DC 계전기 금속화 용접 세라믹 하우징: 밀폐형 계전기 패키징의 핵심 기술

DC 계전기 금속화 용접 세라믹 하우징은 고전압 DC 계전기의 중요한 절연 및 밀폐 밀봉 부품 역할을 합니다. 세라믹 금속화 및 세라믹-금속 브레이징을 사용하여 완전히 밀봉된 아크 소화 공동을 생성하고 내부 접점 시스템을 습기, 먼지 및 외부 환경으로부터 격리합니다. 이 솔루션은 고전압 및 고온 사이클링에서 플라스틱 하우징의 병목 현상을 해결하며 에너지 저장, EV 배터리 분리 및 DC 배전 시스템에 널리 채택됩니다.

세라믹과 금속은 물리적 특성이 크게 다릅니다. 세라믹은 무기 비금속 소재로 절연성과 열안정성이 뛰어나며, 금속은 전기 전도성과 연성이 우수합니다. Al2O3 알루미나 세라믹 진공 릴레이 케이싱의 장점을 결합하려면 세라믹 금속화가 필수적인 전처리 단계가 됩니다. 이 공정에서는 세라믹 표면에 단단히 결합된 금속 박막을 증착하여 금속 링이나 엔드 캡을 사용한 후속 브레이징 조립을 위해 세라믹을 용접할 수 있게 만듭니다. 금속화 품질은 완성된 릴레이 하우징의 기밀성과 장기적인 신뢰성을 직접적으로 결정합니다.

전기 계전기용 알루미나 금속 세라믹에 세라믹과 금속을 결합하면 몇 가지 고유한 재료 문제가 발생합니다.

• 열팽창 계수가 일치하지 않습니다. 세라믹은 열팽창이 낮은 반면 금속은 열에 의해 훨씬 더 팽창하므로 밀봉 접합부에서 쉽게 균열이 발생합니다. 엔지니어는 일치하는 중간 금속층을 통해 열 응력을 신중하게 관리해야 합니다.
• 세라믹의 열전도율이 낮고 열충격 저항성이 낮습니다. 브레이징 중에는 접합 후 냉각 속도를 제어하여 용접 영역 주변의 온도 구배를 최소화해야 합니다.
• 대부분의 세라믹은 비전도성이므로 기존의 전기 용접 방법을 배제합니다. 안정적인 접합 인터페이스를 생성하려면 세라믹 금속화 또는 활성 금속 브레이징이 필요합니다.
• 세라믹 분자 내부의 안정적인 전자 조정은 세라믹과 금속의 직접적인 결합을 위한 높은 장벽을 만듭니다. 용접 전 표면개질은 필수입니다.
• 세라믹은 소성 변형이 제한된 공유 결합 결정 물질입니다. 취성파괴는 관절에서 자주 발생한다. 접합 온도를 낮추기 위해 중간 완충층과 간접 확산 용접이 일반적으로 적용됩니다.
• 릴레이 하우징에는 플랫 씰, 슬리브 씰, 핀 씰, 버트 씰로 분류되는 특수한 씰링 구조가 필요합니다. 슬리브 씰링은 모든 조인트 유형에 대해 엄격한 제조 요구 사항을 적용하여 최고의 성능을 제공합니다.

금속화 메커니즘은 플라스틱 흐름과 입자 재배열을 포함한 물리적 확산과 화학적 반응의 복잡한 조합입니다. 금속화 페이스트 내부의 산화물 성분은 다양한 소결 단계에서 반응하고 확산됩니다. 온도가 상승함에 따라 원료는 중간 화합물을 형성하고 공융 온도에서 액체 유리상으로 변합니다. 점성 유리상은 소성 흐름을 생성합니다. 모세관력에 의해 입자가 재배열됩니다. 표면 에너지에 의해 원자가 확산되고 입자가 성장하며 기공이 수축 및 사라지고 최종적으로 고정밀 알루미나 세라믹 부품을 위한 조밀한 금속화 층이 형성됩니다.

1. 기판 전처리. 다이아몬드 연마 페이스트를 사용하여 소결된 세라믹 블랭크를 광학적 매끄러움으로 연마하고 표면 거칠기를 1.6μm 이하로 제어합니다. 아세톤과 알코올을 사용하여 실온에서 20분간 초음파 세척합니다.
2. 금속화 슬러리 준비. 배합에 따라 원료를 계량한 후 볼밀을 통해 목표 점도를 갖는 슬러리를 제조합니다.
3. 코팅 및 건조. 세라믹 기판에 스크린 인쇄 금속화 슬러리를 균일하게 도포합니다. 슬러리 두께는 정밀한 제어가 필요합니다. 너무 얇으면 브레이징 필러가 금속층에 침투할 수 있고, 너무 두꺼우면 원소 이동이 방해됩니다. 코팅된 부분은 오븐 안에서 건조됩니다.
4. 열처리. 건조된 공작물을 환원 분위기 하에서 소결하여 결합된 금속층을 형성합니다.

