美国氧化铝瓷及其金属化标准的某些要点
真 空 电 子 技 术
1999年第3期42
标 准
美国氧化铝瓷及其金属化标准的某些要点
高陇桥
(北京真空电子技术研究所 北京 100016)
1998年9月3日收到
Comm en ts on A lu m i na Ceram ics and
Its M eta ll iz i ng Standard Sta tus i n the Un ited Gao L ongqiao
(B eij ing V acuum E lectron ics B eij )
Abstract A ina and its statu s of A STM (Am erican Stan 2dard as o m ain p rofesi onal compan ies in the U n ited States are in . O u r comm en ts on the part of the standards w h ich are open to questi on ted .
Keywords Standard , A lum ina ceram ics , M etallizing , Seal strength , L eak
rate , Hou sing of vacuum in terrup ter
摘 要 综述了A STM (美国材料试验标准) 和美国两个主要专业公司的A l 2O 3瓷及其金属化的标准现状, 评价了具体条款的先进性、实用性。为我国在该领域制定新的标准提供参考。对标准中一些值得商榷的问题也提出了看法。
关键词 标准 氧化铝瓷 金属化 封接强度 漏气速率 真空开关管管壳
A l 2O 3瓷的研制和生产起源于德国。德国西门子(Sienen s ) 公司的格丁(H . Gerdien ) 和
雷希曼(R . R ecchm an ) 于1929年研制成功了A l 2O 3瓷, 1932年西门子公司发表A l 2O 3瓷研究成果并于1933年开始了工业化生产。而后, 美国各大公司亦相继研制A l 2O 3瓷, A C 公司于1934年率先研制烧结刚玉, 后有数十家工厂、公司致力于A l
2O 3瓷的开发。近年来, 高氏(Coo rs ) 陶瓷公司、唯思古(W esgo ) 公司等显得更为活跃, 它们除了销售瓷件、上釉以及封接件外, 也出售配制好的釉料和金属化膏剂。
A l 2O 3瓷的金属化技术亦起源于德国, 早在1935年德国西门子公司的H 1V atter 已用1936年德律风根(T elefunken ) 公司的H . M o , W , R e 等难熔金属粉对滑石瓷进行了金属化。
Pu lfrich 用M o 2Fe 法也对滑石瓷进行了金属化。1945年以后, 美国继承了德律风根法并作
了某些改进, 1950年H . J . N o lte 等用M o 2M n 法对A l 2O 3瓷成功地进行了金属化。而后, 日本的金属化技术亦开展起来, 它们的研究始于日立、东芝等公司, 并从美国RCA (美国无线电公司) 成功地引进了技术。至此M o 2M n 法在电子管技术中得到了较为广泛的应用。
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由于传统的M o 2≈95%A l 2O 3, 质量分数) 瓷, 而它又是比M n 法不是很适用于高A l 2O 3(
75%A l 2O 3等瓷应用更为广泛的一种陶瓷, 因而, 1956年美国L 1H 1L afo rge 又完成了活化M o 2M n 法的研究工作, 从而把高A l 2O 3瓷金属化技术提高到一个新的水平。
因此, 在讨论A l 2O 3陶瓷及其金属化技术和制定它们的国家标准时, 对美国在该领域的现状和动态, 理应予以足够的关注。
当前, 真空开关管仍以较高的速度发展着, 其所需求的陶瓷、瓷釉和金属化技术亦相应发展起来, 当前碰到的问题之一是制定既先进又实用的真空开关管用陶瓷及其金属化的标准规范, 这不仅是提高质量的根本保证, 也是当今制定双方贸易交收条款和合同的依据。本文拟在说明美国这方面的一些要点, 为我国近期制定新的真空开关器件用陶瓷及其金属化标准提供参考素材。
1 AST M 规范
111 氧化铝瓷11111 组分分类
表l 3瓷类型
本规范包括的A l 2O 3瓷为四 种类型, 如表1。939799A l 238211112 外观要求
(1、气泡、孔洞、疏松面、杂质和粘连的杂粒。、缺口(敞开的或封闭的) 、表面伤痕、毛刺、隆起物和线性缺陷的。为了阐明要求, 这些缺陷的尺寸极限应列入零件图或采购说明书中。
(2) 在任何缺陷部位, 适用于气密封接件中的密封表面宽度至少3 4应保持完好无缺。(3) 其它表面上, 缺陷的极限应以缺陷部位不影响零件尺寸公差为原则。11113 试样要求
试验优先选用的样品, 尽可能是实际零件。当需要时, 在可能的情况下, 应从同批材料并用生产陶瓷零件那样相同的工艺条件准备规定的试验样品。11114 气密性要求
气密性——当把陶瓷试样放于加热到900℃的空气中达30m in 时, 试样只与镊子接触, 然后在能检测到10-4Pa ・c m 3 s 漏气速率的氦质谱仪上进行试试验。当用厚为01254
2
mm 的样品时, 受试面积为32216mm , 在室温下试验达15s 时, 如果氦泄漏的读数不显示, 则认为陶瓷是气密的。11115 电气、机械性能要求见表2～5。
