Пайка кераміки та металів

1. Паяність

Важко паяти керамічні та керамічні, керамічні та металеві компоненти.Більша частина припою утворює кульку на керамічній поверхні, практично не змочуючи її.Припайний припой, який може змочувати кераміку, легко утворює різноманітні крихкі сполуки (такі як карбіди, силіциди та потрійні або багатофакторні сполуки) на межі з’єднання під час пайки.Існування цих сполук впливає на механічні властивості з'єднання.Крім того, через велику різницю в коефіцієнтах теплового розширення між керамікою, металом і припоєм у з’єднанні буде залишатися залишкове напруження після того, як температура пайки охолоне до кімнатної температури, що може спричинити розтріскування з’єднання.

Змочуваність припою на керамічній поверхні можна поліпшити додаванням активних металевих елементів до звичайного припою;Низька температура та короткий час пайки можуть зменшити ефект реакції розділу;Термічну напругу з’єднання можна зменшити шляхом розробки відповідної форми з’єднання та використання одно- або багатошарового металу як проміжного шару.

2. Припій

Кераміка та метал зазвичай з'єднуються у вакуумній печі або печі водню та аргону.Крім загальних характеристик, до паяння припоїв для вакуумних електронних пристроїв також пред'являються деякі спеціальні вимоги.Наприклад, припій не повинен містити елементів, що створюють високий тиск пари, щоб не викликати витік діелектрика і отруєння катодів приладів.Зазвичай вказується, що коли пристрій працює, тиск пари припою не повинен перевищувати 10-3pa, а кількість домішок з високим тиском пари не повинна перевищувати 0,002% ~ 0,005%;W (o) припою не повинна перевищувати 0,001%, щоб уникнути водяної пари, що утворюється під час пайки у водні, що може спричинити розбризкування розплавленого металу припою;Крім того, припій повинен бути чистим і без поверхневих оксидів.

При пайці після керамічної металізації можна використовувати мідь, основну, срібну мідь, золоту мідь та інші сплави для пайки.

Для прямого паяння кераміки і металів слід вибирати припої, що містять активні елементи Ti і Zr.Бінарними наповнювачами є переважно Ti Cu та Ti Ni, які можна використовувати при 1100 ℃.Серед потрійних припоїв Ag Cu Ti (W) (TI) є найбільш часто використовуваним припоєм, який можна використовувати для прямого паяння різних керамічних матеріалів і металів.Потрійний наповнювач може бути використаний у вигляді фольги, порошку або евтектичного наповнювача Ag Cu з порошком Ti.Припой B-ti49be2 має стійкість до корозії, подібну до нержавіючої сталі, і низький тиск пари.Його можна переважно вибирати у вакуумних герметизуючих з'єднаннях із стійкістю до окислення та витоку.У припої ti-v-cr температура плавлення є найнижчою (1620 ℃), коли w (V) становить 30%, а додавання Cr може ефективно зменшити діапазон температур плавлення.Припій B-ti47.5ta5 без Cr використовувався для прямого паяння оксиду алюмінію та оксиду магнію, і його з’єднання може працювати при температурі навколишнього середовища 1000 ℃.Таблиця 14 показує активний флюс для прямого з'єднання між керамікою та металом.

Таблиця 14 активних припоїв для керамічної та металевої пайки

2. Технологія пайки

Попередньо металізовану кераміку можна паяти в середовищі інертного газу високої чистоти, водню або вакууму.Вакуумна пайка зазвичай використовується для прямої пайки кераміки без металізації.

(1) Універсальний процес пайки. Універсальний процес пайки кераміки та металу можна розділити на сім процесів: очищення поверхні, покриття пастою, металізація поверхні кераміки, нікелювання, пайка та контроль після зварювання.

Метою очищення поверхні є видалення масляних плям, плям поту та оксидної плівки з поверхні основного металу.Металеві деталі і припій спочатку знежирюють, потім кислотною або лужною промивкою видаляють оксидну плівку, промивають проточною водою і висушують.Деталі з високими вимогами повинні бути термічно оброблені у вакуумній або водневій печі (можна також використовувати метод іонного бомбардування) за відповідної температури та часу для очищення поверхні деталей.Очищені частини не повинні контактувати з жирними предметами або голими руками.Їх слід негайно покласти на наступний процес або в сушарку.Вони не повинні залишатися на повітрі протягом тривалого часу.Керамічні частини слід очистити ацетоном і ультразвуком, промити проточною водою і, нарешті, двічі кип’ятити з деіонізованою водою протягом 15 хвилин кожного разу.

Пастоподібне покриття є важливим процесом металізації кераміки.Під час нанесення покриття він наноситься на керамічну поверхню, що металізується, за допомогою пензля або пастоподібної машини.Товщина покриття зазвичай становить 30 ~ 60 мм.Паста зазвичай готується з чистого металевого порошку (іноді додається відповідний оксид металу) з розміром частинок приблизно 1 ~ 5 мкм і органічного клею.

