1. Паяння
Паяти керамічні та керамічні, а також керамічні та металеві компоненти складно. Більша частина припою утворює кульку на керамічній поверхні, майже не змочуючи її. Припойний метал, який може змочувати кераміку, легко утворює різноманітні крихкі сполуки (такі як карбіди, силіциди та потрійні або багатовимірні сполуки) на межі з'єднання під час паяння. Існування цих сполук впливає на механічні властивості з'єднання. Крім того, через велику різницю коефіцієнтів теплового розширення між керамікою, металом та припоєм, після охолодження температури паяння до кімнатної температури в з'єднанні залишатимуться залишкові напруження, що може спричинити розтріскування з'єднання.
Змочуваність припою на керамічній поверхні можна покращити, додавши активні металеві елементи до звичайного припою; низькотемпературне та короткочасне паяння може зменшити вплив реакції на межі розділу; термічне напруження з'єднання можна зменшити, розробивши відповідну форму з'єднання та використовуючи одно- або багатошаровий метал як проміжний шар.
2. Припій
Кераміку та метал зазвичай з'єднують у вакуумній печі або воднево-аргоновій печі. Окрім загальних характеристик, припойні метали для пайки вакуумних електронних пристроїв також повинні мати деякі спеціальні вимоги. Наприклад, припій не повинен містити елементів, що утворюють високий тиск пари, щоб не спричинити діелектричний витік та отруєння катода пристроїв. Зазвичай вказується, що під час роботи пристрою тиск пари припої не повинен перевищувати 10-3 Па, а вміст домішок з високим тиском пари не повинен перевищувати 0,002% ~ 0,005%; w(o) припої не повинен перевищувати 0,001%, щоб уникнути утворення водяної пари під час пайки у водні, що може спричинити розбризкування розплавленого металу припою; крім того, припій повинен бути чистим та без поверхневих оксидів.
Під час паяння після керамічної металізації можна використовувати мідь, базову, срібну мідь, золоту мідь та інші леговані припойні метали.
Для прямого паяння кераміки та металів слід вибирати припойні метали, що містять активні елементи Ti та Zr. Бінарними припоями є переважно Ti, Cu та Ti, які можна використовувати при температурі 1100 ℃. Серед потрійних припоїв найчастіше використовується Ag, Cu, Ti (W) (TI), який можна використовувати для прямого паяння різних керамічних та металів. Як потрійний припой можна використовувати фольгу, порошок або евтектичний припой Ag-Cu з порошком Ti. Припой B-ti49be2 має подібну до нержавіючої сталі корозійну стійкість та низький тиск пари. Його можна переважно вибирати для вакуумного герметизування з'єднань, оскільки він стійкий до окислення та витоків. 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 глинозему та оксиду магнію, а його з'єднання може працювати за температури навколишнього середовища 1000 ℃. У таблиці 14 наведено активний флюс для прямого з'єднання між керамікою та металом.
Таблиця 14 активні припої для паяння кераміки та металу
2. Технологія паяння
Попередньо металізовану кераміку можна паяти в середовищі високочистого інертного газу, водню або вакууму. Вакуумна пайка зазвичай використовується для прямої пайки кераміки без металізації.
(1) Універсальний процес паяння. Універсальний процес паяння кераміки та металу можна розділити на сім процесів: очищення поверхні, нанесення пасти, металізація керамічної поверхні, нікелювання, паяння та контроль після зварювання.
Метою очищення поверхні є видалення масляних плям, плям поту та оксидної плівки з поверхні основного металу. Металеві деталі та припій спочатку необхідно знежирити, потім оксидну плівку видалити за допомогою кислотного або лугового промивання, промити проточною водою та висушити. Деталі з високими вимогами необхідно термічно обробити у вакуумній печі або водневій печі (також можна використовувати метод іонного бомбардування) за відповідної температури та часу для очищення поверхні деталей. Очищені деталі не повинні контактувати з жирними предметами або голими руками. Їх слід негайно помістити в наступний процес або сушарку. Вони не повинні довго піддаватися впливу повітря. Керамічні деталі слід очистити ацетоном та ультразвуком, промити проточною водою та, нарешті, двічі кип'ятити деіонізованою водою по 15 хвилин кожен раз.
Пастоподібне покриття є важливим процесом металізації кераміки. Під час покриття його наносять на керамічну поверхню, що підлягає металізації, за допомогою пензля або машини для нанесення пасти. Товщина покриття зазвичай становить 30 ~ 60 мм. Пасту зазвичай готують з чистого металевого порошку (іноді додають відповідний оксид металу) з розміром частинок приблизно 1 ~ 5 мкм та органічного клею.
