一种红外探测窗口金属化材料及其金属化方法

1.本发明涉及金属化材料技术领域，具体涉及一种红外探测窗口金属化材料及其金属化方法。


背景技术：

2.红外探测器件、模组、系统在军民领域应用广泛，窗口与金属壳体实现连接部位的材料非常重要。目前使用的窗口材料种类包括如氟化钙、氟化钡、锗、硫化锌、硒化锌等，需要与金属壳体实现可靠气密焊接，形成器件、模组和系统封装用红外探测窗口，保证在低温、高温、冷热变换、高湿等环境下长期不泄露、稳定工作要求，这对红外探测窗口提出了较高要求。
3.高透红外的陶瓷、玻璃和半导体等非金属材料具有耐高温、高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀和电绝缘等特性，但硬脆，且不宜与金属类钎焊料浸润；金属材料具有优良的延展性、导电性、导热性；非金属与金属的结合优势互补拓展各自优势，实现高气密性、高导热、高电阻、机械强度好，理想的介电常数等性质，在新能源汽车、电子电气、半导体封装和igbt模块等领域有着广泛的应用。非金属与金属的结合至关重要的是在非金属表面实现可靠的金属化。
4.常规非金属材料通过镀膜金属化，通常采用高真空镀膜设备，如磁控溅射、pvd、镀膜机等，在高真空条件下将金属元素沉积到非金属基体表面形成金属膜。但是，这种方式采用的设备昂贵，使用维护成本高，镀膜周期长，并且需要清洗、掩膜、工装等工序，特别是小型化产品局部镀膜，耗时耗能耗人力。化学镀膜金属化需要经过清洁清洗、覆膜掩膜、粗化、活化敏化和后处理等工序，操作流程繁琐，化学药品种类多，有毒有害、废液处理麻烦，不环保、效率低；且化学镀膜中常需要钯、银等贵金属活化工艺，成本高、工艺复杂、污染环境。
5.因此寻找无需真空方式且不采用贵金属材料实现红外探测窗口金属化的工艺很有意义。