Наклеєні керамічні деталі відправляють у водневу піч і спікають з вологим воднем або крекінг-аміаком при 1300 ~ 1500 ℃ протягом 30 ~ 60 хвилин.Для керамічних частин, покритих гідридами, вони повинні бути нагріті приблизно до 900 ℃ для розкладання гідридів і реакції з чистим металом або титаном (або цирконієм), що залишився на керамічній поверхні, для отримання металевого покриття на керамічній поверхні.

Для металізованого шару Mo Mn, щоб змочити його припоєм, шар нікелю товщиною 1,4 ~ 5 мкм необхідно нанести гальванічне покриття або покрити шаром нікелевого порошку.Якщо температура пайки нижче 1000 ℃, шар нікелю необхідно попередньо спекати у водневій печі.Температура та час спікання 1000 ℃ /15 ~ 20 хв.

Оброблена кераміка – це металеві частини, які збираються в одне ціле за допомогою форм із нержавіючої сталі або графіту та кераміки.У місцях з’єднань слід встановлювати припій, а заготовку слід утримувати в чистоті протягом усієї операції, до неї не можна торкатися голими руками.

Пайку необхідно проводити в аргонній, водневій або вакуумній печі.Температура пайки залежить від припою.Щоб уникнути розтріскування керамічних частин, швидкість охолодження не повинна бути надто високою.Крім того, пайка також може застосовувати певний тиск (приблизно 0,49 ~ 0,98 МПа).

На додаток до перевірки якості поверхні, паяні зварні вироби також підлягають перевірці термічного удару та перевірці механічних властивостей.Ущільнювальні частини для вакуумних пристроїв також повинні бути піддані перевірці на герметичність згідно з відповідними правилами.

(2) Пряме паяння. Під час прямого паяння (метод активного металу) спочатку очистіть поверхню керамічних і металевих зварних деталей, а потім з’єднайте їх.Щоб уникнути тріщин, викликаних різними коефіцієнтами теплового розширення компонентних матеріалів, буферний шар (один або кілька шарів металевих листів) можна обертати між зварними деталями.Паяльний присадний метал повинен бути затиснутий між двома зварними деталями або розміщений у місці, де проміжок заповнений паяним присадковим металом, наскільки це можливо, а потім пайка повинна виконуватися як звичайна вакуумна пайка.

Якщо для прямого паяння використовується припій Ag Cu Ti, слід прийняти метод вакуумного паяння.Коли ступінь вакууму в печі досягне 2,7 × Почніть нагрівання при 10-3pa, і в цей час температура може швидко піднятися;Коли температура наближається до точки плавлення припою, її слід повільно підвищувати, щоб температура всіх частин зварного виробу була однаковою;Коли припій розплавиться, температура повинна швидко піднятися до температури пайки, а час витримки повинен становити 3 ~ 5 хвилин;Під час охолодження його слід повільно охолоджувати до 700 ℃, і його можна охолоджувати природним шляхом за допомогою печі після 700 ℃.

Коли активний припій Ti Cu безпосередньо паяється, формою припою може бути Cu фольга плюс Ti порошок або Cu деталі плюс Ti фольга, або керамічна поверхня може бути покрита порошком Ti плюс Cu фольга.Перед пайкою всі металеві частини повинні бути дегазовані за допомогою вакууму.Температура дегазації безкисневої міді повинна бути 750 ~ 800 ℃, а Ti, Nb, Ta тощо мають бути дегазовані при 900 ℃ протягом 15 хвилин.У цей час ступінь вакууму не повинен бути меншим за 6,7 × 10-3Па。 Під час пайки зберіть компоненти, які потрібно зварити, у пристосуванні, нагрійте їх у вакуумній печі до 900 ~ 1120 ℃, а час витримки становить 2 ~ 5 хв.Під час усього процесу пайки ступінь вакууму не повинен бути меншим за 6,7 × 10-3Па.

Процес пайки методом Ti Ni подібний до методу Ti Cu, а температура пайки становить 900 ± 10 ℃.

(3) Метод оксидного пайки Метод оксидного пайки — це метод реалізації надійного з’єднання за допомогою використання скляної фази, утвореної в результаті плавлення оксидного припою, для проникнення в кераміку та змочування поверхні металу.Він може з'єднувати кераміку з керамікою та кераміку з металом.Присадні метали для оксидної пайки в основному складаються з Al2O3, Cao, Bao та MgO.Додаючи B2O3, Y2O3 і ta2o3, можна отримати припой з різними температурами плавлення та коефіцієнтами лінійного розширення.Крім того, для з’єднання кераміки та металів для отримання з’єднань з високою міцністю та високою термостійкістю також можна використовувати фтористі паяльні припої з CaF2 та NaF як основні компоненти.