Mo-Mn 방법

Mo-Mn 금속화는 내화성 몰리브덴 분말과 망간 분말을 혼합하여 Al2O₃ 세라믹에 코팅한 후 소결하여 금속층을 형성하는 방식입니다. 전통적인 Mo-Mn 공정은 높은 소결 온도를 요구하고 더 많은 에너지를 소비합니다. 활성제가 없으면 밀봉 강도가 상대적으로 낮게 유지됩니다.

활성화된 Mo-Mn 방법

활성화된 Mo-Mn은 고전적인 Mo-Mn 경로에서 최적화됩니다. 수정에는 소결 온도를 낮추는 것을 목표로 활성화제를 추가하거나 금속 분말을 몰리브덴/망간 산화물 또는 염으로 교체하는 것이 포함됩니다. 공정이 복잡하고 비용이 많이 들지만 강력한 접착력을 형성하고 습윤 성능을 향상시킵니다. 이는 밀폐형 릴레이 패키징을 위한 가장 성숙하고 널리 채택되는 금속화 솔루션으로 남아 있습니다.

활성 금속 브레이징

활성 금속 브레이징은 세라믹-금속 밀봉에 널리 사용됩니다. Mo-Mn 기술과 비교하면 약 10년 뒤에 개발됐다. 전체 세라믹-금속 접합은 한 번의 가열 주기 내에 완료될 수 있습니다. 브레이즈 합금에는 Ti, Zr, Hf 및 Ta와 같은 활성 원소가 포함되어 있습니다. 이러한 활성 요소는 알루미나 세라믹과 반응하여 경계면에 금속 반응층을 형성합니다. 이 공정은 대량 생산에 더 간단하고 비용 효율적입니다. 그 한계는 브레이징 재료 선택이 제한되어 있어 지속적인 고속 생산 대신 대형 부품이나 소량 배치에 더 적합하다는 것입니다.

직접 보세 구리(DBC)

DBC는 주로 Al₂O₃ 및 AlN과 같은 세라믹 기판에 동박을 직접 접착합니다. COB 칩 패키징과 함께 개발된 DBC는 구리와 세라믹 사이에 산소를 도입합니다. 1065~1083도에서 Cu-O 공융액이 형성되어 세라믹 및 동박과 반응하여 CuAlO2 또는 Cu(AlO2)2상을 생성하여 고체결합을 이룬다.

마그네트론 스퍼터링

마그네트론 스퍼터링은 세라믹 기판에 다층 금속 필름을 증착하는 물리적 기상 증착 기술입니다. 고품질의 얇은 금속 코팅을 위한 강력한 접착력, 낮은 오염 및 제어된 입자 구조를 제공합니다. 그 결과 금속화된 필름은 매우 얇으며 엄격한 치수 공차를 유지합니다. 그러나 압전 세라믹이나 단결정 소재 등 열에 민감한 세라믹에는 적용할 수 없다.

1. 금속화 제제. 배합 설계는 자격을 갖춘 금속화 층의 기초를 마련합니다.
2. Sintering temperature and holding time. Metallization sintering is classified into ultra-high temperature (>1600도), 고온(1450~1600도), 중간온도(1300~1450도), 저온(<1300°C). Insufficient temperature stops glass phase diffusion; overheating weakens bonding strength and causes metallization layer peeling and seal failure.
3. 금속화층의 미세구조. 금속화 미세구조가 최종 밀봉 성능을 결정합니다. 고품질 금속 코팅은 밀도가 높고 접착력이 강합니다. 연속적으로 부서지기 쉬운 금속간 화합물이 없는 명확한 층 구조는 균열 전파 및 납땜 침투 위험을 줄입니다.

다른 영향 요인에는 분말 입자 크기와 그라데이션이 포함됩니다. 미세한 분말은 응집되어 코팅 균일성을 손상시키는 경향이 있습니다. 지나치게 거친 분말은 소결 온도를 높이고 품질을 저하시킵니다. 코팅 기술과 코팅 두께도 금속화 결과에 상당한 영향을 미칩니다.

금속화 알루미나 계전기 세라믹은 성숙한 세라믹 금속화 및 브레이징 기술을 사용하여 신뢰할 수 있는 밀폐 포장을 달성합니다. 재료 응력 매칭, 금속화 공식 및 소결 매개변수는 고전압 DC 계전기의 절연, 헬륨 누출률 및 서비스 수명을 결정하는 핵심 변수입니다. 에너지 저장 장치 및 전기 자동차 시장이 확장됨에 따라 정밀 세라믹-금속 밀봉 기술은 전력 계전기 부품에 대한 더 높은 전압, 소형화 및 긴 수명 요구 사항을 충족하기 위해 계속해서 발전하고 있습니다.

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