陶瓷-金属材料实用封接技术
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作者高陇桥 编著
出版社化学工业出版社
ISBN9787122296894
出版时间2018-01
装帧精装
开本16开
定价118元
货号1201623654
上书时间2024-09-04
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目录
章陶瓷-金属封接工艺的分类、基本内容和主要方法
1.1陶瓷-金属封接工艺的分类1
1.2陶瓷-金属封接工艺的基本内容2
1.2.1液相工艺2
1.2.2固相工艺4
1.2.3气相工艺5
1.3陶瓷-金属封接工艺的主要方法5
第2章真空电子器件用陶瓷-金属封接的主要材料和陶瓷超精密加工
2.1概述7
2.2陶瓷材料9
2.2.1Al2O3瓷9
2.2.2BeO瓷17
2.2.3BN瓷24
2.2.4AlN瓷27
2.2.5CVD金刚石薄膜33
2.2.6高温瓷釉34
2.3精细陶瓷的超精密加工43
2.3.1概述43
2.3.2陶瓷超精密机械加工的几种方法43
2.3.3陶瓷超精密加工的关键45
2.3.4结束语46
2.4金属材料46
2.4.1W、Mo金属47
2.4.2可伐等定膨胀合金48
2.4.3特种W、Mo合金49
2.4.4无氧铜和弥散强化铜52
2.4.5焊料55
2.5功率电子器件常用高热导率的封接、封装材料58
2.5.1概述58
2.5.2陶瓷基高热导率的陶瓷材料59
2.5.3金属基高热导率的合金和复合材料63
第3章陶瓷金属化及其封接工艺
3.1概述66
3.1.1金属化粉及其配方66
3.1.2金属化配膏和涂层67
3.1.3金属化烧结工艺流程67
3.1.4等静压陶瓷金属化67
3.295%Al2O3瓷晶粒度对陶瓷强度和封接强度的影响68
3.2.1概述68
3.2.2陶瓷样品的制备69
3.2.3晶粒度的测定70
3.2.4Mo粉颗粒度FMo-0170
3.2.5金属化配方和规范72
3.2.6不同晶粒度的陶瓷强度和对封接强度的影响72
3.2.7讨论73
3.2.8结论75
3.3表面加工对陶瓷强度和封接强度的影响76
3.3.1概述76
3.3.2实验材料和方法76
3.3.3实验结果77
3.3.4讨论81
3.3.5结论84
3.495%Al2O3瓷中温金属化配方的经验设计84
3.4.1概述84
3.4.2金属化配方中活化剂的定性选择85
3.4.3活化剂质量分数的定量原则85
3.4.4讨论87
3.4.5具体计算87
3.4.6结论88
3.5常用活化Mo-Mn法金属化时Mo的化学热力学计算88
3.5.1概述88
3.5.2化学热力学计算89
3.5.3实验结果与讨论91
3.5.4结论92
3.6活化Mo-Mn法陶瓷-金属封接中玻璃相迁移方向的研究93
3.6.1概述93
3.6.2实验方法93
3.6.3实验结果与讨论94
3.6.4结束语96
3.7活化Mo-Mn法陶瓷金属化时Mo表面的化学态——AES和XPS在封接机理上的应用97
3.7.1概述97
3.7.2实验程序97
3.7.3表面分析和结果99
3.7.4结论102
3.8陶瓷低温金属化机理的研究102
3.8.1概述102
3.8.2实验方法和程序103
3.8.3实验结果104
3.8.4讨论106
3.8.5结论108
3.9电力电子器件用陶瓷-金属管壳108
3.9.1概述108
3.9.2管壳生产的工艺流程108
3.9.3管壳用陶瓷零件109
3.9.4管壳用金属零件110
3.9.5陶瓷-金属封接结构111
3.9.6国内和国外管壳生产的不同点和差距111
3.10陶瓷金属化厚度及其均匀性113
3.10.1概述113
