Metalizirano varjeno keramično ohišje enosmernega releja: osnovna tehnologija hermetične embalaže relejev

Metalizirano varjeno keramično ohišje enosmernega releja služi kot kritična izolacijska in hermetična komponenta za visokonapetostne enosmerne releje. Uporablja keramično metalizacijo in trdo keramično kovinsko spajkanje za ustvarjanje popolnoma zaprte votline za gašenje obloka, ki izolira notranje kontaktne sisteme pred vlago, prahom in zunanjim okoljem. Ta rešitev obravnava ozka grla plastičnih ohišij pod visokonapetostnimi in visokotemperaturnimi cikli in se široko uporablja pri shranjevanju energije, odklopih baterij EV in sistemih za distribucijo enosmernega toka.

Keramika in kovina imata zelo različne fizikalne lastnosti. Keramika je anorganski nekovinski material z izjemno izolacijo in toplotno stabilnostjo, medtem ko kovina zagotavlja odlično električno prevodnost in duktilnost. Za združitev njihovih prednosti za ohišje keramičnega vakuumskega releja Al2O3 iz aluminijevega oksida postane metalizacija keramike nepogrešljiv korak predhodne obdelave. Postopek nanese trdno vezan kovinski tanek film na keramične površine, zaradi česar je keramiko mogoče variti za kasnejše spajkanje s kovinskimi obroči ali končnimi pokrovi. Kakovost metalizacije neposredno določa zrakotesnost in dolgoročno zanesljivost končnega ohišja releja.

Spajanje keramike in kovine za metalizirano keramiko iz aluminijevega oksida za električne releje prinaša številne inherentne materialne izzive.

• Neusklajen koeficient toplotnega raztezanja. Keramika ima majhno toplotno razteznost, medtem ko se kovine pod vročino raztezajo veliko bolj, kar zlahka sproži razpoke na tesnilnih spojih. Inženirji morajo skrbno upravljati toplotno obremenitev prek usklajenih vmesnih kovinskih plasti.
• Nizka toplotna prevodnost in slaba odpornost keramike na toplotni udar. Med spajkanjem morajo biti temperaturni gradienti okoli zvarnega območja čim manjši, z nadzorovanimi stopnjami hlajenja po spajanju.
• Večina keramike je neprevodna, kar izključuje običajne metode električnega varjenja. Keramična metalizacija ali aktivno spajkanje kovin je potrebna za ustvarjanje zanesljivega vmesnika za lepljenje.
• Stabilna elektronska koordinacija znotraj keramičnih molekul ustvarja visoke ovire za neposredno spajanje keramike in kovine. Pred varjenjem je obvezna predelava površine.
• Keramika je kovalentni kristalni material z omejeno plastično deformacijo. Krhki zlomi se pogosto pojavijo na sklepih. Za nižjo temperaturo spajanja se običajno uporabljajo vmesni puferski sloji in indirektno difuzijsko varjenje.
• Za ohišja relejev so potrebne posebne tesnilne strukture, kategorizirane kot ploščato tesnilo, tesnilo s tulcem, tesnilo zatiča in čelno tesnilo. Tesnjenje tulcev zagotavlja najboljšo učinkovitost s strogimi proizvodnimi zahtevami za vse vrste spojev.

Mehanizem metalizacije je kompleksna kombinacija fizične difuzije in kemičnih reakcij, vključno s plastičnim tokom in prerazporeditvijo delcev. Oksidne komponente znotraj metalizacijske paste reagirajo in difundirajo v različnih stopnjah sintranja. Z naraščanjem temperature tvorijo surovine vmesne spojine in se pri evtektični temperaturi spremenijo v fazo tekočega stekla. Faza viskoznega stekla ustvarja plastični tok; delci se prerazporedijo pod kapilarno silo. Pod vplivom površinske energije se atomi razpršijo in zrna rastejo, pore se skrčijo in izginejo ter na koncu tvorijo gosto metalizirano plast za keramične komponente visoke natančnosti iz aluminijevega oksida.

1. Predhodna obdelava substrata. Poliranje sintranih keramičnih surovcev do optične gladkosti z diamantno abrazivno pasto, ki nadzoruje hrapavost površine Manj kot ali enako 1,6 μm. Ultrazvočno čiščenje v acetonu in alkoholu pri sobni temperaturi 20 minut.
2. Priprava metalizacijske brozge. Stehtajte surovine glede na formulacijo, nato pa mlinček s kroglami, da pripravite goščo s ciljno viskoznostjo.
3. Premaz in sušenje. Metalizacijska zmes za sitotisk enakomerno na keramičnih podlagah. Debelina brozge zahteva natančen nadzor: preredka omogoča, da polnilo za spajkanje prodre v metalizirano plast, medtem ko prevelika debelina ovira prehod elementov. Premazani deli se sušijo v pečici.
4. Toplotna obdelava. Sintrano posušeni obdelovanci v redukcijski atmosferi, da tvorijo vezano metalizirano plast.

