓷置于真空烧结炉中并对真空烧结炉抽真空，当炉内真空度达到4X10 3Pa时开始加热，将炉内温度升至430?480°C并在该温度下保温20?40min，然后再升温至900?1200°C保温20?60min，保温结束后随炉冷却至室温即完成氧化铝陶瓷的金属化，在上述升温和保温过程中保持炉内真空度高于6X10 3Pa0
[0009]上述方法的步骤(2)中，控制T1、Zr或Hf金属层的厚度为0.2?0.9 μm，Mo或Cr金属层的厚度为I?2.5 μ m，Ni或Cu金属层的厚度为2?4.5 μ m。
[0010]上述方法的步骤(I)中，所述清洁剂由NaOH和双氧水组成，NaOH的质量与双氧水的体积之比为2.5:100，NaOH的质量单位为g，双氧水的体积单位为mL ;清洗时，先将氧化铝陶瓷放入清洁剂中清洗1min?30min，再用去离子水漂洗去除清洁剂。
[0011]上述方法中，所述氧化铝陶瓷为Al2O3质量百分数90%?99.8%的多晶陶瓷或Al2O3质量百分数大于99.8%的高纯单晶陶瓷。
[0012]本发明所述方法的机理:真空高温烧结过程中，与氧化铝陶瓷直接接触的金属层活性元素T1、Zr或Hf能夺走Al2O3中的氧，在金属化层与氧化铝陶瓷界面形成一层活性元素的氧化物过渡层，通过该氧化物过渡层实现金属化层与氧化铝陶瓷的牢固结合。
[0013]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0014]1、本发明所述方法工序少，操作简单，只需要一次金属化烧结，且烧结温度较低(900?1200°C )，因此简化了氧化铝陶瓷金属化的工艺，降低了能耗和对设备的要求，整体上降低了金属化成本。
[0015]2、由于本发明所述方法是通过T1、Zr或Hf活性元素的氧化物过渡层实现金属化层与氧化铝陶瓷的牢固结合，对氧化铝陶瓷中玻璃相的扩散、迀移没要求，因此使用本发明所述方法对高纯氧化铝陶瓷(纯度大于99.8% )进行金属化也能得到很好的效果，为高纯氧化铝陶瓷提供了一种可行的金属化方法。
[0016]3、本发明所述方法中，金属层Mo或Cr金属层可以缓解在钎焊冷却过程中产生的残余应力，有利于获得牢固可靠的钎焊接头，最外层的Ni或Cu金属层可大大提高普通钎料(如AgCu28)在金属化层上的润湿性，改善钎焊效果。因此本发明所述方法金属化效果好，能提高氧化铝陶瓷与金属的结合强度。
【附图说明】
[0017]图1为实施例1中金属化后的氧化铝陶瓷的断面扫描电镜图。
[0018]图2为实施例1中金属化后的氧化铝陶瓷与可伐合金钎焊连接后焊缝的扫描电镜图。
[0019]图3为图2中矩形选框部分的放大图。
[0020]图4为按照行业标准SJ/T 3326-2001测试的实施例1中金属化后的氧化铝陶瓷与可伐合金钎焊连接后的应力应变曲线。
[0021]图中，I一Ti层，2—Mo层，3 — Ni层，4一Al2O3质量百分数为95%的氧化铝陶瓷，
5一金属化层，6一可伐合金。
【具体实施方式】
[0022]下面通过具体实施例对本发明所述用于钎焊的氧化铝陶瓷金属化方法做进一步说明。
[0023]以下实施例中，步骤⑵用于形成金属层的金属的纯度> 99%。
[0024]实施例1
[0025]本实施例中，用于钎焊的氧化铝陶瓷金属化方法的工艺步骤如下:
[0026](I)将Al2O3质量百分数为95%的多晶氧化铝陶瓷(俗称95%氧化铝陶瓷)放入2.5g NaOH和10mL双氧水混合所得清洁剂中清洗15min去除表面粘附的油污，再用去离子水超声清洗20min后烘干，将烘干后的95%氧化铝陶瓷置于箱式电阻炉中，在1100°C下保温烧结60min，除去可挥发的有机物和水分；
[0027](2)将步骤(I)所得95%氧化铝陶瓷用铝箔盖住表面不需沉积金属层的部分后置于装了 Ti靶、Mo靶、Ni靶的JTZ-800型中频磁控溅射镀膜机的真空镀膜室中，抽真空至4X10 3Pa后向镀膜室通入高纯氩气(99.99%)至2.1X10 1Pa,然后打开Ti靶电源，在工作电压为300V、工作电流为5A、工作能量密度为7.3ff/cm 2、溅射偏压为50V的条件下(膜层的沉积速率为15nm/min)沉积60minTi ;Ti沉积结束后关闭Ti靶电源，打开Mo靶电源，在工作电压为500V、工作电流为5.5A、工作能量密度为9.3ff/cm 2、溅射偏压为50V的条件下(膜层的沉积速率为17nm/min)沉积70min Mo ；Mo沉积结束后关闭Mo靶电源，打开Ni靶电源，在工作电压为500V、工作电流为6A、工作能量密度为9.3ff/cm 2、溅射偏压为50V的条件下(膜层的沉积速率为19nm/min)沉积150min Ni ;沉积完后待炉内温度降至室温后取出，得到依次沉积了 Ti金属层、Mo金属层、Ni金属层的95%氧化铝陶瓷。
[0028](3)将步骤⑵得到的沉积了金属层的95%氧化铝陶瓷置于在VQS-335型真空烧结炉中，对真空烧结炉抽真空，当真空度达到4X 10 3Pa后开始加热，以17°C /min的升温速率将炉内温度升至480°C保温20min，保温结束后再以17°C /min的升温速率升温至1200°C保温20min，升温和保温过程中保持真空度高于6 X 10 3Pa,再次保温结束后随炉冷却至室温即得到金属化的