一种氮化铝陶瓷的金属化方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化铝陶瓷的金属化方法，包括以下步骤：1)、制备活化Mo‑Mn粉末；2)、加入有机载体，将活化Mo‑Mn粉末配成金属化膏剂；3)、在氮化铝陶瓷表面涂覆金属化膏剂；4)、陶瓷氧化与金属化层烧结：在低温下通入干氢或氢氮混合气体，在900℃后通入湿氢或湿氢氮混合气体，并在900～1100℃保温30～90min，露点控制在15±5℃，在氮化铝陶瓷表面出现氧化铝层；然后继续升温，在1400～1500℃保温45～90min，升温阶段通入干氢或氢氮混合气体，控制露点为5±10℃。本发明专利技术解决采用现有活化Mo‑Mn法对氮化铝陶瓷进行金属化处理导致氮化铝陶瓷氧化过度、在烧结过程中氮化铝陶瓷易发生水解的问题，且氧化和烧结一步完成，制备的氮化铝陶瓷‑金属封接件封接强度较高，气密性良好。

Metallization method of AlN Ceramics

The invention discloses a metallization method of aluminum nitride ceramics, which comprises the following steps: 1) preparing activated Mo_Mn powder; 2) adding organic carrier, preparing activated Mo_Mn powder into metallization paste; 3) coating metallization paste on the surface of aluminum nitride ceramics; 4) ceramic oxidation and metallization layer sintering: entering at low temperature Dry hydrogen or hydrogen-nitrogen mixed gases are filled with wet hydrogen or hydrogen-nitrogen mixed gases at 900 C and kept at 900 1100 C for 30 90 min, and the dew point is controlled at 15 5 C. Alumina layer is formed on the surface of aluminium nitride ceramics. The dew point is 5 + 10 degrees. The present invention solves the problems of excessive oxidation of aluminium nitride ceramics and hydrolysis of aluminium nitride ceramics during sintering due to metallization treatment of aluminium nitride ceramics by existing activated Mo_Mn method, and the sealing strength of aluminium nitride ceramics_metal seals prepared by one-step oxidation and sintering is high, and the air tightness is good.

【技术实现步骤摘要】
一种氮化铝陶瓷的金属化方法
本专利技术涉及陶瓷金属化工艺
，具体涉及一种氮化铝陶瓷的金属化方法。
技术介绍
氮化铝(AlN)陶瓷是一种有着广泛应用前景的新型陶瓷材料，具有高热导率(200～320W/(m·K))，可靠的电绝缘性(1013Ω·cm)，低介电常数(8.7)，低介电损耗(1×10-3)和高的机械性能(350MPa)等一系列优良特点，越来越多地应用在电真空器件领域。为了使氮化铝陶瓷能更广泛地用于电真空器件，往往需要进行氮化铝瓷与金属之间焊接。目前氮化铝陶瓷的金属化与封接方法有很多，包括活性封接法、化学镀法、厚膜法、薄膜法、直接覆铜(DBC)法、共烧法、活化Mo-Mn法等。活性封接法、化学镀法、厚膜法、直接覆铜法的焊接强度在10～20MPa左右；薄膜法焊接强度相对较高，但是工艺较难以实现；共烧法温度较高。