Carcassa de ceràmica soldada metal·litzada per relé DC: tecnologia bàsica d'embalatge de relés hermètics

La carcassa de ceràmica soldada metal·litzada del relé DC serveix com a component aïllant i hermètic de segellat crític per als relés de corrent continu d'alta tensió. Utilitza metal·lització ceràmica i soldadura ceràmica-metall per crear una cavitat d'extinció d'arc totalment segellada, aïllant els sistemes de contacte intern de la humitat, la pols i l'entorn extern. Aquesta solució aborda els colls d'ampolla de les carcasses de plàstic en cicles d'alta tensió i alta temperatura, i s'adopta àmpliament en l'emmagatzematge d'energia, desconnexió de bateries de vehicles elèctrics i sistemes de distribució d'energia de corrent continu.

La ceràmica i els metalls tenen propietats físiques molt diferents. La ceràmica és un material inorgànic no metàl·lic amb un excel·lent aïllament i estabilitat tèrmica, mentre que el metall ofereix una conductivitat i ductilitat elèctrica excel·lents. Per combinar els seus punts forts per a la carcassa del relé de buit de ceràmica d'alúmina Al2O3, la metal·lització ceràmica es converteix en el pas indispensable del pretractament. El procés diposita una pel·lícula fina metàl·lica fermament unida a les superfícies ceràmiques, fent que la ceràmica es pugui soldar per a un posterior muntatge de soldadura amb anells metàl·lics o tapes d'extrem. La qualitat de la metal·lització determina directament l'estanquitat i la fiabilitat a llarg termini de la carcassa del relé acabat.

La unió de ceràmica i metall per a la ceràmica metal·litzada d'alúmina per a relés elèctrics comporta diversos reptes materials inherents.

• Coeficient d'expansió tèrmica no coincident. Les ceràmiques tenen una baixa expansió tèrmica mentre que els metalls s'expandeixen molt més sota la calor, cosa que desencadena fàcilment esquerdes a les juntes de segellat. Els enginyers han de gestionar acuradament l'estrès tèrmic mitjançant capes metàl·liques intermèdies combinades.
• Baixa conductivitat tèrmica i poca resistència al xoc tèrmic de la ceràmica. Durant la soldadura, els gradients de temperatura al voltant de la zona de soldadura s'han de minimitzar, amb velocitats de refredament controlades després de la unió.
• La majoria de ceràmiques no són conductores, descartant els mètodes convencionals de soldadura elèctrica. Es requereix metal·lització ceràmica o soldadura de metall actiu per crear una interfície d'unió fiable.
• La coordinació electrònica estable dins de les molècules ceràmiques crea barreres elevades per a l'enllaç directe ceràmica-metall. La modificació de la superfície és obligatòria abans de la soldadura.
• Les ceràmiques són materials cristal·lins covalents amb una deformació plàstica limitada. La fractura fràgil es produeix amb freqüència a les articulacions. Les capes de tampó intermèdies i la soldadura de difusió indirecta s'apliquen habitualment per baixar la temperatura d'unió.
• Es necessiten estructures de segellat especialitzades per a les carcasses dels relés, categoritzats com a segell pla, segell de màniga, segell de pin i segell de culata. El segellat de mànigues ofereix el millor rendiment, amb requisits de fabricació estrictes per a tots els tipus de juntes.

El mecanisme de metal·lització és una combinació complexa de difusió física i reaccions químiques, incloent el flux plàstic i la reordenació de partícules. Els components d'òxid dins de la pasta de metal·lització reaccionen i es difonen en diferents etapes de sinterització. A mesura que augmenta la temperatura, les matèries primeres formen compostos intermedis i es converteixen en una fase líquida de vidre a la temperatura eutèctica. La fase de vidre viscosa genera flux plàstic; les partícules es reorganitzen sota força capil·lar. Impulsats per l'energia superficial, els àtoms es difonen i els grans creixen, els porus es redueixen i desapareixen, formant finalment una densa capa metal·litzada per als components ceràmics d'alúmina d'alta precisió.

1. Preprocessament del substrat. Polit en blanc de ceràmica sinteritzada fins a una suavitat òptica amb pasta abrasiva de diamant, controlant la rugositat superficial Menor o igual a 1,6 μm. Neteja per ultrasons en acetona i alcohol a temperatura ambient durant 20 minuts.
2. Preparació de purins de metal·lització. Peseu les matèries primeres segons la formulació, i després molí de boles per preparar purins amb una viscositat específica.
3. Recobriment i assecat. Serigrafia la purín de metal·lització de manera uniforme sobre substrats ceràmics. El gruix de la purina necessita un control precís: massa prim permet que el farciment de soldadura penetri a la capa metal·litzada, mentre que un gruix excessiu dificulta la migració elemental. Les parts recobertes s'assequen dins d'un forn.
4. Tractament tèrmic. Sinteritza les peces assecades sota una atmosfera reductora per formar la capa metal·litzada unida.

