Alloggiamento in ceramica saldata metallizzata del relè CC: tecnologia principale del confezionamento ermetico dei relè

L'alloggiamento in ceramica saldata metallizzata del relè CC funge da componente isolante e di tenuta ermetica critico per i relè CC ad alta tensione. Utilizza la metallizzazione ceramica e la brasatura ceramica-metallo per creare una cavità di estinzione dell'arco completamente sigillata, isolando i sistemi di contatto interni da umidità, polvere e ambiente esterno. Questa soluzione risolve i colli di bottiglia degli alloggiamenti in plastica sottoposti a cicli ad alta tensione e ad alta temperatura ed è ampiamente adottata nello stoccaggio di energia, nelle disconnessioni delle batterie dei veicoli elettrici e nei sistemi di distribuzione dell'alimentazione CC.

La ceramica e i metalli hanno proprietà fisiche molto diverse. La ceramica è un materiale inorganico non metallico con isolamento e stabilità termica eccezionali, mentre il metallo offre un'eccellente conduttività elettrica e duttilità. Per unire i punti di forza dell'involucro del relè sotto vuoto in ceramica di allumina Al2O3, la metallizzazione ceramica diventa la fase di pretrattamento indispensabile. Il processo deposita una sottile pellicola metallica saldamente legata sulle superfici ceramiche, rendendo la ceramica saldabile per il successivo assemblaggio tramite brasatura con anelli metallici o tappi terminali. La qualità della metallizzazione determina direttamente l'ermeticità e l'affidabilità a lungo termine dell'alloggiamento del relè finito.

L'unione di ceramica e metallo per la ceramica metallizzata allumina per relè elettrici comporta diverse sfide inerenti ai materiali.

• Coefficiente di dilatazione termica non corrispondente. La ceramica presenta una bassa dilatazione termica mentre i metalli si espandono molto di più sotto il calore, il che innesca facilmente crepe nei giunti di sigillatura. Gli ingegneri devono gestire attentamente lo stress termico tramite strati metallici intermedi abbinati.
• Bassa conduttività termica e scarsa resistenza agli shock termici della ceramica. Durante la brasatura, i gradienti di temperatura attorno alla zona di saldatura devono essere ridotti al minimo, con velocità di raffreddamento controllate dopo la giunzione.
• La maggior parte delle ceramiche non sono conduttive, il che esclude i tradizionali metodi di saldatura elettrica. Per creare un'interfaccia di incollaggio affidabile è necessaria la metallizzazione ceramica o la brasatura attiva dei metalli.
• La coordinazione elettronica stabile all'interno delle molecole ceramiche crea elevate barriere per il legame diretto ceramica-metallo. La modifica della superficie è obbligatoria prima della saldatura.
• Le ceramiche sono materiali cristallini covalenti con deformazione plastica limitata. La frattura fragile si verifica frequentemente alle articolazioni. Strati tampone intermedi e saldatura per diffusione indiretta vengono comunemente applicati a temperature di giunzione più basse.
• Per gli alloggiamenti dei relè sono necessarie strutture di tenuta specializzate, classificate come tenuta piatta, tenuta del manicotto, tenuta del perno e tenuta di testa. La sigillatura del manicotto offre le migliori prestazioni, con severi requisiti di produzione per tutti i tipi di giunti.

Il meccanismo di metallizzazione è una complessa combinazione di diffusione fisica e reazioni chimiche, tra cui il flusso plastico e la riorganizzazione delle particelle. I componenti dell'ossido all'interno della pasta di metallizzazione reagiscono e si diffondono in diverse fasi di sinterizzazione. All'aumentare della temperatura, le materie prime formano composti intermedi e si trasformano in una fase vetrosa liquida alla temperatura eutettica. La fase vetrosa viscosa genera flusso plastico; le particelle si riorganizzano sotto la forza capillare. Spinti dall'energia superficiale, gli atomi si diffondono e i grani crescono, i pori si restringono e scompaiono, formando infine un denso strato metallizzato per i componenti in ceramica di allumina ad alta precisione.

1. Pre-elaborazione del substrato. Lucidatura di grezzi ceramici sinterizzati fino a levigatezza ottica con pasta abrasiva diamantata, controllo della ruvidità superficiale inferiore o uguale a 1,6μm. Pulizia ad ultrasuoni in acetone e alcool a temperatura ambiente per 20 minuti.
2. Preparazione dell'impasto liquido di metallizzazione. Pesare le materie prime in base alla formulazione, quindi utilizzare un mulino a sfere per preparare un liquame con viscosità mirata.
3. Rivestimento ed asciugatura. Serigrafia dell'impasto di metallizzazione in modo uniforme su substrati ceramici. Lo spessore dell'impasto liquido necessita di un controllo preciso: uno spessore troppo sottile consente al riempitivo per brasatura di penetrare nello strato metallizzato, mentre uno spessore eccessivo ostacola la migrazione degli elementi. Le parti rivestite vengono essiccate all'interno di un forno.
4. Trattamento termico. Sinterizzare i pezzi essiccati in atmosfera riducente per formare lo strato metallizzato incollato.

