Boîtier en céramique soudé métallisé pour relais CC : technologie de base de l'emballage de relais hermétique

Le boîtier en céramique soudé métallisé pour relais CC sert de composant d'isolation et d'étanchéité critique pour les relais CC haute tension. Il utilise une métallisation céramique et un brasage céramique-métal pour créer une cavité d'extinction d'arc entièrement scellée, isolant les systèmes de contact internes de l'humidité, de la poussière et de l'environnement externe. Cette solution résout les goulots d'étranglement des boîtiers en plastique soumis à des cycles haute tension et haute température, et est largement adoptée dans le stockage d'énergie, les déconnexions de batteries de véhicules électriques et les systèmes de distribution d'énergie CC.

Les céramiques et les métaux ont des propriétés physiques très différentes. La céramique est un matériau inorganique non métallique doté d'une isolation et d'une stabilité thermique exceptionnelles, tandis que le métal offre une excellente conductivité électrique et ductilité. Pour combiner leurs atouts pour le boîtier de relais sous vide en céramique d'alumine Al2O3, la métallisation de la céramique devient l'étape de prétraitement indispensable. Le processus dépose un mince film métallique fermement lié sur les surfaces en céramique, rendant la céramique soudable pour un assemblage de brasage ultérieur avec des anneaux métalliques ou des embouts. La qualité de la métallisation détermine directement l'étanchéité à l'air et la fiabilité à long terme du boîtier de relais fini.

L'assemblage de la céramique et du métal pour la céramique métallisée à l'alumine pour relais électriques présente plusieurs défis matériels inhérents.

• Coefficient de dilatation thermique incompatible. Les céramiques présentent une faible dilatation thermique, tandis que les métaux se dilatent beaucoup plus sous l'effet de la chaleur, ce qui provoque facilement des fissures au niveau des joints d'étanchéité. Les ingénieurs doivent gérer soigneusement les contraintes thermiques via des couches métalliques intermédiaires adaptées.
• Faible conductivité thermique et mauvaise résistance aux chocs thermiques de la céramique. Lors du brasage, les gradients de température autour de la zone de soudure doivent être minimisés, avec des vitesses de refroidissement contrôlées après l'assemblage.
• La plupart des céramiques sont non conductrices, ce qui exclut les méthodes de soudage électrique conventionnelles. Une métallisation céramique ou un brasage métallique actif est nécessaire pour créer une interface de liaison fiable.
• Une coordination électronique stable à l’intérieur des molécules céramiques crée des barrières élevées pour la liaison directe céramique-métal. La modification de la surface est obligatoire avant le soudage.
• Les céramiques sont des matériaux cristallins covalents à déformation plastique limitée. Des fractures fragiles se produisent fréquemment au niveau des articulations. Les couches tampons intermédiaires et le soudage par diffusion indirecte sont couramment appliqués pour abaisser la température de jonction.
• Des structures d'étanchéité spécialisées sont requises pour les boîtiers de relais, classées comme joint plat, joint à manchon, joint à broche et joint bout à bout. L'étanchéité des manchons offre les meilleures performances, avec des exigences de fabrication strictes pour tous les types de joints.

Le mécanisme de métallisation est une combinaison complexe de diffusion physique et de réactions chimiques, notamment l’écoulement plastique et le réarrangement des particules. Les composants oxydes à l’intérieur de la pâte de métallisation réagissent et diffusent lors des différentes étapes de frittage. À mesure que la température augmente, les matières premières forment des composés intermédiaires et se transforment en une phase vitreuse liquide à la température eutectique. La phase vitreuse visqueuse génère un écoulement plastique ; les particules se réorganisent sous l’effet de la force capillaire. Poussés par l'énergie de surface, les atomes se diffusent et les grains se développent, les pores rétrécissent et disparaissent, formant finalement une couche métallisée dense pour les composants en céramique d'alumine de haute précision.

1. Prétraitement du substrat. Polissage des ébauches de céramique frittée jusqu'à une douceur optique avec une pâte abrasive diamantée, contrôlant la rugosité de la surface inférieure ou égale à 1,6 μm. Nettoyage par ultrasons à l'acétone et à l'alcool à température ambiante pendant 20 minutes.
2. Préparation des boues de métallisation. Peser les matières premières selon la formulation, puis broyer à boulets pour préparer une bouillie avec une viscosité ciblée.
3. Enduction et séchage. Bouillie de métallisation sérigraphiée uniformément sur les substrats céramiques. L'épaisseur de la boue nécessite un contrôle précis : une épaisseur trop fine permet à l'apport de brasage de pénétrer dans la couche métallisée, tandis qu'une épaisseur excessive entrave la migration des éléments. Les pièces revêtues sont séchées dans un four.
4. Traitement thermique. Fritter les pièces séchées sous atmosphère réductrice pour former la couche métallisée liée.

