全部商品分类
当前位置 >
首页 >
知识分享 >
莫来石对金属陶瓷发热体引线封接强度的影响研究
莫来石对金属陶瓷发热体引线封接强度的影响研究
金属陶瓷发热体（Metal Ceramics Heater），简称MCH，其制备工艺通常是将金属浆料丝网印刷在陶瓷流延生坯表面，经热压层叠，经高温、在保护气氛下将金属层与陶瓷共烧成一体，最后将烧成后的样品经化镀、钎焊引线后制得。MCH具有升温速率快、使用寿命长、耐高温、耐腐、安全可靠等优点，由于不含有毒害的重金属物质，其使用符合环保要求。
相比于PTC陶瓷电热材料，MCH发热组件加热效果较优，并且节约电能20%以上。MCH被广泛的应用于电子烟、柴油发动机中的电热塞汽车氧传感器等诸多产品中，Tengfei Deng等人将MCH与SiC多孔陶瓷结合制备电子烟雾化芯，Shunkichi Nozaki等将MCH应用与电热塞产品中。因此，MCH具有十分广阔的发展前景和市场前景。 金属陶瓷发热体样品在使用过程中，钎焊的引线有时需要承受较大的拉力，因引线与基体的封接强度不够而导致脱落。众多学者在研究金属与陶瓷封接强度方面关注的焦点是金属与陶瓷在剪切方向的封接强度，关于金属陶瓷发热体钎焊的引线与陶瓷基片在剪切方向所能承受的最大拉力基本满足使用要求。然而，有关钎焊的引线与陶瓷基体在垂直基片方向所能承受的最大拉力的研究却鲜有报道。相关企业为了解决引线承受的拉力不足的问题，通常会使用不同配方的金属浆料分别印刷导电线路和钎焊的引线的电极处，虽然可以解决引线的拉力问题，但是会增加了生产产品的时间成本，不利于提高企业的生产效率。 因此，本实验拟调整金属浆料配方，向以钨-锰为主要原料的浆料中掺入无机氧化物，并且通过一次丝网印刷印刷导电线路和电极处，旨在改变金属陶瓷发热体上钎焊的引线与陶瓷基体在垂直基体表面方向上的封接强度，满足样品在不同条件下的使用要求。另外，通过场发射扫描电镜等测试手段探讨了影响样品封接强度的机理。 本实验以钨-锰为主要原料制备金属浆料，并向浆料中添加以MgO、Al2O3和SiO2为主的无机氧化物，实验所用原料名称、化学式、纯度和生产厂家如表1所示。在本实验中，陶瓷基体采用潮州三环股份有限公司生产的95wt%氧化铝流延生坯带，经小型精密压力机切割成实验样品所需要的规格大小。实验所使用的焊料为Ag(72wt%)-Cu(28wt%）合金焊料，钎焊的引线为Ni丝，其规格为Φ0.4mm×80mm。 为制备具有高封接强度的金属陶瓷发热体样品，实验拟向金属浆料添加由MgO、Al2O3和SiO2按照不同比例混合而成的无机氧化物，设计了D系列配方，其具体配方组成分别如表2所示。金属浆料中的有机载体采用松油醇-乙基纤维素体系，并添加少量无水乙醇作为分散剂，有利于粉体原料在其浆料中的分散，其具体配方组成如表3所示。
实验选用MgO、Al2O3和SiO2混合粉末掺入金属浆料中，其原因主要有两个：1）实验中采用的陶瓷基体是95wt%氧化铝陶瓷，另外由少量MgO和SiO2组成的烧结助剂；2）在D系列配方组成的外加氧化物中，合成莫来石相是设计该配方组成的主要原因。因此，为了合成莫来石相，预先对外加氧化物的原料进行下述处理： 准确称取无机氧化物原料置于尼龙球磨罐中，行星球磨机球磨6h，其中球磨机转速为500r/min，球磨介质为无水乙醇，料：球：无水乙醇（质量比）为1:1.5:1。将球磨后的混合原料置于70℃的干燥箱烘干24h待用。向烘干后的混合原料加入5wt%的PVA进行造粒，经陈腐24h后采用压制成型制得圆形生坯，其中，成型压力为30MPa，保压时间为30s，生坯规格为Φ30mm×5mm。