一种提高陶瓷表面金属化薄膜附着力的方法与流程

本发明涉及一种提高陶瓷表面金属化薄膜附着力的方法，属于陶瓷金属化技术领域。

背景技术：

采用磁控溅射技术实现陶瓷金属化在近几年得到了快速的发展。专利cn102503580a和cn104058796b公开了热敏陶瓷和ptc陶瓷的磁控溅射金属化方法，相对于传统的化学镀、电镀、烧渗金属、蒸发镀膜、金属喷镀等技术而言，磁控溅射技术制备的陶瓷金属化产品具有产品性能好、一致性高、环保、成本低等优点。但是，在某些陶瓷产品如氧化铝、氮化铝、钛酸镁和氧化锆等陶瓷表面制备的金属化薄膜的附着力相对较差。为了提高陶瓷表面金属化薄膜附着力，专利cn104072206b公开了一种采用真空烘烤对基片进行除湿处理提高氮化铝陶瓷基片厚膜附着力的方法，但是其需要特制成本较高的真空烘烤腔体；专利103360122b公开了一种采用先腐蚀粗化陶瓷基底，再利用高功率脉冲磁控溅射技术获得的高能粒子轰击陶瓷基底表面获得附着力较好的金属薄膜的方法，但是该方法需要先利用腐蚀液处理陶瓷基体，对很多陶瓷产品而言都是不允许的，且高功率脉冲磁控电源价格昂贵。专利cn105777210a公开了一种采用激光前处理氮化铝陶瓷基板获得高附着力的方法，其激光处理效率受激光器技术的限制。

相比于常规的丝印银浆再烧结的金属化技术，上述陶瓷金属化技术其膜层与陶瓷附着力在焊接拉力测试试验中已经从十几牛提高到几十牛，但是，由于陶瓷表面上的几层金属化膜层的互溶性较差、热力学性质相差甚远等原因，导致不同金属化膜层之间存在较大的内应力，这种应力在影响金属化膜系自身的稳定性的同时也将不利影响传导至陶瓷基体与金属化膜层的接触面上。当陶瓷器件在高低温下循环工作时，使得金属化膜层与陶瓷的结合力大幅度下降，严重影响陶瓷器件的可靠性与稳定性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种金属化膜层与陶瓷基体的附着力强、生产成本低、能在高低温循环工作条件下稳定工作的陶瓷金属化方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种提高陶瓷表面金属化薄膜附着力的方法，包括以下步骤：

（1）陶瓷基体前处理：对陶瓷基体依次用小极性至大极性溶剂进行清洗；随后在温度为250℃-680℃的常压环境下烘烤1到3小时；

（2）沉积金属层a：利用磁控溅射技术，抽至真空5×10^-3pa后，充入氩气，动态维持气压为1×10^-1pa-2×10^-1pa范围内，沉积厚度为50nm-500nm的金属层a；

（3）沉积合金层ab：调节氩气流量动态维持气压为5×10^-1pa-1pa，采用a、b靶共同磁控溅射沉积厚度为20nm-500nm的合金层ab；

（4）沉积金属层b：保持步骤（3）的气压条件，再次利用磁控溅射技术沉积厚度为200nm-2000nm的金属层b。

步骤（1）中选用极性试剂包括丙酮、乙醇、去离子水或其组合中的几种，采用超声波清洗5-30分钟。

所述金属层a选自钛、铬、镍、铝、钼、钨或其合金中的一种。

所述金属层b选自铜或银。

步骤（3）中采用a、b靶共同磁控溅射沉积的工艺为：采用电脑控制a、b靶的溅射电源，根据沉积膜厚度决定持续时间，在持续时间内，使a靶的溅射功率从100%降到0%，同时b靶的溅射功率从0%增加至100%。

在步骤（4）完成之后根据金属层b的厚度要求，采用电镀或丝网印刷工艺对金属层b进行加厚，厚度范围为2μm-100μm。

所述陶瓷基体选自微波陶瓷，铁氧体陶瓷、氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷、介电陶瓷、热敏陶瓷、压敏陶瓷、压电陶瓷、铁电陶瓷、磁性陶瓷、氧化硅陶瓷或氧化锆陶瓷中的任一种。

本发明所达到的有益效果：本发明制备过程无污染，制备的金属化陶瓷具有膜层与陶瓷结合强度大，结构稳定的特点，并且相对于已有的公开的提高陶瓷表面金属化膜层附着力的方法，本发明无须增加额外的设备投资，只需通过电脑控制直流电源即可，具有低成本的优势。

附图说明

图1是本发明制备的金属化陶瓷结构示意图；附图标记说明：1为陶瓷基体，2为金属层a，3为合金层ab，4为金属层b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1微波陶瓷金属化

第一步：将规格为30mm×30mm×15mm的钛酸镁微波介质陶瓷用1000目砂纸进行表面精细打磨后，分别放入丙酮溶液、乙醇溶液、去离子水中超声清洗各15分钟，在350℃的温度下用鼓风干燥箱烘烤1小时。

