專(zhuān)利名稱(chēng)：敷置非晶態(tài)氧化物膜的陶瓷與金屬的場(chǎng)致擴(kuò)散連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專(zhuān)利提出的敷置非晶態(tài)氧化物膜的陶瓷與金屬的場(chǎng)致擴(kuò)散連接方法屬于陶瓷與金屬連接的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到IC產(chǎn)品中的陶瓷與金屬的連接。
2、在上述方法中，陶瓷5的非晶態(tài)氧化物膜4的厚度為1-3μm，表面粗糙度＜1μm。
3、在上述方法中，非晶態(tài)氧化物膜4的材料是氧化鈉、氧化硼、氧化鎂、氧化硅以及復(fù)合氧化物SiO260-70％、Na2O 5-15％、MgO+CaO+ZnO10-15％，復(fù)合氧化物Na2O33％、ZnO 1.5％、B2O33％，其余為SiO2中任何一種。
4、在上述方法中，陶瓷5的材料是β-Al2O3、MgO Y-ZrO2及其混合物中的任何一種。
5、在上述方法中，金屬3的材料是Al、Cu、Ni、Si、Ti以及Co、Ag、W中的任何一種。
6、在上述方法中，采用下列方法之一將非晶態(tài)氧化物膜4敷置在陶瓷5表面真空濺射法、真空蒸鍍法、化學(xué)氣相沉積法和電鍍法。
本發(fā)明提出的方法與一般的陶瓷表面金屬化或者采用中間金屬過(guò)渡層的陶瓷與金屬的連接方法相比的積極效果在于在相對(duì)較低的連接溫度和工作壓力以及在空氣或低真空條件下實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的場(chǎng)致擴(kuò)散連接，這對(duì)精密的IC產(chǎn)品極為有利，并且可以簡(jiǎn)化連接裝置，降低成本。
本方法主要用于精密的IC產(chǎn)品中陶瓷與金屬的連接。
如

圖1所示，敷置非晶態(tài)氧化物膜4的陶瓷5與金屬3對(duì)疊后置于連接爐1中，該金屬3通過(guò)陽(yáng)極導(dǎo)電板2與電源正極連接，陶瓷5通過(guò)陰極導(dǎo)電板6與電源負(fù)極連接，這樣敷置非晶態(tài)氧化物膜4的陶瓷5與金屬3就處于100-300伏的直流電場(chǎng)中，該陶瓷5與金屬3還受到50Pa的連接壓力P的作用，連接爐1內(nèi)的連接溫度為200-500℃，保持時(shí)間為5-15分鐘，連接爐1內(nèi)的氣氛為低于10-2Pa的低真空或空氣，陶瓷5與金屬3連接完成后，連接件隨連接爐1冷卻，冷卻速度為4℃/分鐘。
下面分析說(shuō)明本發(fā)明中敷置非晶態(tài)氧化物膜4的陶瓷5與金屬3的場(chǎng)致擴(kuò)散連接機(jī)理。
在本連接方法中，被連接材料中的陶瓷在電場(chǎng)作用下形成離子極化、遷移和鍵合，同時(shí)在一定溫度下產(chǎn)生分子熱擴(kuò)散，其結(jié)果，在陶瓷與金屬的表面上形成固相連接而成連接接頭。
但是，由于Al2O3、ZrO2等材料組成的陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性極高，產(chǎn)生的場(chǎng)致鍵合效應(yīng)較弱，當(dāng)陶瓷的界面敷置非晶態(tài)氧化物膜時(shí)，就會(huì)使陶瓷界面的負(fù)離子遷移率提高，從而促進(jìn)陶瓷與金屬界面的鍵合。
這樣，這種以場(chǎng)致靜電鍵合為主，熱擴(kuò)散為輔的敷置非晶態(tài)氧化物膜的陶瓷與金屬的連接就形成牢固的連接接頭。
正因?yàn)樵谶@種場(chǎng)致擴(kuò)散連接過(guò)程中場(chǎng)致鍵合起主要作用，熱擴(kuò)散結(jié)合起輔助作用，因此，本方法與一般的陶瓷與金屬的連接方法相比較，可以明顯的降低連接溫度和工作壓力。
這種“場(chǎng)致靜電鍵合”實(shí)質(zhì)上是一種電化學(xué)的“陽(yáng)極氧化過(guò)程”，在這一過(guò)程中本來(lái)就要求足夠量的氧供應(yīng)，一般情況下，陶瓷中的負(fù)氧離子就足夠了，若在連接爐的氣氛中提供氧氣，例如在空氣中或在低真空中進(jìn)行陶瓷與金屬的連接，對(duì)連接質(zhì)量并沒(méi)有明顯的影響，這在實(shí)踐中已經(jīng)得到證實(shí)，這也就是本發(fā)明提出的敷置非晶態(tài)氧化物膜的陶瓷與金屬的場(chǎng)致擴(kuò)散連接方法可以在低真空、甚至在空氣中進(jìn)行的原因。
從以上的連接機(jī)理的說(shuō)明中可以清楚地看出本發(fā)明提出的連接方法與一般的熱擴(kuò)散連接方法中存在以下的根本的區(qū)別1、本發(fā)明提出的方法中，陶瓷界面為非晶態(tài)氧化膜，而一般的熱擴(kuò)散方法中陶瓷界面為滲金屬層、金屬化層或采用金屬過(guò)渡層，這些均為一般晶態(tài)。