Пастоподібні керамічні деталі відправляють у водневу піч та спікають з вологим воднем або крекінговим аміаком при температурі 1300~1500 ℃ протягом 30~60 хвилин. Керамічні деталі, покриті гідридами, нагрівають приблизно до 900 ℃ для розкладання гідридів та реакції з чистим металом або титаном (або цирконієм), що залишився на керамічній поверхні, для отримання металевого покриття на керамічній поверхні.
Для металізованого шару MoMn, щоб зробити його змоченим припоєм, необхідно нанести шар нікелю товщиною 1,4 ~ 5 мкм гальванічним способом або покрити шаром нікелевого порошку. Якщо температура пайки нижча за 1000 ℃, шар нікелю необхідно попередньо спікати у водневій печі. Температура та час спікання становлять 1000 ℃ / 15 ~ 20 хв.
Оброблена кераміка – це металеві деталі, які необхідно зібрати в одне ціле за допомогою нержавіючої сталі або графіту та керамічних форм. На з'єднаннях необхідно встановити припій, а заготовку слід підтримувати в чистоті протягом усієї операції та не торкатися її голими руками.
Пайку слід проводити в аргоновій, водневій або вакуумній печі. Температура пайки залежить від присадного металу. Щоб запобігти розтріскуванню керамічних деталей, швидкість охолодження не повинна бути занадто швидкою. Крім того, під час пайки можна застосовувати певний тиск (близько 0,49 ~ 0,98 МПа).
Окрім перевірки якості поверхні, паяні зварні деталі також повинні бути піддані перевірці на термічний удар та механічні властивості. Герметизуючі деталі вакуумних пристроїв також повинні бути піддані випробуванню на герметичність відповідно до чинних норм.
(2) Пряме паяння. Під час безпосереднього паяння (метод активного металу) спочатку очищають поверхню керамічних та металевих зварних деталей, а потім складають їх. Щоб уникнути тріщин, спричинених різними коефіцієнтами теплового розширення матеріалів компонентів, буферний шар (один або декілька шарів металевих листів) можна обертати між зварними деталями. Присадний метал для паяння слід затискати між двома зварними деталями або розміщувати в місці, де зазор максимально заповнений присадним металом для паяння, а потім проводити паяння, як звичайне вакуумне паяння.
Якщо для прямого паяння використовується припій Ag-Cu-Ti, слід використовувати метод вакуумного паяння. Коли ступінь вакууму в печі досягне 2,7 × 1, почніть нагрівання при тиску 10-3 Па, і температура в цей час може швидко зростати; коли температура наблизиться до точки плавлення припою, температуру слід підвищувати повільно, щоб температура всіх частин зварного шва була однаковою; коли припій розплавиться, температуру слід швидко підвищити до температури паяння, а час витримки має становити 3 ~ 5 хвилин; під час охолодження його слід повільно охолоджувати до 700 ℃, а після 700 ℃ його можна охолоджувати природним шляхом у печі.
Під час безпосереднього паяння активного припою Ti-Cu, формою припою може бути мідна фольга плюс порошок Ti або мідні деталі плюс фольга Ti, або керамічна поверхня може бути покрита порошком Ti плюс фольга Cu. Перед паянням усі металеві деталі повинні бути дегазовані за допомогою вакууму. Температура дегазації безкисневої міді повинна становити 750 ~ 800 ℃, а Ti, Nb, Ta тощо повинні бути дегазовані при 900 ℃ протягом 15 хвилин. При цьому ступінь вакууму повинен бути не менше 6,7 × 10⁻³Па. Під час паяння зберіть компоненти, що зварюються, у пристосуванні, нагрійте їх у вакуумній печі до 900 ~ 1120 ℃, а час витримки - 2 ~ 5 хвилин. Протягом усього процесу паяння ступінь вакууму повинен бути не менше 6,7 × 10⁻³Па.
Процес пайки методом Ti Ni подібний до методу Ti Cu, а температура пайки становить 900 ± 10 ℃.
(3) Метод оксидного паяння Метод оксидного паяння – це метод реалізації надійного з'єднання за допомогою використання склоподібної фази, що утворюється в результаті плавлення оксидного припою, для проникнення в кераміку та зволоження поверхні металу. Він може з'єднувати кераміку з керамікою та кераміку з металами. Присадкові метали для оксидного паяння в основному складаються з Al2O3, CaO, BaO та MgO. Додаючи B2O3, Y2O3 та ta2o3, можна отримати присадкові метали для паяння з різними температурами плавлення та коефіцієнтами лінійного розширення. Крім того, фторидні присадкові метали для паяння з CaF2 та NaF як основними компонентами також можуть бути використані для з'єднання кераміки та металів для отримання з'єднань з високою міцністю та високою термостійкістю.
Час публікації: 13 червня 2022 р.