第二步：将前处理后的微波陶瓷立刻放入真空腔体，10分钟内将真空腔体抽至的真空度达至5×10^-3pa，充入氩气，动态维持气压为1×10^-1pa-2×10^-1pa范围内，溅射直流电流1a，直流电压500v，沉积厚度为50nm的金属铬层后关闭铬靶溅射电源。

第三步：调节氩气流量，维持动态气压在5×10^-1pa，再次开启铬靶溅射电源，同时开启铜靶溅射电源，采用电脑控制，使铬靶直流电流从1a下降至0，而铜靶溅射电源从0上升至1a，整个过程持续2分钟，膜厚约为100nm。

第四步，在第三步完成后关闭铬靶电源，保持铜靶电源直流1a，沉积膜厚至约1μm。

第五步，将第四步制备得到的微波陶瓷器件放入电镀设备中，电镀加厚铜膜至20μm。

制备得到的样品在焊接拉力测试中最高达到344n（此时，陶瓷已被剥开）。

将制备的样品在烘箱中加热到150℃，拿出后立即放入20°c的冷水中，然后再进行拉力测试，附着力下降不大于3%。

在-55℃—125℃高低温循环1000h表面未发现膜层裂纹。

实施例2铁氧体陶瓷金属化

第一步：将规格为78mm×70mm×50mm的表面洁净的铁氧体陶瓷分别放入丙酮溶液、去离子水中超声清洗各15分钟，在250℃的温度下烘烤1.5小时。

第二步：将前处理后的铁氧体陶瓷装架后立刻放入真空腔体，15分钟内将真空腔体抽至的真空度达至5×10^-3pa，充入氩气，动态维持气压为1×10^-1pa-2×10^-1pa范围内，溅射直流电流1a，直流电压500v，沉积厚度为500nm的金属镍层后关闭镍靶溅射电源。

第三步：调节氩气流量，维持动态气压在5×10^-1pa，再次开启镍靶溅射电源，同时开启银靶溅射电源，采用电脑控制，使镍靶直流电流从1a下降至0，而银靶溅射电源从0上升至1a，整个过程持续5分钟，膜厚约为400nm。

第四步，在第三步完成后关闭镍靶电源，保持银靶电源直流1a，沉积膜厚至约1μm。

制备得到的样品焊接拉力测试中最高达到150n。

实施例3氮化铝陶瓷金属化

第一步：将规格为10mm×10mm×0.3mm的氮化铝陶瓷基片用丙酮、乙醇体积比1:1混合溶液超声清洗15min；去离子水超声清洗15min；随后在温度为550℃的常压环境下烘烤1小时。

第二步：将前处理后的氮化铝陶瓷薄片立刻放入真空腔体，15分钟内将真空腔体抽至的真空度达至5×10^-3pa，充入氩气，动态维持气压为1×10^-1pa-2×10^-1pa范围内，溅射直流电流1a，直流电压500v，沉积厚度为50nm的金属铬层后关闭铬靶溅射电源。

第三步：调节氩气流量，维持动态气压在5×10^-1pa，再次开启铬靶溅射电源，同时开启铜靶溅射电源，采用电脑控制，使铬靶直流电流从1a下降至0，而铜靶溅射电源从0上升至1a，整个过程持续1分钟，膜厚约为50nm。

第四步，在第三步完成后关闭铬靶电源，保持铜靶电源直流1a，沉积膜厚至约2μm。

第五步，将第四步制备得到的微波陶瓷器件放入电镀设备中，电镀加厚至50μm。

制备得到的样品焊接拉力测试中最高达到170n。

实施例4氧化铝陶瓷金属化

第一步：将规格为100mm×100mm×0.3mm的95氧化铝陶瓷板用丙酮、乙醇体积比1:1混合溶液超声清洗5min；去离子水超声清洗5min；随后在温度为350℃的常压环境下烘烤1小时。

第二步：将前处理后的氧化铝陶瓷板立刻放入真空腔体，15分钟内将真空腔体抽至的真空度达至5×10^-3pa，充入氩气，动态维持气压为1×10^-1pa-2×10^-1pa范围内，溅射直流电流1a，直流电压500v，沉积厚度为50nm的金属铬层后关闭铬靶溅射电源。

第三步：调节氩气流量，维持动态气压在5×10^-1pa，再次开启铬靶溅射电源，同时开启铜靶溅射电源，采用电脑控制，使铬靶直流电流从1a下降至0，而铜靶溅射电源从0上升至1a，整个过程持续1分钟，膜厚约为50nm。

第四步，在第三步完成后关闭铬靶电源，保持铜靶电源直流1a，沉积膜厚至约2μm。

第五步，将第四步制备得到的微波陶瓷器件放入电镀设备中，电镀铜加厚至50μm。

制备得到的样品焊接拉力测试中最高达到200n。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。