并且化学镀法、厚膜法、直接覆铜法不易实现气密性封接，活性封接法适合平面金属化，这些氮化铝陶瓷金属化方法不利于氮化铝陶瓷在电真空器件中的应用。采用活化Mo-Mn法对Al2O3陶瓷进行金属化的工艺已经相当成熟。目前有不少专家正意图将此工艺应用于氮化铝陶瓷的金属化上，初步结果表明是可行的。但是由于氮化铝陶瓷属共价键结合，化学反应活性低，很难与其它物质发生化学反应而相互结合。因此，采用Mo-Mn法对氮化铝陶瓷进行金属化处理需要先对氮化铝陶瓷表表面进行氧化然后涂覆金属化膏剂，然后再进行烧结。现有活化Mo-Mn法对氮化铝陶瓷进行金属化处理存在以下缺陷：1)、氮化铝陶瓷氧化过度、在烧结过程中氮化铝陶瓷易发生水解，氧化不足SiO2发生热解；2)、步骤繁琐，氧化和烧结需要分步进行，不仅浪费了资源而且操作麻烦。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氮化铝陶瓷的金属化方法，解决采用现有活化Mo-Mn法对氮化铝陶瓷进行金属化处理导致氮化铝陶瓷氧化过度、在烧结过程中氮化铝陶瓷易发生水解的问题，且氧化和烧结一步完成，制备的氮化铝陶瓷-金属封接件封接强度较高。本专利技术通过下述技术方案实现：一种氮化铝陶瓷的金属化方法，包括以下步骤：1)、制备活化Mo-Mn粉末；2)、加入有机载体，将活化Mo-Mn粉末配成金属化膏剂；3)、在氮化铝陶瓷表面涂覆金属化膏剂；4)、陶瓷氧化与金属化层烧结：在低温下通入干氢或氢氮混合气体，在900℃后通入湿氢或湿氢氮混合气体，并在900～1200℃保温30～90min，露点控制在15±5℃，在氮化铝陶瓷表面出现氧化铝层；然后继续升温，在1400～1500℃保温45～90min，升温阶段通入干氢或氢氮混合气体，控制露点为5±10℃。在现有技术中，虽然也有采用活化Mo-Mn法对氧化铝陶瓷进行金属化处理，但是，氮化铝陶瓷属共价键结合，化学反应活性低，很难与其它物质发生化学反应而相互结合；且晶粒尺寸小，没有玻璃相。因而常用的活化Mo-Mn法无法应用到氮化铝陶瓷的金属化中，所以上述方法尝试将氮化铝陶瓷氧化，表面形成一层氧化铝层，变成氧化铝的金属化，从而实现氮化铝陶瓷的活化Mo-Mn法金属化，主要存在以下难以克服的技术问题：氮化铝陶瓷氧化过度，氮化铝陶瓷在金属化烧结过程中发生水解及氧化不足SiO2发生热解。申请人通过对氮化铝陶瓷氧化过度和氮化铝陶瓷在金属化烧结过程中发生水解产生的原因进行分析发现：1、氮化铝陶瓷的氧化处理：氮化铝氧化后，在表面形成一层氧化铝，氮化铝与氧化铝的热膨胀系数有一定的差异，氧化不足则不能有效与金属化层结合，氧化过度容易出现漏气、破裂。2、在金属化过程中，温度与露点控制不当容易造成氮化铝陶瓷发生水解，产生气体，从而在金属化层产生气泡，造成金属化层起皮。水分不足，会使金属化膏剂中有机物质不能充分燃烧，SiO2发生热解。因此，采用活化Mo-Mn法对氮化铝陶瓷进行金属化处理的使用极少。导致氮化铝陶瓷氧化过度和氮化铝陶瓷在金属化烧结过程中发生水解产生的关键因素在氧化和烧结过程中温度和气氛的控制，在氧化和烧结过程中对温度与气氛的要求很高，需要同时满足氧化和金属化有机物燃烧，避免SiO2热解等多重条件要求。本专利技术现在低温下通入干氢或氮氢混合气体，在900℃后通入湿氢或湿氮氢混合气体，并在900～1200℃保温30～90min，同时将露点控制在15±5℃，在氮化铝陶瓷表面出现氧化铝层，实现在低温阶段的氮化铝的初氧化，此时金属化层未烧结致密，产生的气体等可以有效排除，从而避免对金属化层造成影响；同时充分燃烧有机物质，避免Mo-Mn粉中的SiO2的热解；完成初氧化后，继续升温至1400～1500℃，进行金属化层烧结，保温30～90min。此温度段适当降低露点，将露点控制在5±10℃，满足金属化烧结需要即可，而对氮化铝的进一步氧化影响很小(露点越高，还原性越强，适当降低露点，能够降低还原性)，避免SiO2的热解，氮化铝表面的氧化铝层与金属化层相互扩散渗透形成牢固的结合。本专利技术通过合理调节氧化和金属化过程中的气氛和温度，解决了采用现有活化Mo-Mn法对氮化铝陶瓷进行金属化处理导致氮化铝陶瓷氧化过度、在烧结过程中氮化铝陶瓷易发生水解的问题，同时，有效解决金属化膏剂中有机物质的燃烧、SiO2热解与氮化铝陶瓷氧化的兼容性问题，避免出现有机物质燃烧不充分、SiO2热解、氮化铝过度氧化等问题。本专利技术先在氮化铝陶瓷表面涂覆金属化膏剂，在一次烧结完成陶瓷氧化和金属化烧结，实现氧化和金属化烧结一步完成，不仅节约了步骤资源，而且避免了氧化-涂覆金属化膏剂-金属化导致的操作麻烦的问题。