2、本發(fā)明提出的方法中陶瓷與金屬的連接是以場(chǎng)致鍵合為主，而一般的熱擴(kuò)散方法中主要是熱擴(kuò)散結(jié)合。
具體實(shí)施例方式
1、陶瓷Y-ZrO2與純鋁片的場(chǎng)致擴(kuò)散連接陶瓷Y-ZrO2含8％的Y2O3，試件尺寸φ20，厚度0.5-1.0mm，陶瓷5表面采用磁控離子濺射法鍍SiO2非晶態(tài)膜，膜厚2μm，鍍非晶態(tài)SiO2膜的陶瓷與純鋁片3對(duì)疊后放入電壓為200伏的連接爐1中，其中，陶瓷5通過(guò)陽(yáng)極導(dǎo)電板6與電源的負(fù)極連接，而純鋁片3通過(guò)陽(yáng)極導(dǎo)電板2與電源正極連接，連接爐1內(nèi)連接溫度500℃，連接壓力50Pa，連接時(shí)間10分鐘，連接爐1的氣氛為10-2Pa的低真空，連接完成后連接件隨爐以4℃/分鐘冷速冷卻。
陶瓷Y-ZrO2與純鋁片連接良好，連接接頭的抗剪強(qiáng)度16Mpa。
2、陶瓷β-Al2O3與純單晶硅片場(chǎng)致擴(kuò)散連接陶瓷β-Al2O3含有3％的Na2O，試件尺寸同1，陶瓷β-Al2O3表面采用磁控離子濺射鍍一種非晶態(tài)的復(fù)合氧化物，該復(fù)合氧化物組成份為Na2O33％、ZnO 1.5％、B2O33％，其余為SiO2，將鍍非晶態(tài)氧化膜4的陶瓷5與純單晶硅片3對(duì)疊后放入連接爐1中，采用與1完全相同的連接規(guī)范，最終得到的連接件的連接接頭的抗剪強(qiáng)度為29Mpa。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷與金屬的連接方法，其特征在于，敷置非晶態(tài)氧化物膜的陶瓷與金屬進(jìn)行場(chǎng)致擴(kuò)散連接，該方法包括敷置非晶態(tài)氧化物膜(4)的陶瓷(5)與金屬(3)對(duì)疊后置于具有電壓為100-300伏的直流電場(chǎng)的連接爐(1)中，連接溫度為200-500℃，保持時(shí)間為5-15分鐘，連接壓力為50Pa，連接爐(1)中氣氛為空氣或低于10-2Pa的低真空，陶瓷(5)與金屬(3)連接完成后，連接件隨連接爐(1)冷卻，冷卻速度為4℃/分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷與金屬的連接方法，其特征在于，陶瓷(5)的非晶態(tài)氧化物膜(4)的厚度為1-3μm，表面粗糙度＜1μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷與金屬的連接方法，其特征在于，非晶態(tài)氧化物膜(4)的材料是氧化鈉、氧化硼、氧化鎂、氧化硅以及復(fù)合氧化物SiO260-70％、Na2O 5-15％、MgO+CaO+ZnO 10-15％，復(fù)合氧化物Na2O33％、ZnO 1.5％、B2O33％，其余為SiO2中任何一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷與金屬的連接方法，其特征在于，陶瓷(5)的材料是β-Al2O3、MgO、Y-ZrO2及其混合物中的任何一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷與金屬的連接方法，其特征在于，金屬3的材料是Al、Cu、Ni、Si、Ti以及Co、Ag、W中的任何一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷與金屬的連接方法，其特征在于，采用下列方法之一將非晶態(tài)氧化物膜(4)敷置在陶瓷(5)表面上真空濺射法、真空蒸鍍法、化學(xué)氣相沉積法和電鍍法。
全文摘要
本發(fā)明專(zhuān)利提出的敷置非晶態(tài)氧化物膜的陶瓷與金屬的連接方法屬于陶瓷與金屬連接的技術(shù)領(lǐng)域,本方法為了克服傳統(tǒng)的陶瓷與金屬連接方法中連接溫度高、真空度高和設(shè)備復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的連接方法包括:敷置非晶態(tài)氧化物膜4的陶瓷5與金屬3對(duì)疊后置于具有電壓為100－300伏的直流電場(chǎng)連接爐1中,連接溫度為200－500℃,保持時(shí)間為5－15分鐘,連接壓力為50Pa,連接爐1中氣氛為空氣或低于10
文檔編號(hào)C04B37/02GK1386723SQ0212396
公開(kāi)日2002年12月25日 申請(qǐng)日期2002年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月10日
發(fā)明者孟慶森, 趙洪生, 竇林萍 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)