Пайка керамики и металлов

1. Пайемость

Пайка керамических и керамических, а также керамических и металлических компонентов представляет собой сложную задачу. Большая часть припоя образует шарики на поверхности керамики, практически не смачивая её. Припой, способный смачивать керамику, легко образует различные хрупкие соединения (такие как карбиды, силициды и тройные или многокомпонентные соединения) на границе раздела во время пайки. Наличие этих соединений влияет на механические свойства соединения. Кроме того, из-за большой разницы коэффициентов теплового расширения между керамикой, металлом и припоем, после охлаждения припоя до комнатной температуры в соединении остаются остаточные напряжения, что может привести к растрескиванию соединения.

Смачиваемость припоя на керамической поверхности можно улучшить, добавив в обычный припой активные металлические элементы; низкотемпературная и кратковременная пайка может уменьшить эффект межфазной реакции; термическое 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. Помимо общих характеристик, припои для вакуумных электронных устройств должны также соответствовать некоторым особым требованиям. Например, припой не должен содержать элементов, создающих высокое давление пара, чтобы не вызывать диэлектрическую утечку и катодное отравление устройств. Как правило, указывается, что во время работы устройства давление пара припоя не должно превышать 10⁻³ Па, а содержание примесей с высоким давлением пара не должно превышать 0,002% ~ 0,005%; содержание воды в припое не должно превышать 0,001%, чтобы избежать образования водяного пара при пайке в водороде, что может вызвать разбрызгивание расплавленного припоя; кроме того, припой должен быть чистым и без поверхностных оксидов.

При пайке после металлизации керамики можно использовать медь, недрагоценные металлы, медьсодержащие сплавы серебра, медьсодержащие сплавы золота и другие припои.

Для прямой пайки керамики и металлов следует выбирать припои, содержащие активные элементы Ti и Zr. В качестве бинарных припоев в основном используются TiCu и TiNi, которые можно применять при температуре 1100 ℃. Среди тройных припоев наиболее часто используется AgCuTi(W)(TI), который подходит для прямой пайки различной керамики и металлов. В качестве тройного припоя можно использовать фольгу, порошок или эвтектический припой AgCu с порошком Ti. Припой B-ti49be2 обладает коррозионной стойкостью, аналогичной нержавеющей стали, и низким давлением пара. Он может быть предпочтительно выбран для вакуумных герметичных соединений, обладающих стойкостью к окислению и утечкам. В припое ti-v-cr температура плавления самая низкая (1620 ℃) ​​при w(V) 30%, а добавление Cr позволяет эффективно снизить диапазон температур плавления. Для прямой пайки оксида алюминия и оксида магния использовался припой B-ti47.5ta5 без хрома, и полученное соединение может работать при температуре окружающей среды 1000 ℃. В таблице 14 показан активный флюс для прямого соединения керамики и металла.

Таблица 14. Активные припои для пайки керамики и металлов.

2. Технология пайки

Предварительно металлизированную керамику можно паять в инертном газе высокой чистоты, водороде или вакууме. Вакуумная пайка обычно используется для прямой пайки керамики без металлизации.

(1) Универсальный процесс пайки керамики и металла можно разделить на семь этапов: очистка поверхности, нанесение пасты, металлизация керамической поверхности, никелирование, пайка и контроль после сварки.

Целью очистки поверхности является удаление масляных пятен, пятен от пота и оксидной пленки с поверхности основного металла. Металлические детали и припой сначала обезжириваются, затем оксидная пленка удаляется кислотной или щелочной промывкой, промывается проточной водой и высушивается. Детали с высокими требованиями должны подвергаться термообработке в вакуумной печи или водородной печи (можно также использовать метод ионной бомбардировки) при соответствующей температуре и времени для очистки поверхности деталей. Очищенные детали не должны контактировать с жирными предметами или голыми руками. Их следует немедленно поместить в следующий технологический процесс или в сушилку. Они не должны подвергаться длительному воздействию воздуха. Керамические детали следует очищать ацетоном и ультразвуковой обработкой, промывать проточной водой и, наконец, дважды кипятить в деионизированной воде по 15 минут каждый раз.