Metodo Mo-Mn

La metallizzazione Mo-Mn utilizza polvere di molibdeno refrattaria miscelata con polvere di manganese, rivestita su ceramica Al₂O₃ e sinterizzata per formare uno strato metallico. Il tradizionale processo Mo-Mn richiede temperature di sinterizzazione elevate e consuma più energia; senza attivatori la forza sigillante rimane relativamente bassa.

Metodo Mo-Mn attivato

Il Mo-Mn attivato è ottimizzato dal classico percorso Mo-Mn. Le modifiche includono l'aggiunta di attivatori o la sostituzione della polvere metallica con ossidi o sali di molibdeno/manganese, con l'obiettivo di ridurre la temperatura di sinterizzazione. Sebbene il processo sia complicato e costoso, crea un forte legame e migliora le prestazioni di bagnatura. Rimane la soluzione di metallizzazione più matura e ampiamente adottata per il confezionamento di relè ermetici.

Brasatura attiva dei metalli

La brasatura attiva dei metalli è ampiamente utilizzata per la sigillatura ceramica-metallo. Rispetto alla tecnologia Mo-Mn, questa è stata sviluppata circa 10 anni dopo. L'intero giunto ceramica-metallo può essere completato in un ciclo di riscaldamento. La lega brasata contiene elementi attivi come Ti, Zr, Hf e Ta. Questi elementi attivi reagiscono con le ceramiche di allumina e formano strati di reazione metallici sull'interfaccia. Questo processo è più semplice ed economico per la produzione di massa. Il suo limite risiede nella selezione limitata del materiale per brasatura, che lo rende più adatto a parti di grandi dimensioni o lotti a basso volume invece che alla produzione continua ad alta velocità.

Rame legato direttamente (DBC)

DBC incolla la lamina di rame direttamente su substrati ceramici, principalmente Al₂O₃ e AlN. Sviluppato insieme all'imballaggio dei chip COB, DBC introduce ossigeno tra rame e ceramica. A 1065~1083 gradi, si forma un liquido eutettico Cu-O che reagisce con la ceramica e il foglio di rame, generando fasi CuAlO₂ o Cu(AlO₂)₂ per ottenere un legame solido.

Sputtering del magnetron

Lo sputtering del magnetron è una tecnica di deposizione fisica da vapore che deposita pellicole metalliche multistrato su substrati ceramici. Fornisce forte adesione, bassa contaminazione e struttura a grana controllata per rivestimenti metallici sottili di alta qualità. La pellicola metallizzata risultante è ultrasottile e mantiene una stretta tolleranza dimensionale. Tuttavia, non può essere applicato a ceramiche sensibili al calore come ceramiche piezoelettriche o materiali monocristallini.

1. Formulazione di metallizzazione. La progettazione della formulazione pone le basi per strati di metallizzazione qualificati.
2. Sintering temperature and holding time. Metallization sintering is classified into ultra-high temperature (>1600 gradi), alta temperatura (1450~1600 gradi), media temperatura (1300~1450 gradi) e bassa temperatura (<1300°C). Insufficient temperature stops glass phase diffusion; overheating weakens bonding strength and causes metallization layer peeling and seal failure.
3. Microstruttura dello strato di metallizzazione. La microstruttura della metallizzazione determina le prestazioni di tenuta finali. Un rivestimento metallizzato di alta qualità è denso con una forte adesione. Una struttura a strati trasparente senza composti intermetallici fragili continui riduce la propagazione delle cricche e il rischio di penetrazione della brasatura.

Altri fattori che influenzano includono la dimensione e la gradazione delle particelle di polvere. La polvere fine tende ad agglomerarsi e a rovinare l'uniformità del rivestimento. Una polvere eccessivamente grossolana aumenta la temperatura di sinterizzazione e peggiora la qualità. Anche la tecnica di rivestimento e lo spessore del rivestimento esercitano un impatto significativo sui risultati della metallizzazione.

La ceramica dei relè in allumina metallizzata dipende dalla metallizzazione ceramica matura e dalla tecnologia di brasatura per ottenere un imballaggio ermetico affidabile. L'adattamento dello stress del materiale, la formulazione della metallizzazione e i parametri di sinterizzazione sono le variabili principali che determinano l'isolamento, il tasso di perdita di elio e la durata di servizio dei relè CC ad alta tensione. Con l’espansione dei mercati dello stoccaggio dell’energia e dei veicoli elettrici, la precisa tecnologia di tenuta ceramica-metallo continua ad evolversi per soddisfare i requisiti di tensione più elevata, miniaturizzazione e lunga durata dei componenti dei relè di potenza.

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