并且，采用本专利技术金属化方法，金属化层与氮化铝陶瓷润湿良好，形成牢固、致密的界面结合，且封接抗拉强度高。进一步地，还包括以下步骤：金属化烧结完成后在氮化铝陶瓷表面通过电镀或烧结形成镍层。进一步地，通过电镀形成的镍层厚度为3～5μm；通过烧结形成的镍层厚度为6～10μm。采用不同方式镀镍，镍层的稳定性不同，需要根据不同方式合理调节镍层厚度，以确保氮化铝陶瓷金属化后的使用性能。进一步地，氧化铝层的厚度为15～35μm。氧化铝层的厚度太薄，不利于氧化铝层与金属化层相互扩散渗透，不易形成牢固、致密的界面结合，不利于氮化铝陶瓷的气密性和封接抗拉强度，氧化铝层的厚度太厚，会导致氧化过度，不利于氮化铝陶瓷的稳定性。申请人通过长期的试验发现：将氧化铝层的厚度设置为15～35μm既不会导致氧化过度，又能利于氧化铝层与金属化层相互扩散渗透，形成牢固、致密的界面结合，提高氮化铝陶瓷的气密性和封接抗拉强度。进一步地，氢氮混合气体中氢气和氮气的比例为1:3。氢气的含量越高，还原性越强，氢气的含量不宜过高，过高的氢气会影响氮化铝陶瓷表面的氧化。进一步地，金属化膏剂采用印刷或手工涂覆在氮化铝陶瓷表面，涂层厚度为40-70μm，用红外线加热到100～150℃烘干。涂层厚度影响到界面结合层的厚度，既要满足界面结合层的厚度，又不能造成资源浪费。进一步地，活化Mo-Mn粉末包括以下重量份组分：Mo粉60～80重量份，Mn粉5～10重量份，SiO2粉6～15重量份，Al2O3粉6～12重量份，CaCO3粉0.5～3重量份。传统的活化Mo-Mn法适用于含玻璃相的95％氧化铝陶瓷，金属化配方中的玻璃相与95％氧化铝陶瓷中的玻璃相相互扩散迁移，从而实现陶瓷与金属化层间的结合。然而，氧化后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化铝陶瓷的金属化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、制备活化Mo‑Mn粉末；2)、加入有机载体，将活化Mo‑Mn粉末配成金属化膏剂；3)、在氮化铝陶瓷表面涂覆金属化膏剂；4)、陶瓷氧化与金属化层烧结：在低温下通入干氢或氢氮混合气体，在900℃后通入湿氢或湿氢氮混合气体，并在900～1200℃保温30～90min，露点控制在15±5℃，在氮化铝陶瓷表面出现氧化铝层；然后继续升温，在1400～1500℃保温45～90min，升温阶段通入干氢或氢氮混合气体，控制露点为5±10℃。

【技术特征摘要】
1.一种氮化铝陶瓷的金属化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、制备活化Mo-Mn粉末；2)、加入有机载体，将活化Mo-Mn粉末配成金属化膏剂；3)、在氮化铝陶瓷表面涂覆金属化膏剂；4)、陶瓷氧化与金属化层烧结：在低温下通入干氢或氢氮混合气体，在900℃后通入湿氢或湿氢氮混合气体，并在900～1200℃保温30～90min，露点控制在15±5℃，在氮化铝陶瓷表面出现氧化铝层；然后继续升温，在1400～1500℃保温45～90min，升温阶段通入干氢或氢氮混合气体，控制露点为5±10℃。2.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷的金属化方法，其特征在于，还包括以下步骤：金属化烧结完成后在氮化铝陶瓷表面通过电镀或烧结形成镍层。3.根据权利要求2所述的一种氮化铝陶瓷的金属化方法，其特征在于，通过电镀形成的镍层厚度为3～5μm；通过烧结形成的镍层厚度为6～10μm。4.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷的金属化方法，其特征在于，所述氧化铝层的厚度为15～35μm。5.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷的金属化方法，其特征在于，所述氢氮混合气体中氢气和氮气的比例为1:3。6.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷的金属化方法，其特征在于，所述金属化膏剂采用印刷或手工涂覆在氮化铝陶瓷表面，涂层厚度为40-...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈欣，杨洁，黄刚，李天涛，向军，陈弹蛋，刘平，龙继东，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51