Нанесение пастообразного покрытия — важный процесс металлизации керамики. В процессе нанесения покрытие осуществляется с помощью кисти или пастообразующей машины, которая затем используется для нанесения пастообразного покрытия на металлизируемую поверхность. Толщина покрытия обычно составляет 30–60 мм. Паста, как правило, готовится из чистого металлического порошка (иногда с добавлением соответствующего оксида металла) с размером частиц около 1–5 мкм и органического клея.

Полученные керамические детали помещают в водородную печь и спекают с использованием влажного водорода или крекинг-аммиака при температуре 1300–1500 ℃ в течение 30–60 минут. Керамические детали, покрытые гидридами, нагревают примерно до 900 ℃ для разложения гидридов и их реакции с чистым металлом или титаном (или цирконием), оставшимися на поверхности керамики, для получения металлического покрытия на керамической поверхности.

Для получения металлизированного слоя MoMn, чтобы обеспечить его смачивание припоем, необходимо нанести методом электроосаждения слой никеля толщиной 1,4–5 мкм или слой никелевого порошка. Если температура пайки ниже 1000 ℃, слой никеля необходимо предварительно спекать в водородной печи. Температура и время спекания составляют 1000 ℃ / 15–20 мин.

Обработанная керамика представляет собой металлические детали, которые должны быть собраны в единое целое с использованием форм из нержавеющей стали или графита и керамики. В местах соединений должен быть нанесен припой, а заготовка должна содержаться в чистоте на протяжении всей операции и не должна касатьсяся голыми руками.

Пайку следует проводить в печи, работающей на аргоне, водороде или вакууме. Температура пайки зависит от используемого припоя. Во избежание растрескивания керамических деталей скорость охлаждения не должна быть слишком высокой. Кроме того, при пайке можно применять определенное давление (около 0,49–0,98 МПа).

Помимо проверки качества поверхности, паяные соединения также должны подвергаться проверке на термостойкость и механические свойства. Уплотнительные элементы вакуумных устройств также должны проходить проверку на герметичность в соответствии с действующими нормативными актами.

(2) Прямая пайка. При прямой пайке (методом активного металла) сначала очищается поверхность свариваемых керамических и металлических деталей, а затем они соединяются. Чтобы избежать трещин, вызванных различными коэффициентами теплового расширения материалов компонентов, буферный слой (один или несколько слоев металлических листов) может быть перемещен между свариваемыми деталями. Припой должен быть зажат между двумя свариваемыми деталями или по возможности размещен в месте, где зазор заполнен припоем, после чего пайка должна быть выполнена как обычная вакуумная пайка.

Если для прямой пайки используется припой Ag Cu Ti, следует применять метод вакуумной пайки. Когда степень вакуума в печи достигнет 2,7 × 10⁻³ Па, следует начать нагрев, при этом температура может быстро повышаться; когда температура приблизится к точке плавления припоя, ее следует повышать медленно, чтобы температура всех частей сварного соединения выравнивалась; после расплавления припоя температуру следует быстро повышать до температуры пайки, а время выдержки должно составлять 3–5 минут; во время охлаждения следует медленно охлаждать до 700 ℃, а после 700 ℃ можно проводить естественное охлаждение в печи.

При непосредственной пайке активным припоем Ti-Cu, форма припоя может представлять собой медную фольгу с порошком титана, медные детали с фольгой титана или керамическую поверхность, покрытую порошком титана с фольгой меди. Перед пайкой все металлические детали должны быть дегазированы вакуумом. Температура дегазации бескислородной меди должна составлять 750–800 ℃, а Ti, Nb, Ta и др. — 900 ℃ в течение 15 минут. При этом степень вакуума должна быть не менее 6,7 × 10⁻³ Па. Во время пайки компоненты, подлежащие сварке, должны быть собраны в приспособлении, нагреты в вакуумной печи до 900–1120 ℃, а время выдержки должно составлять 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, позволяющий получить надежное соединение за счет проникновения стеклообразной фазы, образующейся при плавлении оксидного припоя, в керамику и смачивания металлической поверхности. Он позволяет соединять керамику с керамикой и керамику с металлами. Оксидные припои в основном состоят из Al2O3, CaO, BaO и MgO. Путем добавления B2O3, Y2O3 и Ta2O3 можно получить припои с различными температурами плавления и коэффициентами линейного расширения. Кроме того, для соединения керамики и металлов можно использовать фторидные припои с CaF2 и NaF в качестве основных компонентов, получая соединения с высокой прочностью и высокой термостойкостью.