3.10.2活化Mo-Mn法金属化层厚度和过渡层的关系114
3.10.3金属化层厚度和组分的均匀性114
3.10.4手工笔涂法和丝网套印法的比较115
3.10.5结论115
3.11活化Mo-Mn法金属化机理——MnO·Al2O3物相的鉴定116
3.11.1概述116
3.11.2实验程序和方法116
3.11.3结果和讨论117
3.11.4结论119
3.12封接强度和金属化强度119
3.12.1概述119
3.12.2实验程序120
3.12.3实验结果120
3.12.4讨论121
3.12.5结论121
3.13陶瓷-金属封接生产技术与气体介质122
3.13.1应用123
3.13.2讨论125
3.13.3结论125
3.14不锈钢-陶瓷封接技术126
3.14.1常用封接不锈钢的分类和特点127
3.14.2典型的几种不锈钢-陶瓷封接结构128
3.14.3结论130
3.15美国氧化铝瓷金属化标准及其技术要点130
3.15.1ASTM规范131
3.15.2Coors企业规范133
3.15.3Wesgo公司标准134
3.15.4几点结论134
3.16俄罗斯实用陶瓷-金属封接技术135
3.16.1封接制造工艺流程136
3.16.2陶瓷金属化膏剂组分和膏剂制备136
3.16.3电镀工艺、装架和焊接规范138
3.17陶瓷纳米金属化技术141
3.17.1概述141
3.17.2实验程序和方法141
3.17.3实验结果142
3.17.4讨论144
3.17.5结论146
3.18毫米波真空电子器件用陶瓷金属化技术146
3.18.1概述146
3.18.2金属化层的介电损耗146
3.18.3组分和介电损耗的关系147
3.18.4金属化层的烧结技术147
3.18.5讨论148
3.18.6结论149
3.19陶瓷-金属封接结构和经验计算149
3.19.1典型封接结构149
3.19.2经验计算150
3.19.3结论152
3.20陶瓷-金属封接中的二次金属化和烧结Ni技术评估152
3.20.1国内外镀Ni液的现状和发展153
3.20.2等效烧结Ni层（包括Ni-P）对封接强度的影响155
3.20.3结论156
3.21陶瓷二次金属化的工艺改进156
3.21.1材料、实验方法和结果156
3.21.2讨论158
3.21.3结论159
3.22显微结构与陶瓷金属化159
3.22.1概述159
3.22.2目前管壳用电子陶瓷的体系和性能161
3.22.3当前我国管壳陶瓷金属化技术状况162
3.22.4结论165
3.23陶瓷-金属封接技术的可靠性增长165
3.23.1概述165
3.23.2关于界面应力的评估166
3.23.3关于陶瓷表面粗糙度167
3.23.4结论168
3.24陶瓷金属化玻璃相迁移全过程168
3.24.1概述168
3.24.2实验程序和方法169
3.24.3讨论171
3.24.4结论172
3.25陶瓷-金属封接技术应用的新领域172
3.25.1概述172
3.25.2固体氧化物燃料电池173
3.25.3惰性生物陶瓷的接合174
3.25.4高工作温度、高气密性、多引线芯柱176
3.25.5陶瓷-金属卤化物灯176
3.26近期国外陶瓷-金属封接的技术进展177
3.26.1实验报告177
3.26.2分析报告181
3.27二次金属化中的烧结Ni工艺181
3.27.1应用背景181
3.27.2烧结Ni的基本参数和工艺182
3.27.3电镀Ni和烧结Ni、显微结构差异及Ni粉细化182
3.28直接覆铜技术的研究进展184
3.28.1DBC技术原理和基本结构184
3.28.2DBC技术的特性186
3.28.3工艺参数对DBC性能的影响186
3.28.4结论186
3.29陶瓷-金属封接质量和可靠性研究187