Méthode Mo-Mn

La métallisation Mo-Mn utilise de la poudre de molybdène réfractaire mélangée à de la poudre de manganèse, recouverte de céramique Al₂O₃ et frittée pour former une couche métallique. Le procédé Mo-Mn traditionnel nécessite des températures de frittage élevées et consomme plus d'énergie ; sans activateurs, la force d'étanchéité reste relativement faible.

Méthode Mo-Mn activée

Le Mo-Mn activé est optimisé à partir de la route Mo-Mn classique. Les modifications incluent l'ajout d'activateurs ou le remplacement de la poudre métallique par des oxydes ou des sels de molybdène/manganèse, dans le but de réduire la température de frittage. Bien que le processus soit compliqué et coûteux, il crée une forte liaison et améliore les performances de mouillage. Elle reste la solution de métallisation la plus mature et la plus largement adoptée pour les emballages de relais hermétiques.

Brasage actif des métaux

Le brasage métallique actif est largement utilisé pour le scellement céramique-métal. Comparée à la technologie Mo-Mn, elle a été développée environ 10 ans plus tard. L’ensemble du joint céramique-métal peut être réalisé en un seul cycle de chauffage. L'alliage de brasage contient des éléments actifs tels que Ti, Zr, Hf et Ta. Ces éléments actifs réagissent avec les céramiques d'alumine et forment des couches de réaction métalliques à l'interface. Ce processus est plus simple et plus rentable pour une production de masse. Sa limite réside dans la sélection limitée des matériaux de brasage, ce qui la rend plus adaptée aux grandes pièces ou aux lots de faible volume plutôt qu'à une production continue à grande vitesse.

Cuivre à liaison directe (DBC)

Le DBC colle une feuille de cuivre directement sur des substrats céramiques, principalement Al₂O₃ et AlN. Développé parallèlement au packaging des puces COB, DBC introduit de l’oxygène entre le cuivre et la céramique. À 1 065 ~ 1 083 degrés, un liquide eutectique Cu-O se forme et réagit avec la feuille de céramique et de cuivre, générant des phases CuAlO₂ ou Cu(AlO₂)₂ pour obtenir une liaison solide.

Pulvérisation magnétron

La pulvérisation magnétron est une technique de dépôt physique en phase vapeur qui consiste à déposer des films métalliques multicouches sur des substrats céramiques. Il offre une forte adhérence, une faible contamination et une structure de grain contrôlée pour des revêtements métalliques minces de haute qualité. Le film métallisé obtenu est ultra fin et maintient une tolérance dimensionnelle stricte. Cependant, elle ne peut pas être appliquée aux céramiques sensibles à la chaleur comme les céramiques piézoélectriques ou les matériaux monocristallins.

1. Formulation de métallisation. La conception de la formulation pose les bases de couches de métallisation qualifiées.
2. Sintering temperature and holding time. Metallization sintering is classified into ultra-high temperature (>1600 degrés), haute température (1450 ~ 1600 degrés), température moyenne (1300 ~ 1450 degrés) et basse température (<1300°C). Insufficient temperature stops glass phase diffusion; overheating weakens bonding strength and causes metallization layer peeling and seal failure.
3. Microstructure de la couche de métallisation. La microstructure de métallisation détermine les performances d’étanchéité finales. Un revêtement métallisé de haute qualité est dense et présente une forte adhérence. Une structure en couches transparentes sans composés intermétalliques cassants continus réduit le risque de propagation des fissures et de pénétration de la brasure.

D'autres facteurs d'influence incluent la taille et la gradation des particules de poudre. La poudre fine a tendance à s’agglomérer et à ruiner l’uniformité du revêtement. Une poudre trop grossière augmente la température de frittage et dégrade la qualité. La technique de revêtement et l’épaisseur du revêtement exercent également un impact significatif sur les résultats de la métallisation.

Les céramiques relais d'alumine métallisées dépendent d'une technologie mature de métallisation et de brasage de la céramique pour obtenir un emballage hermétique fiable. L'adaptation des contraintes des matériaux, la formulation de métallisation et les paramètres de frittage sont les variables essentielles qui déterminent l'isolation, le taux de fuite d'hélium et la durée de vie des relais CC haute tension. À mesure que les marchés du stockage d'énergie et des véhicules électriques se développent, la technologie précise d'étanchéité céramique-métal continue d'évoluer pour répondre aux exigences de tension plus élevée, de miniaturisation et de longue durée de vie des composants de relais de puissance.

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