将成型后的坯体置于100℃的干燥箱内烘干24h后在高温炉中进行烧结，其中，烧结温度为1400℃，保温时间为4h。将烧结后的样品使用玛瑙研钵进行粉碎研磨后400目筛分别制得D1和D4配方中的外加无机氧化物，并对制备后的样品做X射线衍射分析，检查是否有莫来石相生成。将制备好的D1和D4配方无机氧化物按照不同比例混合均匀分别制得D2和D3配方的无机氧化物，其具体配比如表2所示。 实验采用95wt%Al2O3流延生坯，内含5wt%的SiO2和MgO作为烧结助剂制备流延生坯带，经精密压力机切割成长：宽：高为25:20:1（单位：mm）的陶瓷基片。样品制备工艺流程图如图1所示，具体制备工艺如下：
金属浆料料的制备：按照表2和表3配比组成准确称量各原料，将所称量的粉末粉末置于尼龙罐中，使用行星球磨机球磨4h，球磨介质为无水乙醇，料：球：无水乙醇=1:1.5:1，球磨转速为500r/min，将球磨后粉末原料烘干待用。将粉末原料与有机载体按照质量比9:1称量后使用行星球磨机球磨6h，使粉末原料在有机载体中均匀分散后制得金属浆料。
丝网印刷：采用半自动丝网印刷机将金属浆料丝网印刷于95wt%Al2O3流延生坯表面，印刷线路如图2所示。丝网印刷时的粘度要求为20～30Pa·s，经测试每组配浆料的粘度为22Pa·s，满足丝网印刷时粘度要求。通过调整印刷时刮刀角度、印刷速度以及刮刀与基板的距离来控制印刷在流延生坯表面的金属浆料的重量（印重），其中，每种配方浆料的印重控制在23.33～24.17mg范围内。丝网印刷后流延生坯经热压层叠、在1600℃氢气气氛烧结、再经化镀和钎焊后制得金属陶瓷发热体。 采用上海舜宇恒平科学仪器有限公司生产的NDJ-8S型数字式粘度计测量金属浆料的粘度，测量过程中使用3号转子，转速为3r/min；将样品置于郑州鑫涵仪器设备有限公司生产的SX2-5-12A型箱式电阻炉中，在25℃、100℃、200℃、300℃、400℃和500℃分别保温0.5h，使用金华金利通电子有限公司生产的JLT-2511型直流低电阻测试仪测量样品在上述温度点的阻值，每组配方测量5个样品，最终结果取其平均值；样品电阻温度系数由公式1计算得出。
式中R1和R2分别为温度T1和T2时的电阻；采用乐清市艾德堡仪器有限公司生产的HP-100型数显式推拉力计测量样品引线在垂直基体表面方向所能承受的最大拉力用来表征样品的封接强度，每组配方测量5个样品，最终结果取其平均值，测量示意图和实物照片如图3所示。
采用荷兰PANalytical.B.V公司产的波长色散型X射线荧光光谱分析氧化铝陶瓷基体的化学组成；采用日本理学电机株式会社生产的D/max-Ⅲ型X-ray衍射仪测试无机氧化物的相组成，测试条件为：Cu靶Kα1射线，扫描速度为10°/min，工作电压为40 kV，工作电流为30 mA，扫描角度为5°-80°；使用环氧树脂对样品断面进行镶样，并经抛光机磨平、抛光后制得样品断面。 采用美国FEI公司生产的Quanta FEG 450型场发射扫描电子显微镜观察样品断面，利用能谱仪（EDS）观察样品元素面分布以及分析样品微区成分（测试条件：加速电压为20KV，真空度为7.8×10-4Pa）。 经1400°C烧结后无机氧化物相组成测试结果如图4所示。由图4可知，D4配方中无机氧化物的相组成为莫来石相，满足所添加的无机氧化物相组成要求。
