陶瓷金属化和陶瓷生瓷的烧结同时进行,这种陶瓷称为共烧陶瓷,共烧陶瓷按照烧结温度的高低一般分为高温共烧陶瓷(HTCC)和低温共烧陶瓷(LTCC)。陶瓷共烧是一项十分复杂的工艺,直接影响陶瓷的机械性能电性能和外观等性能。

一、高温共烧陶瓷的烧结工艺

常用的高温共烧陶瓷体系有氧化铝、氮化铝等,氧化铝具有成本低、机械强度好,绝缘性好等特点,氮化铝具有导热好、电性能好等特点。目前高温共烧陶瓷主要以氧化铝为主,而氮化铝由于粉体成本昂贵、烧结温度高、气氛要求苛刻、工艺难度大和热稳定性较差等原因,市场占比较少。高温共烧陶瓷的金属化材料一般以熔点高的金属钨、钼等为主。
高温共烧陶瓷烧结工艺及相关设备厂商名单
图  高温共烧陶瓷流程

共烧工艺是在烧结炉中,在适当的气氛下,使生瓷块经过一系列升温、保温、降温过程,排除生瓷内有机物,使生坯中的颗粒互相键联,晶粒长大,晶界减少,排出气孔,瓷体体积收缩、密度增加,同时内部及表面的导体和电阻与瓷体通过相互扩散紧密结合。

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图 HTCC陶瓷体,摄于佳利电子展台

HTCC 烧结由于金属化材料的存在,钨、钼等金属材料易氧化,烧结的气氛通常为还原性气氛,其中较为常用的气氛为氢气或氢氮混合气体。其中氧化铝HTCC 由于氧化物在高温还原气氛下容易发生还原反应,通常引入适量的水蒸汽作为氧化剂来抑制氧化物的还原,因此高温共烧陶瓷的烧结气氛一般为湿氢或加湿的氢氮混合气体。
钨金属化与陶瓷高温共烧过程主要包括:

①烧结初期——溶剂、粘结剂、增塑剂以及它们的分解残留碳的排除

②烧结中期——液相的生成

③烧结后期——致密烧结体的形成
在烧结初期如果溶剂、粘接剂、增塑剂以及它们分解残留的碳排除不足,会使烧结后的瓷件发黑,甚至起泡,所以这个过程必须要有足够的氧;然而钨金属自身的高温抗氧化能力差,在还原气氛下烧结,过多的氧含量也会使钨金属化烧失严重,从而造成瓷件气密性和钨金属化与瓷件的结合结合强度的失效。烧结中后期直接影响最终致密烧结体的形成和瓷件的各项性能。在烧结过程中,烧结温度、烧结气氛以及生瓷的尺寸和厚度对烧结影响密切。

二、烧结设备相关供应商名单

共烧工艺可选用箱式烧结炉和连续烧结炉,高温共烧陶瓷烧结设备配备氮气系统、氢气及尾气处理系统,烧结氧化铝的烧结炉配备气体加湿器,最高温度大于1650℃,烧结氮化铝的烧结炉最高温度大于1800℃。

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天津中环电炉股份有限公司

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安徽贝意克设备技术有限公司

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深圳市鑫陶窑炉设备有限公司

无锡市新星源机电设备有限公司

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作者 gan, lanjie