3.29.1陶瓷-金属封接件的显微结构和断裂模式187
3.29.2关于镀Ni层的影响188
3.29.3关于“银泡”问题189
3.29.4关于Cu封问题190
3.30陶瓷金属化配方的设计原则191
3.30.1活化剂玻璃相的膨胀系数192
3.30.2活化剂玻璃相膨胀系数的计算192
3.30.3实际计算和验证193
3.30.4结论193
3.31Mo粉与陶瓷金属化技术194
3.31.1Mo粉制造的典型工艺和当前存在问题194
3.31.2国内外金属化实用Mo粉体的平均粒径及其发展趋势196
3.31.3业内常用Mo粉体平均粒径的测试方法和比较198
3.31.4结论198
3.32玻璃相与陶瓷金属化技术199
3.32.1实验199
3.32.2结果与讨论202
3.32.3结论204
3.33有机载体与陶瓷金属化技术204
3.33.1浆料流变特性的响应和行为204
3.33.2有机载体206
3.33.3结论207
3.34白宝石单晶及其金属化技术207
3.34.1白宝石单晶的一般基本物化性能208
3.34.2白宝石单晶的晶格类型和结构208
3.34.3白宝石单晶的金属化技术209
3.34.4结论212
3.35氮化硅陶瓷及其与金属的接合技术212
3.35.1陶瓷212
3.35.2接合213
3.35.3结果与讨论215
3.35.4结论217
3.36氮化铝陶瓷烧结和显微结构217
3.36.1实验方法218
3.36.2结果和讨论219
3.36.3结论220
3.37AlN粉体与颗粒220
3.37.1概述220
3.37.2陶瓷粉体的重要性、性能要求和主要制备方法221
3.37.3国内外几家出产AlN粉体的性能对比222
3.37.4结论222
第4章活性法陶瓷-金属封装
4.1概述223
4.295%Al2O3瓷Ti-Ag-Cu活性金属法化学反应封接机理的探讨224
4.2.1化学反应的热力学计算224
4.2.2热力学计算修正项的引入225
4.2.3真空度对化学反应的影响226
4.2.4封接温度对化学反应的影响226
4.2.5Ti-Ag-Cu活性法封接机理模式的设想226
4.3提高活性法封接强度和可靠性的一种新途径227
4.3.1概述227
4.3.2实验方法和结果227
4.3.3讨论228
4.3.4结论231
4.4Ti-Ag-Cu活性合金焊料的新进展231
4.4.1概述231
4.4.2Wesgo产品231
4.4.3北京有色金属研究总院产品232
4.4.4结论233
4.5ZrO2陶瓷-金属活性法封接技术的研究233
4.5.1概述233
4.5.2实验程序和方法233
4.5.3实验结果和讨论234
4.5.4结论235
4.6活性法氮化硼陶瓷和金属的封接技术235
4.6.1概述235
4.6.2实验方法和结果237
4.7活性封接的二次开发237
4.8氮化铝陶瓷的浸润性和封接技术238
4.8.1概述238
4.8.2AlN陶瓷的浸润特性239
4.8.3AlN陶瓷的金属化工艺239
4.8.4AlN陶瓷的气密封接242
4.8.5结束语242
4.9AlN陶瓷的气密接合242
4.9.1概述242
4.9.2实验程序和方法243
4.9.3实验结果和讨论243
4.9.4结论245
4.10金刚石膜的封接工艺245
4.10.1厚膜法245
4.10.2薄膜法246
4.11非氧化物陶瓷-金属接合及其机理246
4.11.1非氧化物陶瓷-金属接合方法的分类246
4.11.2非氧化物陶瓷的金属化246
4.11.3非氧化物陶瓷的接合247
4.11.4化学反应和接合机理248
4.11.5结论249
第5章玻璃焊料封接
5.1概述250
5.1.1封接温度250
5.1.2线膨胀系数251
5.1.3浸润特性251
5.2易熔玻璃焊料252