(1)
卖主应根据需要提供的性能资料, 如:其特种陶瓷基体的典型显微结构的直观标准, 标准中叙述陶瓷体的晶粒大小和孔隙体积。陶瓷显微结构的变化是不能接受的, 因为它们会影响陶瓷的金属化工艺。
(2) 陶瓷基体的表观密度是氧化铝主晶相和次晶相加上瓷体固有微孔数量的大小和密度的函数。对于某一氧化铝基体可接受的密度极限必须同供货方供给的陶瓷的结构(成分) 和孔隙体积一致。并且应由采购方和供货方之间的共同协商。其密度变化应在标准值的1%之内。
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表2 电气要求
性 能
介电常数(最高) 25℃ 在1M H z 时 在10M H z 时介电损耗(最高) 25℃ 在1M H z 时 在10M H z 时体积电阻(最小) 8・c m 25℃时 300℃时 500℃时 700℃时 900℃时
3. 175mm 样品
(绝缘强度(最小) )
类型
[**************]21×10141×10104×1074×1064×1059. 85
1999年
类型
[**************]11×10141×10102×1072×1062×105类型
[***********]1×10141×10108×1076×1068×1059. 85
类型
[***********]021×10147×10101×1081×1071×106. 表3性 能
Λm )
～[1**********]0℃热导率 418. 68W m K 在100℃时 在400℃时 在800℃时隔热冲击
1500℃最大变形
类型 5. 46. 57. 07. 40. 0230. 0150. 009
6. 27. 07. 78. 20. 0490. 0220. 018
5. 26. 67. 37. 50. 0310. 0140. 009
6. 77. 48. 18. 30. 0770. 0360. 021
最小最大
5. 26. 77. 47. 60. 0480. 0220. 014
6. 57. 58. 18. 30. 0730. 0330. 021
类型
最小最大
5. 56. 87. 37. 50. 0530. 0230. 014
6. 77. 68. 18. 40. 0900. 0470. 025
通过
通过通过通过通过0151mm
通过
0151mm
表4 机械要求
性 能
抗弯强度 M Pa (最小平均值) 3弹性模量 GPa (最小) 泊松比(平均值)
3单体最大容许变化率为10%
类型
2402150. 20～0. 25
类型
2752750. 20～
0. 25
类型
2753100. 20～0. 25
类型
2753450. 20～0. 25
表5 一般要求
性 能
表观密度(最小) (2) g c m 3
组成成分、最小质量百分比气密性不透液性金属化性能[3]
类型
3137
82
3157
93
3172
97
3178
99
气密通过
(3) 通常, 铝含量高会使金属化增加困难, 但改变使用的金属化组成和金属化工艺对四
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种类型的铝基陶瓷都能形成良好的封接。因为材料和工艺方面变化较大, 没有推荐专门的试验方法。112 A l 2O 3瓷的金属化
11211 抗拉强度试样, 见图1。
#
A 面用100(150Λm ) 磨料研磨, 平面度要求为614Λm 。A 和C 面平行度要求为76Λm 。11212 涂膏方式
涂膏方式可以是多种多样, 例如丝网印刷、笔涂、喷涂、辊压等, 但所采用的方法应在报告中注明。11213 抗拉试样的装架和焊接
图1 抗拉强度试样
最重要的技术之一是精确对中, 。焊材可采用A g 2Cu 共晶或A g 352Cu 65等。焊接时加荷重, 11214 气密性要求
焊缝的气密性要求与陶瓷材料一致, 即为Pa m 3s 11215 抗拉强度数据
工艺变化较大, 因而不能A STM :、
, , 以防止应力集中。没有
, 但推荐插入金属片作为参考试验。1121A STM 没有在这方面作出规定, 但指
表6 典型的金属化升降温速率
出, 抗拉强度是最大断裂负荷除以原始陶瓷封接面面积, 而且认为断裂在封接面或临近封接面处才是有效的, 否则即不表示封接技术本身的水平。其基本目的是排除对中不好或封接抗拉强度超过陶瓷试样强度的因素。11217 涂膏和金属化规范
温度范围 ℃ 20～600加热 600～1200 1200～1500 1500～1000冷却
1000～室温
时间 m in
153015560
速率 ℃ m in
38172010
20. 0100101613
连续、一致。强调一面涂A STM 对涂层的基本要求是在一定厚度范围内, 涂层应光滑、
膏, 一面搅拌。氢气露点以高一点为宜, 以免陶瓷中某些组分的还原。金属化温度通常为
1500～1525℃, 保温30m in 。
典型的升、降温规范如表6。
表7 Coors AD -94陶瓷基本性能11218 镀镍
A STM 规定的瓷件
材料性能
(g 密度 c m 2) (N 抗折强度 c m 2) (N 压缩强度 c m 2) tg ∆(1M H z )
(V 介电强度 mm ) (最小, A C )
测试方法
