1. Паяемость
Пайка керамических и керамических деталей с металлом представляет собой сложную задачу. Большая часть припоя образует на поверхности керамики шарик, практически не смачиваемый. Припой, смачивающий керамику, легко образует на поверхности соединения различные хрупкие соединения (такие как карбиды, силициды, а также тройные или многокомпонентные соединения). Наличие этих соединений влияет на механические свойства соединения. Кроме того, из-за большой разницы в коэффициентах термического расширения керамики, металла и припоя в соединении после охлаждения пайки до комнатной температуры будут возникать остаточные напряжения, что может привести к растрескиванию соединения.
Смачиваемость припоя на керамической поверхности можно улучшить, добавив активные металлические элементы в обычный припой; Низкотемпературная и кратковременная пайка может снизить эффект реакции интерфейса; Тепловое напряжение соединения можно снизить, разработав подходящую форму соединения и используя однослойный или многослойный металл в качестве промежуточного слоя.
2. Припой
Керамика и металл обычно соединяются в вакуумной печи или водородно-аргоновой печи. В дополнение к общим характеристикам, припои для вакуумных электронных приборов должны иметь и некоторые специальные требования. Например, припой не должен содержать элементов, которые создают высокое давление паров, чтобы не вызывать утечку диэлектрика и отравление катода приборов. Обычно указывается, что при работе прибора давление паров припоя не должно превышать 10-3 Па, а содержание примесей с высоким давлением паров не должно превышать 0,002% ~ 0,005%; W(o) припоя не должна превышать 0,001%, чтобы избежать образования водяных паров во время пайки в водороде, которые могут вызвать разбрызгивание расплавленного припоя; Кроме того, припой должен быть чистым и без поверхностных оксидов.
При пайке после керамической металлизации можно использовать припои на основе меди, базовых припоев, серебряной меди, золотой меди и других сплавов.
Для прямой пайки керамики и металлов следует выбирать припои, содержащие активные элементы Ti и Zr. Бинарные припои в основном представляют собой Ti Cu и Ti Ni, которые могут использоваться при температуре 1100 ℃. Среди тройных припоев наиболее часто используемым является припой Ag Cu Ti (W) (TI), который может использоваться для прямой пайки различных видов керамики и металлов. В качестве тройного припоя можно использовать фольгу, порошок или эвтектический припой Ag Cu с порошком Ti. Припой B-ti49be2 имеет коррозионную стойкость, аналогичную нержавеющей стали, и низкое давление паров. Его можно предпочтительно выбирать в вакуумных герметизированных соединениях с стойкостью к окислению и утечкам. В припое Ti-V-Cr температура плавления является самой низкой (1620 ℃), когда w (V) составляет 30%, а добавление Cr может эффективно сузить диапазон температур плавления. Припой B-ti47.5ta5 без Cr используется для прямой пайки оксида алюминия и оксида магния, и его соединение может работать при температуре окружающей среды 1000 ℃. В таблице 14 показан активный флюс для прямой пайки керамики и металла.
Таблица 14. Активные припои для пайки керамики и металлов
2. Технология пайки
Предварительно металлизированную керамику можно паять в среде инертного газа высокой чистоты, водорода или вакуума. Вакуумная пайка обычно используется для прямой пайки керамики без металлизации.
(1) Универсальный процесс пайки. Универсальный процесс пайки керамики и металла можно разделить на семь процессов: очистка поверхности, нанесение пасты, металлизация керамической поверхности, никелирование, пайка и проверка после сварки.
Целью очистки поверхности является удаление масляных пятен, пятен пота и оксидной пленки с поверхности основного металла. Металлические детали и припой сначала обезжиривают, затем удаляют оксидную пленку кислотной или щелочной промывкой, промывают проточной водой и сушат. Детали с высокими требованиями подвергают термической обработке в вакуумной или водородной печи (также можно использовать метод ионной бомбардировки) при соответствующей температуре и времени для очистки поверхности деталей. Очищенные детали не должны соприкасаться с жирными предметами или голыми руками. Их следует немедленно помещать в следующий процесс или в сушилку. Они не должны подвергаться длительному воздействию воздуха. Керамические детали очищают ацетоном и ультразвуком, промывают проточной водой и, наконец, дважды кипятят в деионизированной воде по 15 минут каждый раз.
Нанесение пасты — важный этап металлизации керамики. В процессе нанесения пасты она наносится на металлизируемую керамическую поверхность кистью или специальной машиной. Толщина покрытия обычно составляет 30–60 мм. Паста обычно готовится из чистого металлического порошка (иногда с добавлением соответствующего оксида металла) с размером частиц около 1–5 мкм и органического клея.