5.2.1玻璃态易熔玻璃焊料252
5.2.2混合型易熔玻璃焊料253
5.3高压钠灯用玻璃焊料254
5.3.1概述254
5.3.2常用玻璃焊料系统组成和性能254
5.3.3玻璃焊料的制备工艺256
5.3.4关于玻璃焊料的析晶256
5.4微波管用玻璃焊料256
第6章气相沉积金属化工艺
6.1概述259
6.2蒸镀金属化260
6.2.1蒸镀钛260
6.2.2蒸镀钼260
6.3溅射金属化261
6.4离子镀金属化262
6.5三种常用PVD方法的特点比较263
第7章陶瓷-金属封接结构
7.1封接结构的设计原则264
7.2封接结构的分类和主要尺寸参数265
7.2.1结构材料和焊料265
7.2.2封接结构分类265
7.3常用封接结构的典型实例268
7.3.1合理和不合理封接结构的对比268
7.3.2针封结构封接269
7.3.3挠性结构封接271
7.3.4特殊结构封接271
7.3.5焊料的放置272
第8章陶瓷-金属封接生产过程常见废品及其克服方法
8.1金属化层的缺陷274
8.2金属化过程中瓷件的缺陷274
8.3镀镍层的缺陷275
8.4封口处产生“银泡”和瓷件“光板”275
8.5钛-银-铜活性法漏气和瓷件表面污染276
8.6瓷釉的缺陷及其克服方法276
第9章陶瓷-金属封接的性能测试和显微结构分析
9.1概述278
9.2封接强度的测量279
9.2.1基本的封接强度测试方法279
9.2.2实用的封接强度测试方法282
9.2.3真空开关管管壳封接强度的测量284
9.3气体露点的测量285
9.3.1露点法285
9.3.2电解法287
9.3.3温度计法——硫酸露点计289
9.4显微结构分析290
9.4.1概述290
9.4.2光片的制备方法291
9.4.3封接界面的分析293
0章国内外常用金属化配方
10.1我国常用金属化配方294
10.2欧洲、美国、日本等常用金属化配方294
10.3俄罗斯常用金属化配方296
附录
附表1电子元器件结构陶瓷材料（国家标准）298
附表2Al2O3陶瓷的全性能和可靠性300
附图1CaO-Al2O3-SiO2相图307
附图2MgO-Al2O3-SiO2系平衡状态图308
附图3CaO-Al2O3-MgO部分相图308
附图4CaO-MgO-SiO2相图309
附图5Mg2SiO４-CaAl2Si2O8-SiO2假三元系统相图310
附图6金属和陶瓷的线（膨）胀系数比较（0～100℃）310
附图7氢气中金属与其金属氧化物的平衡曲线311
附图8Ag-Cu-Ni相图311
附图9在陶瓷零件上涂敷金属化膏的各种方法简图312
附图10Cu-Ni相图312
附图11Ag-Cu相图313
附图12Au-Cu相图313
附图13Au-Ni相图313
附图14Pd-Ag-Cu相图313
附图15Pd-Ag相图314
附图16Pd-Cu相图314
内容摘要
本书为作者历经50多年的生产实践和研究试验的总结，除对陶瓷-金属封接技术叙述外，对常用封接（包括陶瓷、金属结构材料、焊料），以及相关工艺（例如高温瓷釉制造、陶瓷精密加工等）也进行了介绍。书中特别叙述了不同封接工艺的封接机理，强调了当今金属化配方的特点和玻璃相迁移方向的变化以及与可靠性的关系，介绍了许多常用的靠前外金属化配方和工艺。本次新修订第三版补充了大量近年来本领域材料和工艺等取得的更新成果和技术，以资同行参考。本书适用于真空电子器件、微电子器件、激光与电光源、原子能和高能物理、宇航工业、化工、测量仪表、航天设备、真空或电气装置、家用电器等领域中，并适合各种无机介质与金属进行高强度、高气密封接的科研、生产部门的工程技术人员阅读使用，也可作为大专院校有关专业师生的参考书。
精彩内容