A STM C 20A STM F 417A STM C 773A STM D 2520A STM D 116
是电镀镍, 厚度为13Λm 电镀槽温度为60℃, 电流
2
密度为01065A c m 。其电镀液组成如下:氯化镍(N i C l 2) :300g L ; 硼酸(H 3BO 3) :30g L ; pH 值:3。
数值
≥3. 66≥24500≥181500≤0. 00048170(6135mm 厚) 1510(1127mm 厚) 2310(0125mm 厚)
≥1014
8・c m (25℃)
A STM D 1829
46真 空 电 子 技 术1999年
2 Coors 企业规范
211 A l 2O 3瓷
Coo rs 生产的陶瓷以AD 为标识, AD 294即为该公司生产的约合94%A l 2O 3陶瓷。其基
本性能见表7。212 陶瓷金属化
Coo rs 生产的金属化产品有基本性能和环境试验等标准, 有关封接件的尺寸精度更是复杂、具体, 表8只表示其基本性能标准。
表8 Coors 金属基本性能的标准
金属化类型Λm
电镀类型 Λm
2)
M o 2M n 厚度
N i 层
13～38215～10
(N 可伐杯方法抗拉强度 c m
(3漏气速率率 ) 维里安检漏器
≥980-10
3 W esgo 公司标准
瓷釉以及金属化于一体的专业大厂, W esgo 公司也是集陶瓷、各地。
311 A l 2O 3陶瓷
W esgo 生产的陶瓷以AL 为标识, 主要A l 2O 9。
表9 W esgo 性能
%A l 23 418. W m ・K
热膨胀系数20～200℃200～400℃400～600℃600～800℃最高工作温度 ℃ ΕΕ0(8500M H z 25℃) tan ∆(8500M H z 25℃) tan (8500M H z 500℃)
[1**********]. [***********]616008. 89718×10-1515×10-44
96103653. [***********]716209. 166. 2×10-1211×10-44
AL [1**********]3. [***********]816509. 044. 5×10-712×10-44
AL [1**********]3. [***********]017259. 370. 9×10-215×10-44
312 陶瓷金属化
工艺和烧结N i 层的规范见表10。W esgo 的四种主要金属化膏剂配方、
表10 金属化的烧结N i 的主要规范
膏剂号
[**************]
适用瓷A l 2O 3 %
9915969697. 6N i 层℃金属化厚度 涂层厚度 ℃保温时间 Λm 金属化温度 m in 湿H 2露点 Λm
75～1001425～145030～602625～4063～901425～1450302620～3863～901460～1490302620～3850～751525～1550302618～3813～
25925～9753026215～12. 5
4 几点意见
(1) 美国目前生产A l 2O 3瓷是多种多样的, 但以真空微波管、真空开关管等器件所用陶
瓷, 通常仍是以94%～96%A l 2O 3瓷为主, 因而把这类瓷种的性能、尺寸公差、一致性、外观等提高一步并制定出标准、规范是当务之急和完全必要的。
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(2) 美国几家公司和A STM 有关漏气速率的标准大体上相当, 而且与我国国家标准也
是一致或相近的。
(3) 在封接强度上, 由于测试方法不同, 因而所测数据也不一致。此外, 德国西门子公司、日本东芝公司等也都有自已的一套办法。因而, 有关封接强度的数据和可比较性还需要进行大量的试验才能加以评估和说明。
(4) 氢气露点在金属化时是至关重要的, 我们往往由于环境温度的变化而随之使露点作相应的变化, 这对产品质量和一致性是不利的, W esgo 对露点要求严格, 其经验是可取的。
(5) 美国公司对镀N i 层采取了不同的方法, Coo rs 是电镀N i , 而W esgo 是烧结N i , 其标准范围分别是215～10Λ～12. 5Λm 和215m , 这样宽的范围, 应该说对产品质量和一致性是有影响的, 这一点将有待于商榷。
参 考 文 献
1 张懋良1世界火花塞工业通鉴(2) 1火花塞与
5268. 2
ti M Su Ceram ic 6) . Standard Specifi 2
fo r A lum ina Ceram ics fo r Eectrical and E lectron ic A pp licati on
7 Coo rs 公司来华标准技术交流1北京1998148 小林英男1接合强度1试验1评价方法1
特种陶瓷, 1996; 1
2 江树儒1美国氧化铝陶瓷显微结构的研究空电子技术, 1989; 6:39～42
3 高陇桥1活化M n 14(1995再确认) 1Standard T est
M fo r T en si on and V acuum T esting M etallized Ceram ic Seals
⁄ , 1995; 2
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《真空电子技术》编辑部
一九九九年一月