Паста для металлизации диэлектрических материалов и изделий из них

Изобретение может быть использовано в технике СВЧ и других областях техники, где могут применяться изделия на основе диэлектрических материалов. Предложена паста для металлизации диэлектрических материалов на основе молибдена, марганца и спека оксидов алюминия, кальция, магния, кремния, титана, бария, железа, при следующем соотношении компонентов, вес.%: молибден 50-65, марганец 10-5, спек 40-30. Технический результат - повышение качества металлизационного покрытия, как с точки зрения повышения механической прочности, так и обеспечения вакуумной плотности при высоких рабочих температурах порядка 1100°С и продолжительности времени работы при этих температурах. 1 табл.

 

Изобретение относится к химии и металлургии, а именно к пастам для металлизации диэлектрических материалов и изделий из них, и может быть использовано в радиотехнике, приборостроении, атомной и других областях техники, где могут быть использованы изделия на основе диэлектрических материалов, прежде всего, в технике СВЧ.

Основные требования, предъявляемые к металлизированным диэлектрическим изделиям, это:

- высокая механическая прочность,

- вакуумная плотность,

- высокая термостойкость,

- высокая рабочая температура и продолжительность работы при этой температуре без нарушения их прочности и термостойкости.

Сущность металлизации пастами заключается в нанесении пасты на поверхность и последующем ее вжигании.

Известные на сегодня пасты для металлизации диэлектрических материалов выполнены на основе тугоплавких металлов и оксидов металлов и не металлов. В процессе вжигания пасты образуется стеклофаза, которая обладает той или иной вязкостью.

Стеклофаза, присутствующая в металлизационном покрытии, должна обладать оптимальной вязкостью.

Так как наличие ее с высокой вязкостью позволяет работать:

- во-первых, с высокотемпературными припоями,

- во-вторых, при высоких температурах и в течение продолжительного времени без нарушения целостности металлизированных диэлектрических изделий.

А наличие ее с низкой вязкостью исключает полностью возможность работы с высокотемпературными припоями, поскольку даже небольшие временные передержки при высокой температуре в процессе пайки металлизированных диэлектрических изделий приводят к вытеснению стеклофазы из металлизационного покрытия расплавленным припоем, как следствие к разупрочнению спая и, следовательно, снижению механической прочности металлизированных диэлектрических изделий.

Известна паста для металлизации диэлектрических материалов на основе молибдена и оксидов марганца, алюминия, кальция, кремния при следующем соотношении компонентов, вес.%:

оксид марганца	6,9-9,0
оксид алюминия	5,1-5,9
оксид кальция	4,2-4,8
оксид кремния	11,7-12,6
молибден	остальное [1]

Эта паста пригодна только для пайки низкотемпературными припоями, так как в процессе вжигания указанные оксиды образуют стеклофазу с низкой вязкостью. И при пайке высокотемпературными припоями, например, медью стеклофаза легко выполняется из металлизационного покрытия, следствием чего является разупрочнение спая и, следовательно, снижение механической прочности металлизированных диэлектрических изделий.

Известна паста для металлизации диэлектрических материалов керамики ВК94-1 так же на основе молибдена и спека из самой керамики ВК94-1, для чего ее предварительно измельчают, при следующем соотношении компонентов, вес.%:

молибден	75-80
спек	25-20 [2]

Эта паста в процессе вжигания образует небольшое количество стеклофазы, обладающей высокой вязкостью, что позволяет использовать ее при пайке высокотемпературными припоями и с достаточно продолжительным временем работы при этих температурах.

Более того, молибден и керамика ВК94-1 имеют близкие по значению коэффициенты температурного расширения, что обеспечивает низкие напряжения в спае и, следовательно, высокую механическую прочность металлизированных диэлектрических изделий.

Однако вжигание металлизационного покрытия на основе данной пасты требует высоких температур порядка 1450-1550°С, при которых наблюдается деформация в случае использования для металлизации крупногабаритных тонкостенных диэлектрических изделий.

Известна паста для металлизации диэлектрических материалов, так же на основе молибдена и спека оксидов алюминия и кальция, при следующем соотношении компонентов, вес.%:

молибден	65-95
спек	35-5 - прототип [3]

Преимуществом данной пасты перед предыдущей является снижение температуры вжигания с 1450-1550°С до 1400-1420°С, что существенно как для процесса металлизации изделий, выполненных из диэлектрических материалов, так и последующей их эксплуатации.

Однако температура вжигания остается достаточно высокой, что совершенно недопустимо для металлизации крупногабаритных изделий, выполненных из диэлектрических материалов, так как происходит их деформация.

Техническим результатом изобретения является повышение качества металлизационного покрытия, путем повышения механической прочности, обеспечения вакуумной плотности при высоких рабочих температурах и продолжительности времени работы при этих температурах.

Указанный технический результат достигается использованием пасты на основе молибдена и спека оксидов металлов алюминия и кальция, при этом паста дополнительно содержит марганец, при следующем соотношении компонентов, вес.%

молибден	50-65
марганец	10-5
спек	40-30,

а спек дополнительно содержит оксиды магния, кремния, титана, бария, железа, при следующем соотношении компонентов в нем, вес.%

оксид алюминия	52-48
оксид кальция	22-20
оксид магния	4-2
оксид кремния	17-22
оксид титана	1,2-0,8
оксид бария	3-6
оксид железа	0,8-1,2

Наличие в пасте дополнительно марганца, а в спеке оксидов магния, кремния, титана, бария, железа позволит:

Во-первых, снизить температуру вжигания до 1350°С.

