綜述了陶瓷-金屬封接技術可靠性的重要性及其相關影響因素。著重指出,金屬化層顯微結構應均勻一致,活化劑的膨脹系數應處于Mo金屬和Al₂O₃瓷兩者之間。提出需金屬化的陶瓷表面的粗糙度應綜合考慮,其數值以為宜。在金屬-陶瓷平封(包含夾封、立封) 結構中,應充分利用配匹封接。

　　陶瓷-金屬封接技術是一門多學科交叉的領域,是一種實用性、工藝性都很強的基礎技術。它要求陶瓷-金屬封接組件必須具有高的結合強度、好的氣密性以及優良的熱循環性能等。陶瓷-金屬封接的穩定性和可靠性對器件和整機的質量影響極大,甚至有時會產生災難性的后果。微波管向毫米波大功率發展,對陶瓷-金屬封接性能提出了更高的要求;新興真空開關管和電力電子器件的封接,要比其他一般真空電子器件要求更嚴;陶瓷-金屬封接技術已成為制約平板型高溫固體氧化物燃料電池快速發展的瓶頸之一。所有這些,都使我們有理由進一步關注陶瓷-金屬封接技術,加大研發力度,提高工藝水平,完善生產技術,將陶瓷-金屬封接技術和產品質量以及可靠性提高到一個新水平。

　　國內自1958年開始研發陶瓷-金屬封接技術,當時,主要研發單位有中科院上海硅酸鹽研究所和北京真空電子技術研究所,后者于1964 年研制成功并進行了技術鑒定,隨即在國內實現了產業化并將此技術在國內介紹、推廣。就全國而言,約于1970年在諸多廠家得到推廣和應用。經過50 年來國內各廠家的共同努力,取得不少科研成果,生產技術也日臻成熟,有些廠家也已形成了自己的工藝路線和特色產品。

　　但是,從整個行業來說,在基礎理論科學研究和生產技術等方面,與國外先進水平相比,尚有一定的差距。例如:產品性能指標(包括封接強度和熱穩定性、氣密性等) 、質量和可靠性(包含產品均勻性、一致性以及壽命等) 、以及產品精確的外形尺寸和精工端莊的外表等。在總體上講我們是“能做、但不優質”。

　　從工藝上來看,國內專家在一次金屬化技術試驗研究方面比較下功夫,具有建樹。而對二次金屬化方面就不盡然了。至于膏劑中粘結劑等有機載體,廠家們基礎上是“拿來主義”,其結果是大同小異。事實上,產業化中,這三方面都是很重要的。

1、關于界面應力的評估

　　陶瓷-金屬封接件的可靠性取決于封接結構、制造工藝和在整個應用過程中的應力變化。從理論上,應力與封接強度直接相關,見式(1):

　　　　　σ封=σ瓷-σ應(1)

　　式中,σ封為陶瓷-金屬封接強度;σ瓷為陶瓷強度;σ應為陶瓷-金屬封接界面所產生的應力。為提高封接件的可靠性,則必須減少其界面應力(特別是單面平封結構) 。σ應值主要源于封接件異種材料的膨脹差,金屬化層和陶瓷體中顯微結構的宏觀不均勻性以及封接間的尺寸、外形和結構型式等。

1.1、封接件異種材料的膨脹差

　　異種材料的膨脹差應包含封接金屬和陶瓷、金屬化層中Mo顆粒與活化劑以及陶瓷體中晶相和玻璃相等之間的膨脹差。膨脹差在異相界面產生應力,見式(2)  :

σ應= (E/(1-μ) ) SΔαΔT (2)

　　式中, E,μ為陶瓷的彈性模量和泊松此; S為封接面積;Δα為封接金屬和陶瓷的膨脹差;ΔT 為焊料固化和工作點之間的溫度差。

　　為了降低Δα值,因而在陶瓷-金屬封接技術中,應盡可能采用配匹封接,即Δα≤10 %。此外,日本高鹽治男也提出了封接金屬和陶瓷之間最適當的膨脹差,見式(3)。

- 5 ≤αM - αC ≤10 (3)

　　式中,αM為金屬的膨脹系數,αC為陶瓷的膨脹系數。應該指出:由于陶瓷的抗張和抗壓強度幾乎相差10倍,因而在膨脹差的選擇上,還應考慮封接結構的不同而做適當調整。例如,平封和對封(立封、刀口封)需要較小的膨脹差,而針對內、外套封就不完全一樣,這要根據具體情況而定。

　　金屬化層中Mo顆粒與活化劑以及陶瓷中晶相與玻璃相之間的膨脹差對應力的影響是至關重要的,尤其是金屬化層因為較薄(約20μm) ,易引起局部應力集中,甚至產生微裂紋和慢性漏氣等缺陷,更應引起重視。因而,在金屬化配方進行設計時,必須對活化劑的膨脹系數進行預先計算和測試。由于Mo和活化劑兩者燒結后是相互交織、相互包裹的網絡結構,其膨脹系數的關系應為:

αMo ≤α活化劑≤αAl₂O₃

　　作者經過對各種活化劑膨脹系數測試數據的擬合,根據活化劑中陽離子場強的基本理論, 見式(4)  :

F=2Z/a² (4)

　　式中, F為活化劑中各種陽離子和氧離子之間的吸引力, Z為陽離子的原子價, a為正負離子之間的中心間距。提出了直觀、簡單和以質量百分比計算膨脹系數因子的方法,以供參考,見表1。

表1 　活化劑組分的膨脹系數因子(25～100℃)

　　測試數據表明: F越大,膨脹越小,反之亦然。

1.2、金屬化層顯微結構中宏觀均勻性

　　金屬化層與金屬陶瓷相似,也是一種復合材料,即由兩種以上不同的原材料組成,使原材料的性能得到充分發揮,并通過復合化而得到單一材料所不具備性能的材料。對于金屬陶瓷的定義雖眾說紛紜,但目前還是比較傾向于下列ASTM ,C-12說法:一種由金屬或合金與一種或多種陶瓷組成的非均質的復合材料,其中后者約占15 %～85 %體積分數,同時在制備的溫度下,金屬和陶瓷相之間的溶解度相當小 �？梢钥闯龃硕�義對金屬化層也是適用的。

　　金屬陶瓷的理想顯微結構是伴隨其不同應用而有所差異,但是要獲得最好的機械性能,最理想的顯微結構應該是一種細顆粒的陶瓷相均勻分布在金屬粘結劑基體上的結構,這一種結構的幾何學曾經是一些研究工作的課題。金屬化層或者說是陶瓷金屬其顯微結構的要求與金屬陶瓷應該是一樣的,所不同的是后者細顆粒是Mo金屬相,而粘結劑是玻璃相。這方面,兩者是相通的。