版序21世纪是知识经济时代，是科学技术飞速发展的年代，以科学技术为核心的知识是最重要的战略性基础资源。真空电子器件已经广泛应用于所有国民经济领域，特别是应用于包括各种电子装备在内的民用和国防等领域。随着真空电子器件进入超高频、大功率、长寿命领域，玻璃与金属封接已不能胜任制管要求，必须采用陶瓷-金属封接工艺。真空电子器件是在高真空（10-5～10-6Pa）状态下工作的，对材料的气密性要求很高，对陶瓷-金属封接技术的要求更高。同时，陶瓷-金属封接应用领域不断扩大，从大功率微波管、大电流电力电子器件和高电压开关管等高真空器件，到新型、高效发电系统固体氧化物燃料电池，以及环保、汽车领域不可缺少的传感器等电子器件，都以高精度、高可靠的陶瓷-金属封接技术为基础。这给陶瓷-金属封接技术既带来了前所未有的机遇，也带来了严峻挑战。随着陶瓷-金属封接技术应用领域的进一步扩大，陶瓷-金属封接技术将在广度和深度上得到长足的发展。陶瓷-金属封接技术是一门多学科交叉的技术领域，是一种实用性、工艺性都很强的技术。它要求陶瓷-金属封接组件必须具有高的结合强度、好的气密性以及优良的热循环等性能。陶瓷-金属封接的稳定性对器件和整机的质量影响极大，甚至产生灾难性的后果。微波管向毫米波大功率发展，对陶瓷-金属封接性能提出了更高的要求；新兴真空开关管和电力电子器件的封接，要比其他真空电子器件要求更严；陶瓷-金属封接技术已成为制约高温固体氧化物燃料电池快速发展的瓶颈之一。所有这些，都使我们有理由进一步关注陶瓷-金属封接技术，加大研发力度，提高工艺水平，完善生产技术，将陶瓷-金属封接技术和产品质量提高到一个新水平。国内自1958年开始研发陶瓷-金属封接技术，到1970年初步得到解决，至今，已日臻成熟。40多年来，本书作者高陇桥教授对我国陶瓷-金属封接技术的发展做出了重大贡献，至今仍耕耘不息，在长期生产和科研实践中，积累了大量经验，取得了丰硕的科研成果。这部专著就是他多年来从事技术研究和工程实践的结晶，书中既有封接机理的基础性描述，也有工程化实例的具体探讨；书中还介绍了国内外许多常用的封接配方和工艺参数，以资同行专家参考。相信本书的出版将对同行和相关领域专家、技术人员以很大的帮助和启迪。中国工程院院士2005年1月25日于北京第二版序21世纪是新材料的世纪，世界经济的发展离不开材料科学的支撑和承载。陶瓷-金属材料封接技术是多学科综合的技术，它在航天、航空、电力、电子、机械、化工、石油、采矿、汽车等国民经济及国防军事的各个领域的应用极为广泛，是保证各类整机和元器件高质量、高可靠性的关键技术。本书详细阐述了陶瓷-金属材料封接技术，涉及材料选择、结构设计、工艺、反应机理、应力分析、质量评价等方方面面，是该领域不可多得的较全面、权威的专业著作，具有极大的参考价值。高陇桥教授自1960年以来，一直在陶瓷-金属材料封接技术领域从事科研、生产、技术管理及教学工作，取得了丰硕的科研成果，并积累了丰厚的实践经验。五十年来高教授兀兀穷年、孜孜以求，先后撰写过百余篇学术文章和多部专著，亲历并见证了我国陶瓷-金属材料封接技术从无到有、从有到优的发展历程，并在其中发挥了重要作用，为我国陶瓷-金属材料封接技术的前进做出了巨大贡献。“老骥伏枥，壮心不已”，高陇桥教授虽年事已高，仍耕耘不辍，集半个世纪之经验倾心编著本书，给本行业的从业者奉上一部内容丰富的技术专著，为陶瓷-金属材料封接技术的推广应用和薪火相传做出了非常有益的贡献。“师者，所以传道授业解惑也。”本书作为高陇桥教授倾注半生心血之作，凝聚着作者半个世纪的风雨和收获，承载着前辈对后来者的殷殷期许。让我们后来者在汲取丰厚的技术养分的同时，领略到前辈严谨治学、自强不息的风范。感谢高陇桥教授为本行业的从业者奉上一餐“陶瓷-金属材料封接技术”的盛宴。中国电子科技集团公司第十二研究所副总工程师刘征2010年12月
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