Metoda Mo-Mn

Mo-Mn metalizacija uporablja ognjevzdržni molibdenov prah, pomešan z manganovim prahom, prevlečen na keramiko Al₂O₃ in sintran, da se tvori kovinska plast. Tradicionalni postopek Mo-Mn zahteva visoke temperature sintranja in porabi več energije; brez aktivatorjev ostane trdnost tesnjenja razmeroma nizka.

Aktivirana metoda Mo-Mn

Aktivirani Mo-Mn je optimiziran iz klasične poti Mo-Mn. Spremembe vključujejo dodajanje aktivatorjev ali zamenjavo kovinskega prahu z molibdenovim/manganovim oksidom ali soljo, s ciljem znižanja temperature sintranja. Čeprav je postopek zapleten in drag, ustvari močno vez in izboljša zmogljivost vlaženja. Ostaja najbolj zrela in razširjena rešitev metalizacije za hermetično embalažo relejev.

Aktivno spajkanje kovin

Aktivno spajkanje kovin se pogosto uporablja za tesnjenje keramike in kovine. V primerjavi s tehnologijo Mo-Mn je bila razvita približno 10 let pozneje. Celoten spoj keramike in kovine je mogoče dokončati v enem ogrevalnem ciklu. Zlitina za spajkanje vsebuje aktivne elemente, kot so Ti, Zr, Hf in Ta. Ti aktivni elementi reagirajo s keramiko iz aluminijevega oksida in tvorijo kovinske reakcijske plasti na vmesniku. Ta postopek je preprostejši in stroškovno učinkovit za množično proizvodnjo. Njegova omejitev je v omejenem izboru materiala za spajkanje, zaradi česar je primernejši za velike dele ali nizke količine namesto neprekinjene proizvodnje pri visokih hitrostih.

Direktno vezani baker (DBC)

DBC lepi bakreno folijo neposredno na keramične podlage, predvsem na Al₂O₃ in AlN. DBC, razvit skupaj z embalažo čipov COB, uvaja kisik med baker in keramiko. Pri 1065~1083 stopinjah nastane evtektična tekočina Cu-O in reagira s keramično in bakreno folijo, pri čemer nastanejo faze CuAlO₂ ali Cu(AlO₂)₂, da se doseže trdna vez.

Magnetronsko razprševanje

Magnetronsko razprševanje je tehnika fizikalnega naparjevanja, ki nanese večplastne kovinske filme na keramične podlage. Zagotavlja močan oprijem, nizko kontaminacijo in nadzorovano zrnato strukturo za visokokakovostne tanke kovinske premaze. Nastali metalizirani film je ultra tanek in ohranja tesno dimenzijsko toleranco. Vendar pa ga ni mogoče uporabiti za toplotno občutljivo keramiko, kot je piezoelektrična keramika ali monokristalni materiali.

1. Formulacija za metalizacijo. Zasnova formulacije postavlja temelje za kakovostne metalizacijske plasti.
2. Sintering temperature and holding time. Metallization sintering is classified into ultra-high temperature (>1600 stopinj), visoka temperatura (1450 ~ 1600 stopinj), srednja temperatura (1300 ~ 1450 stopinj) in nizka temperatura (<1300°C). Insufficient temperature stops glass phase diffusion; overheating weakens bonding strength and causes metallization layer peeling and seal failure.
3. Mikrostruktura metalizacijske plasti. Mikrostruktura metalizacije določa končno učinkovitost tesnjenja. Kakovosten metaliziran premaz je gost z močnim oprijemom. Jasna večplastna struktura brez neprekinjenih krhkih intermetalnih spojin zmanjšuje tveganje za širjenje razpok in prodiranje med spajkanje.

Drugi dejavniki, ki vplivajo, vključujejo velikost in gradacijo delcev prahu. Fin prah se nagiba k aglomeraciji in uniči enakomernost premaza. Pregrob prah poveča temperaturo sintranja in poslabša kakovost. Tehnika nanosa in debelina nanosa prav tako pomembno vplivata na rezultate metalizacije.

Metalizirana relejna keramika iz aluminijevega oksida je odvisna od zrele tehnologije metalizacije keramike in spajkanja, da se doseže zanesljivo hermetično pakiranje. Ujemanje napetosti materiala, formulacija metalizacije in parametri sintranja so ključne spremenljivke, ki določajo izolacijo, stopnjo puščanja helija in življenjsko dobo za visokonapetostne releje DC. Ko se trgi za shranjevanje energije in električnih vozil širijo, se tehnologija natančnega tesnjenja keramike in kovine še naprej razvija, da bi izpolnila zahteve po višji napetosti, miniaturizaciji in dolgi življenjski dobi za komponente močnostnih relejev.

Zdaj se obrnite na našo inženirsko ekipo za validacijo prototipa in množično ponudboDC rele Metalizirano varjeno keramično ohišje, ki ga podpirajo naše lastne proizvodne linije za metalizacijo keramike in hermetično varjenje.