Присутствие марганца в совокупности с оксидами кальция, алюминия и магния стало возможным образование стеклофазы, которая

а) частично закристаллизована, и, следовательно, не происходит ее вытеснение из металлизационного покрытия в процессе пайки высокотемпературными припоями,

б) обладает высокой вязкостью, а как было указано выше, это позволит работать с высокотемпературными припоями и в течение продолжительного времени без нарушения целостности металлизированных диэлектрических изделий.

Во-вторых, наличие в спеке оксидов кремния, титана, бария и железа приводит:

а) к получению стеклофазы с коэффициентом термического расширения, близким по значению к коэффициентам термического расширения молибдена и диэлектрического материала, что в свою очередь обеспечивает снижение напряжений на границе металлизационное покрытие - диэлектрический материал и, следовательно, повышение механической прочности металлизационного покрытия,

б) к повышению свойства смачиваемости стеклофазы, что обеспечивает равномерное распределение ее между зернами молибдена и улучшение смачиваемости ею диэлектрического материала и, следовательно, повышению качества металлизационного покрытия.

Таким образом, предлагаемая паста для металлизации диэлектрических материалов, с одной стороны, позволит снизить температуру вжигания до 1350°С, а, с другой стороны, позволит работать при более высоких температурах порядка 1100°С, что особенно важно при использовании в технике СВЧ.

Пример 1

Предложенная паста была использована для металлизации керамики ВК94-1.

Технологический процесс включает:

- приготовление спека, для чего смешивают компоненты спека состава и количества, соответствующего средним значениям, указанным в формуле изобретения, с последующей термообработкой на воздухе при температуре 1300°С в течение двух часов. Далее осуществляют помол спека;

- приготовление собственно пасты для металлизации, для чего осуществляют помол молибдена, далее смешивают порошки молибдена, марганца, спека и связующего, в качестве которого используют раствор нитроклетчатки в изоамилацетате.

Примеры 2-5

Аналогично примеру 1 приготовлены пасты для металлизации, но при других количественных значениях компонентов, как указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и выходящих за ее пределы (примеры 4-5).

Приготовленные составы паст для металлизации наносят методом ротационной печати на поверхность изделий, выполненных из керамики ВК94-1 с толщиной покрытия 65±5 мкм с последующим вжиганием в водородной печи в увлажненной атмосфере с температурой точки росы +25°С смеси газов азота и водорода при их соотношении 2:1 соответственно, при температуре 1350°C в течение 30-60 минут.

Далее осуществляют пайку указанных изделий, для чего на металлизированные их поверхности наносят никель толщиной 3 мкм.

Далее осуществляют пайку указанных изделий, для чего на металлизированные их поверхности наносят никель толщиной 3 мкм гальваническим методом и затем осуществляют пайку изделий медным припоем с коваром 29НК.

После пайки образцы были переданы на испытания на предмет:

- механической прочности, посредством изгиба и отрыва,

- вакуумной плотности течеискателем непосредственно после пайки и затем согласно ОСТ 11.332.702-83.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Как видно из таблицы, образцы изделий из керамики ВК94-1, металлизированные предлагаемой пастой (примеры 1-3), выдержали все виды испытаний в отличие от образца изделия (пример 4), в котором спай не получен вообще из-за недостаточного количества молибдена в составе пасты и превышения количества оксидов в спеке, и образца изделия (пример 5), в котором наблюдается снижение порядка 50 и 25 процентов механической прочности и вакуумной плотности соответственно.

Те же результаты, как и в примере 5 наблюдаются в прототипе.

Таким образом, предлагаемая паста для металлизации диэлектрических материалов и изделий из них позволит по сравнению с прототипом повысить качество металлизационного покрытия.

При этом механическая прочность и вакуумная плотность повышены на 50 и 25 процентов соответственно.

И это в условиях повышенных рабочих температур порядка 1100°С и продолжительности времени работы порядка 5 мин и более при этих температурах в процессе эксплуатации указанных изделий, что особенно важно при использовании указанных изделий в технике СВЧ.

№ п\п	Состав металлизационной пасты	Результаты испытаний
	Мо	Mn	спек	Механическая прочность, МПа средняя	Вакуумная плотность, %
σизг	σотрыва	после пайки	после испытаний по OCT 11.332.702-83
1	57	8	35	180	80	100	100
2	50	10	40	170	70	100	100
3	65	5	30	160	70	100	100
4	45	13	42	спаи не получены	спаи не получены	спаи не получены	спаи не получены
5	70	4	26	120	45	100	75
прототип	75	-	25	130-140	данных нет	100	70

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №514797, МПК С04В 41/14, бюлл. №19, 1976 г.

2. П.Н.Ермаков, Н.Т.Андрианов и др. Влияние некоторых факторов на качество металлизационных покрытий керамики ВК94-1. // Электронная техника, сер.14. Материалы, вып.1, 1982 г.

3. Авторское свидетельство СССР №427914, МПК С04В 41/88, бюлл. №18, 1974 г.

Паста для металлизации диэлектрических материалов и изделий из них на основе молибдена и спека оксидов металлов алюминия и кальция, отличающаяся тем, что паста дополнительно содержит марганец при следующем соотношении компонентов, вес.%:

молибден	50-65
марганец	10-5
спек	40-30,

при этом спек дополнительно содержит оксиды магния, кремния, титана, бария, железа при следующем соотношении компонентов в нем, вес.%:

оксид алюминия	52-48
оксид кальция	22-20
оксид магния	4-2
оксид кремния	17-22
оксид титана	1,2-0,8
оксид бария	3-6
оксид железа	0,8-1,2