Mètode Mo-Mn

La metal·lització de Mo-Mn utilitza pols de molibdè refractària barrejada amb pols de manganès, recoberta amb ceràmica Al₂O₃ i sinteritzada per formar una capa metàl·lica. El procés tradicional Mo-Mn requereix altes temperatures de sinterització i consumeix més energia; sense activadors, la força de segellat es manté relativament baixa.

Mètode Mo-Mn activat

Mo-Mn activat està optimitzat a partir de la ruta clàssica Mo-Mn. Les modificacions inclouen l'addició d'activadors o la substitució de la pols metàl·lica per òxids o sals de molibdè/manganès, amb l'objectiu de reduir la temperatura de sinterització. Tot i que el procés és complicat i costós, crea una unió forta i millora el rendiment de la humectació. Continua sent la solució de metal·lització més madura i àmpliament adoptada per als envasos de relés hermètics.

Soldadura activa de metalls

La soldadura de metall actiu s'utilitza àmpliament per al segellat de ceràmica-metall. En comparació amb la tecnologia Mo-Mn, es va desenvolupar aproximadament 10 anys després. Tota la unió ceràmica-metall es pot completar en un cicle de calefacció. L'aliatge de soldadura conté elements actius com Ti, Zr, Hf i Ta. Aquests elements actius reaccionen amb la ceràmica d'alúmina i formen capes de reacció metàl·liques a la interfície. Aquest procés és més senzill i rendible per a la producció en massa. La seva limitació rau en la selecció limitada del material de soldadura, el que el fa més adequat per a peces grans o lots de baix volum en lloc de la producció contínua d'alta velocitat.

Coure enllaçat directe (DBC)

DBC uneix la làmina de coure directament sobre substrats ceràmics, principalment Al₂O₃ i AlN. Desenvolupat juntament amb l'envasament de xips COB, DBC introdueix oxigen entre el coure i la ceràmica. A 1065 ~ 1083 graus, es forma un líquid eutèctic Cu-O i reacciona amb la làmina de ceràmica i coure, generant fases CuAlO₂ o Cu(AlO₂)₂ per aconseguir un enllaç sòlid.

Sputtering de Magnetron

La pulverització de magnetrons és una tècnica de deposició física de vapor que diposita pel·lícules metàl·liques multicapa sobre substrats ceràmics. Proporciona una forta adhesió, baixa contaminació i estructura de gra controlada per a recobriments metàl·lics prims d'alta qualitat. La pel·lícula metal·litzada resultant és ultrafina i manté una tolerància dimensional estreta. Tanmateix, no es pot aplicar a ceràmiques sensibles a la calor com la ceràmica piezoelèctrica o els materials monocristall.

1. Formulació de metal·lització. El disseny de la formulació estableix les bases per a capes de metal·lització qualificades.
2. Sintering temperature and holding time. Metallization sintering is classified into ultra-high temperature (>1600 graus), temperatura alta (1450 ~ 1600 graus), temperatura mitjana (1300 ~ 1450 graus) i temperatura baixa (<1300°C). Insufficient temperature stops glass phase diffusion; overheating weakens bonding strength and causes metallization layer peeling and seal failure.
3. Microestructura de la capa de metal·lització. La microestructura de metal·lització determina el rendiment final del segellat. Un recobriment metal·litzat d'alta qualitat és dens amb una forta adherència. Una estructura clara en capes sense compostos intermetàl·lics trencadissos continus redueix la propagació d'esquerdes i el risc de penetració de la soldadura.

Altres factors que influeixen inclouen la mida i la gradació de les partícules de pols. La pols fina tendeix a aglomerar-se i arruïnar la uniformitat del recobriment. La pols massa gruixuda augmenta la temperatura de sinterització i degrada la qualitat. La tècnica de recobriment i el gruix del recobriment també exerceixen un impacte significatiu en els resultats de la metal·lització.

La ceràmica de relé d'alúmina metal·litzada depèn de la tecnologia de metal·lització i soldadura de ceràmica madura per aconseguir un embalatge hermètic fiable. La concordança de tensió del material, la formulació de la metal·lització i els paràmetres de sinterització són les variables bàsiques que determinen l'aïllament, la taxa de fuites d'heli i la vida útil dels relés de corrent continu d'alta tensió. A mesura que s'expandeixen els mercats d'emmagatzematge d'energia i vehicles elèctrics, la tecnologia precisa de segellat de ceràmica a metall continua evolucionant per complir amb els requisits de tensió, miniaturització i llarga vida útil dels components del relé de potència.

Poseu-vos en contacte amb el nostre equip d'enginyers ara per a la validació de prototips i la cotització a granelCarcassa de ceràmica soldada amb relé de CC, recolzat per les nostres línies de producció internes de metal·lització ceràmica i soldadura hermètica.