为了分析引线剥落的原因，需对金属陶瓷发热体样品的制备工艺做进一步介绍。在金属陶瓷发热体样品钎焊的工艺中，是将Ag-Cu焊料与金属Ni丝共同置于烧结后样品的电极处，通过高温将Ag-Cu焊料熔融后分别润湿金属层和Ni，待冷却后引线被焊接在金属陶瓷发热体的样品电极处。因此，引线的脱落可能是由两个方面的造成：1）金属层与陶瓷层封接强度不足导致引线所能承受的拉力较小；2）引线与金属层的封接强度不足导致引线脱落。前期研究发现线的脱落主要是由于金属层与陶瓷层封接强度不足所致。 D系列样品室温阻值如表4所示，图5是D系列不同配方样品在室温下的阻值图。 从表4和图5可以看出：D系列样品在室温下的电阻并无较大波动，约为42Ω，相比于未外加无机氧化物的样品，其室温下的阻值有较小幅度的提高，约增加10%。D1～D4配方金属浆料中均外加了10wt%的无机氧化物，当印刷在氧化铝流延生坯表面的浆料重量相当时，其浆料中的钨含量相当，因此样品在室温下阻值基本相等。金属浆料中外加的无机氧化物会引起样品室温时阻值的小幅度增大。在实际的生产应用中，可通过调整浆料的印重来改变样品在室温下的阻值，当需要较大幅度改变样品的阻值时，需要重新设计导电线路。
D系列样品电阻温度系数测试结果约为3740ppm/℃，较纯金属钨的电阻温度系数有所下降。在D系列配方中，由于加入了由不同配比的MgO、Al2O3和SiO2等氧化物组成的外加物质，因此在样品的烧结过程，当外加的物质中含有SiO2时，会被残留在样品中碳还原成单质硅，与金属钨形成W-Si固溶体。正是由于W-Si固溶体的形成导致样品的电阻温度系数小于纯金属钨的电阻温度系数。当外加氧化物中不含SiO2时，陶瓷坯体作为烧结助剂中的SiO2仍会被还原成单质硅，与金属钨形成W-Si固溶体，可导致样品电阻温度系数的降低。 当金属浆料中未加入无机氧化物时，样品引线可承受的最大拉力约为2N。相比与未添加无机氧化物的样品，D系列配方样品钎焊的引线与陶瓷基体在垂直样品表面方向可承受的最大拉力并无明显提高，其拉力大约为2.3N。 图6是MgO-Al2O3-SiO2三元相图，图中D1～D4分别D系列配方样品外加的无机氧化物的配方组成。由图6可知：D系列配方外加氧化物在样品高温烧结时主要由液相和莫来石组成，由杠杆定理计算可知，D1～D4配方中莫来石相的含量分别为0wt%、16.09wt%、41.38wt%和100wt%。 图7为D4配方样品断面的背散射电子像及元素面分布图。由图7可知：D4配方样品断面具有明显的界限，其中白色区域为金属层，黑色区域为陶瓷层。金属层是金属相，主要由金属钨组成；陶瓷层为刚玉相，主要由氧化铝颗粒组成。如图7所示，在陶瓷层与金属层的交界处没有第三相的存在。从元素分布的图中可以看出：元素Si与元素W的分布区域大致重合，正如前文分析与讨论所述，氧化物SiO2被残留的C还原成单质Si，并自发地向金属层扩散与金属钨形成了W-Si固溶体。
因此，向金属浆料中加入的SiO2并没有与Al2O3形成莫来石相，SiO2被还原成了单质Si，导致D4样品断面没有莫来石相的存在。在D4配方样品中，由于陶瓷与金属的封接主要依靠氧化铝颗粒与金属钨颗粒的机械咬合，而陶瓷层与金属层均较为致密，咬合强度较小，不能达到提高样品封接强度的要求。综上所述，由于外加的无机氧化物SiO2被残留C还原成单质Si，不能形成莫来石相，使得金属与陶瓷的封接主要依靠氧化铝颗粒与金属钨颗粒的机械咬合，因此封接强度较低。
本实验通过向金属浆料中添加由MgO、Al2O3和SiO2按照不同配比组成的无机氧化物，探讨了不同配比的氧化物对样品封接强度的影响。相比于未添加无机氧化物的样品，D系列配方样品的封接强度并未有所提高。D系列配方外加的无机氧化物在高温烧结时主要由液相和莫来石相组成，由于SiO2被残留C还原成单质Si，样品断面结构中并没有莫来石相的形成，因此样品的封接强度主要取决于氧化铝陶瓷层的Al2O3颗粒与金属层W颗粒形成物理机械结合，其结合强度较弱，导致样品封接强度没有提高。
易耐网公众号