技术实现要素：

6.为了解决现有材料金属化工艺成本高、污染环境的问题，本发明提出了一种红外探测窗口金属化材料及其金属化方法。
7.本发明的技术方案如下：一种红外探测窗口金属化方法，包括以下步骤：s1、配置浆料：将金属粉和聚乙二醇充分混合，得到红外探测窗口金属化用浆料；s2、激光改性：采用激光聚焦扫描红外探测窗口表面待金属化区域，实现激光改性；s3、激光金属化：将浆料涂覆在红外探测窗口基材表面，在氮气保护下用激光扫描待金属化区域，
使浆料中的溶剂挥发，金属颗粒熔融粘附嵌入到基体微结构中，形成金属化层。
8.优选地，所述浆料中金属粉的质量占比为80%~95%。
9.优选地，所述聚乙二醇的分子量低于600。
10.优选地，所述浆料中金属粉为镍粉、铜粉、铝粉、银粉中的一种或至少两种的混合物，也可包覆银材料形成合金。
11.优选地，所述金属粉的粒径为d50=5nm~500nm。
12.优选地，步骤s2中所述激光为20w皮秒激光。
13.优选地，所述激光的频率为50khz~500khz，脉宽为10ps，扫描速度为30mm/s~100mm/s。
14.优选地，步骤s3中所述激光为5w紫外激光。
15.优选地，所述激光的频率为30khz~150khz，脉宽为1us~3us，扫描速度为5mm/s~30mm/s。
16.一种红外探测窗口金属化材料，应用如上所述金属化方法处理得到。
17.与现有技术相比，本发明的具体有益效果为：1.本发明利用激光改性红外探测窗口非金属材料并扫描金属化区域，替代真空镀膜作业，精简工序流程、降低能耗、缩短作业时间；替代繁琐的化学镀过程中的清洗、粗化、活化工序，简化流程，取代多种化学药剂使用；效率高，没有耗材消耗、无废物废料产生；激光可以任意图像化扫描，无需掩膜模具、工装简单，灵活方便。
18.2.激光改性的微结构增加了金属化层的结合力，实现常温常压、不需掩膜、快速非金属纳米亚微米金属化，而且成本投入少、操作简单、环保，特别适合小型化非金属件金属化镀膜应用。
19.3.本发明采用镍、铜或少量银等材料，聚乙二醇做混合溶剂，成分简单，减少贵金属使用，成本低；激光金属化后的材料，可以水洗清理掉多余浆料，简单方便，且清洗掉的浆料低温蒸发掉水分后可重复使用。
20.本发明可应用于红外探测技术领域，满足红外探测窗口非金属材料金属化镀膜应用，流程简单，操作方便，环保节能。
附图说明
21.图1为效果例中测试后样品状态示意图；图2为图1的局部放大图。
具体实施方式
22.为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合本发明的说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明的技术方案，而不应理解为对本发明的限制。
23.实施例1.本实施例对半导体硒化锌片进行了金属化处理，硒化锌片尺寸：直径25.4mm，厚度2.5mm。
24.浆料配置：将d50=100nm的镍粉（质量百分比85%）和聚乙二醇（分子量400，质量百
分比15%）充分混合，得到镍浆料；采用20w皮秒激光（频率200khz，脉宽10ps，扫描速度50mm/s）聚焦扫描硒化锌片侧面和底部周边（内径21mm，外径25.4mm）区域，诱导活化改性基体材料表面形貌，改变材料表面区域粗糙度和活性，使得硒化锌片表面形成微纳结构，增强局部区域亲水性，实现表面粗化和敏化，提高涂覆浆体材料在基体表面的粘附性；将浆料喷涂涂覆在硒化锌片基材表面，控制厚度为500nm，在氮气保护下采用5w紫外激光（频率150khz，脉宽3us，环形填充扫描，速度30mm/s）扫描目标金属化区域，使得浆料中的溶剂挥发，镍金属颗粒熔融，粘附嵌入到硒化锌片基体微结构中，并熔融连接成金属膜层。
25.将金属化后的硒化锌片用去离子水清洗，去除未激光扫描区域的浆料，并清洗干净，得到侧面和底面外圈金属化的硒化锌片。
26.实施例2.本实施例对锗片进行了金属化处理，锗片尺寸：直径25.4mm，厚度2.5mm。
27.浆料配置：将d50=300nm的镍粉（质量百分比80%）和聚乙二醇（分子量400，质量百分比20%）充分混合，得到镍浆料；采用20w皮秒激光（频率400khz，脉宽10ps，扫描速度80mm/s）聚焦扫描锗片侧面和底部周边（内径21mm，外径25.4mm）区域，诱导活化改性基体材料表面形貌，改变材料表面区域粗糙度和活性，使得锗片表面形成微纳结构，增强局部区域亲水性，实现表面粗化和敏化，提高涂覆浆体材料在基体表面的粘附性；将浆料喷涂涂覆在锗片基材表面，控制厚度为500nm，在氮气保护下采用5w紫外激光（频率50khz，脉宽1us，环形填充扫描，速度10mm/s）扫描目标金属化区域，使得浆料中的溶剂挥发，镍金属颗粒熔融，粘附嵌入到锗片基体微结构中，并熔融连接成金属膜层。
28.将金属化后的锗片用去离子水清洗，去除未激光扫描区域的浆料，并清洗干净，得到侧面和底面外圈金属化的锗片。
29.实施例3.本实施例对某红外探测窗口的硫化锌材料进行了金属化处理，硫化锌材料尺寸：长25mm，宽20mm，厚度6mm。
30.浆料配置：将d50=200nm的铜粉（质量百分比90%）和聚乙二醇（分子量400，质量百分比10%）充分混合，得到铜浆料；采用20w皮秒激光（频率250khz，脉宽10ps，扫描速度60mm/s）聚焦扫描硫化锌材料侧面和底部周边5mm区域，诱导活化改性基体材料表面形貌，改变材料表面区域粗糙度和活性，使得硫化锌材料表面形成微纳结构，增强局部区域亲水性，实现表面粗化和敏化，提高涂覆浆体材料在基体表面的粘附性；将浆料喷涂涂覆在硫化锌材料基材表面，控制厚度为500nm，在氮气保护下采用5w紫外激光（频率120khz，脉宽2.5us，环形填充扫描，速度20mm/s）扫描目标金属化区域，使得浆料中的溶剂挥发，镍金属颗粒熔融，粘附嵌入到硫化锌材料基体微结构中，并熔融连接成金属膜层。
31.将金属化后的硫化锌材料用去离子水清洗，去除未激光扫描区域的浆料，并清洗干净，得到侧面和底面外圈金属化的硫化锌材料。
32.效果例.采用iso 2409公开的方法对实施例1-3中金属化处理后的样品分别进行测试：使用外科手术刀的刀背或指定的交叉割刀在基材表面金属化层上划垂直的至少两条刮痕，沿划痕方向用刷子刷5次；使用3m胶带600粘在基材表面并用指尖将胶带压紧，确保与金属化层的良好粘接，在5min内从胶带的一端以60
°
角度在0.5s内将胶带撕去。若没有任何脱落记为5b，脱落量在0%-5%之间记为4b，在5%-15%之间记为3b，15%-35%之间记为2b，在35%-65%之间记为1b，在65%以上记为0b。
33.测试后的样品图见图1所示，对外圈金属化层进行局部放大，见图2。可以看到表面的金属化层没有任何脱落。
34.测试结果如下表所示：可以看出，采用本发明提供的红外探测窗口金属化方法对非金属基材表面进行金属化，金属化层与基材的结合力十分可靠。因此，本发明可广泛应用于红外探测技术领域，满足红外探测窗口金属化镀膜要求，并且流程简单，操作方便，环保节能。