Керамические детали с нанесенной пастой отправляются в водородную печь и спекаются с влажным водородом или расщепленным аммиаком при температуре 1300–1500 °C в течение 30–60 минут. Керамические детали, покрытые гидридами, нагреваются примерно до 900 °C для разложения гидридов и их реакции с чистым металлом или титаном (или цирконием), оставшимся на керамической поверхности, для получения металлического покрытия на керамической поверхности.
Для металлизированного слоя Mo Mn, чтобы обеспечить его смачивание припоем, необходимо нанести слой никеля толщиной 1,4 ~ 5 мкм гальваническим способом или покрыть слоем никелевого порошка. При температуре пайки ниже 1000 ℃ слой никеля необходимо предварительно спекать в водородной печи. Температура и время спекания составляют 1000 ℃ в течение 15 ~ 20 минут.
Обработанная керамика представляет собой металлические детали, которые собираются в единое целое с помощью форм из нержавеющей стали или графита и керамики. В стыки следует наносить припой, а заготовку следует содержать в чистоте на протяжении всего процесса и не прикасаться к ней голыми руками.
Пайка должна проводиться в аргоновой, водородной или вакуумной печи. Температура пайки зависит от припоя. Во избежание растрескивания керамических деталей скорость охлаждения не должна быть слишком высокой. Кроме того, пайка может осуществляться под определённым давлением (около 0,49 ~ 0,98 МПа).
Помимо контроля качества поверхности, паяные сварные соединения также подлежат контролю термического удара и механических свойств. Уплотнительные элементы вакуумных устройств также должны проходить испытания на герметичность в соответствии с действующими нормативными актами.
(2) Прямая пайка (метод активного металла) – при прямой пайке (метод активного металла) сначала очищают поверхность керамических и металлических сварных соединений, а затем производят их сборку. Во избежание трещин, вызванных разницей в коэффициентах теплового расширения материалов компонентов, буферный слой (один или несколько слоев металлических листов) можно вращать между сварными соединениями. Припой следует зажать между двумя сварными соединениями или разместить в месте, где зазор максимально заполнен припоем, после чего пайку следует выполнять как при обычной вакуумной пайке.
При использовании припоя Ag Cu Ti для прямой пайки следует использовать метод вакуумной пайки. Когда степень вакуума в печи достигает 2,7 ×, начните нагревание при 10-3 Па, и температура может быстро расти; когда температура близка к точке плавления припоя, температуру следует медленно повышать, чтобы температура всех свариваемых деталей была одинаковой; когда припой расплавится, температуру следует быстро поднять до температуры пайки, время выдержки должно составлять 3-5 минут; при охлаждении до 700 ℃ следует медленно охлаждать, а после 700 ℃ – естественным образом с печью.
При непосредственной пайке активным припоем Ti-Cu припой может быть в виде медной фольги с порошком Ti или медных деталей с фольгой Ti, или керамическая поверхность может быть покрыта порошком Ti и фольгой Cu. Перед пайкой все металлические детали должны быть дегазированы в вакууме. Температура дегазации бескислородной меди должна быть 750 ~ 800 ℃, а Ti, Nb, Ta и т. д. должны быть дегазированы при 900 ℃ в течение 15 минут. При этом степень вакуума должна быть не менее 6,7 × 10-3 Па. Во время пайки соберите свариваемые компоненты в приспособлении, нагрейте их в вакуумной печи до 900 ~ 1120 ℃, и время выдержки составляет 2 ~ 5 минут. В течение всего процесса пайки степень вакуума должна быть не менее 6,7 × 10-3 Па.
Процесс пайки методом Ti Ni аналогичен процессу пайки методом Ti Cu, а температура пайки составляет 900 ± 10 ℃.
(3) Метод оксидной пайки. Метод оксидной пайки – это метод создания надежного соединения путем использования стекловидной фазы, образующейся при плавлении оксидного припоя, для инфильтрации в керамику и смачивания металлической поверхности. Он может соединять керамику с керамикой и керамику с металлами. Припои для оксидной пайки в основном состоят из Al2O3, CaO, BaO и MgO. Добавляя B2O3, Y2O3 и Ta2O3, можно получить припои с различными температурами плавления и коэффициентами линейного расширения. Кроме того, фторидные припои с CaF2 и NaF в качестве основных компонентов также могут использоваться для соединения керамики с металлами, обеспечивая соединения с высокой прочностью и высокой термостойкостью.
Время публикации: 13 июня 2022 г.