技术特征：
1.一种红外探测窗口金属化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、配置浆料：将金属粉和聚乙二醇充分混合，得到金属化用浆料；s2、激光改性：采用激光聚焦扫描红外探测窗口非金属材料表面待金属化区域，实现激光改性；s3、激光金属化：将浆料涂覆在红外探测窗口非金属基材表面，在氮气保护下用激光扫描待金属化区域，使浆料中的溶剂挥发，金属颗粒熔融粘附嵌入到基体微结构中，形成金属化层。2.根据权利要求1所述的红外探测窗口金属化方法，其特征在于，所述浆料中金属粉的质量占比为80%~95%。3.根据权利要求1所述的红外探测窗口金属化方法，其特征在于，所述聚乙二醇的分子量低于600。4.根据权利要求1所述的红外探测窗口金属化方法，其特征在于，所述浆料中金属粉为镍粉、铜粉、铝粉、银粉中的一种或至少两种的混合物。5.根据权利要求1所述的红外探测窗口金属化方法，其特征在于，所述金属粉的粒径为d50=5nm~500nm。6.根据权利要求1所述的红外探测窗口金属化方法，其特征在于，步骤s2中所述激光为20w皮秒激光。7.根据权利要求6所述的红外探测窗口金属化方法，其特征在于，所述激光的频率为50khz~500khz，脉宽为10ps，扫描速度为30mm/s~100mm/s。8.根据权利要求1所述的红外探测窗口金属化方法，其特征在于，步骤s3中所述激光为5w紫外激光。9.根据权利要求8所述的红外探测窗口金属化方法，其特征在于，所述激光的频率为30khz~150khz，脉宽为1us~3us，扫描速度为5mm/s~30mm/s。10.一种红外探测窗口金属化材料，其特征在于，应用如权利要求1~9中任一项所述的金属化方法处理获得。

技术总结
一种红外探测窗口金属化材料及其金属化方法，涉及金属化材料技术领域，解决了现有金属化方法设备要求高、成本高、污染环境的问题。S1、配置浆料：将金属粉和聚乙二醇充分混合，得到金属化用浆料；S2、激光改性：采用激光聚焦扫描非金属材料表面待金属化区域，实现激光改性；S3、激光金属化：将浆料涂覆在非金属基材表面，在氮气保护下用激光扫描待金属化区域，使浆料中的溶剂挥发，金属颗粒熔融粘附嵌入到基体微结构中，形成金属化层。本发明可应用于红外探测技术领域，满足非金属材料金属化镀膜应用，流程简单，操作方便，环保节能。环保节能。环保节能。


技术研发人员：郝群 魏志鹏 唐鑫 陈梦璐 曹杰 李文浩
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2023.08.01
技术公布日：2023/9/7