Solderen van keramiek en metalen: Uitleg

1. Soldeereigenschappen

Het hardsolderen van keramiek op keramiek of van keramiek op metalen onderdelen kan een hele uitdaging zijn. De meeste hardsoldeermetalen vormen bolvormen op het keramische oppervlak, wat leidt tot slechte of geen bevochtiging.

Soldeermetalen die keramiek kunnen bevochtigen hebben de neiging om verschillende brosse verbindingen te vormen op het grensvlak van de verbinding (zoals carbiden, siliciden en ternaire of multicomponente verbindingen), die de mechanische eigenschappen van de verbinding beïnvloeden.

Bovendien zijn er grote verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen keramiek, metalen en hardsoldeermetalen, restspanning in de verbinding na afkoeling van de hardsoldeertemperatuur tot kamertemperatuur, wat kan leiden tot scheuren in de verbinding.

Het gebruik van actieve hardsoldeermetalen, gemaakt door reactieve metalen toe te voegen aan conventionele hardsoldeermetalen, kan de bevochtiging van keramische oppervlakken verbeteren. Door gebruik te maken van hardsolderen op lage temperatuur en met een korte hardsoldeertijd kan de invloed van grensvlakreacties worden verminderd.

Het ontwerpen van geschikte verbindingsconfiguraties en het gebruik van enkele of meerdere metaallagen als tussenlagen kan helpen om de thermische spanning in de verbinding te minimaliseren.

Hardsoldeermetalen Het hardsolderen van keramiek aan metalen wordt meestal uitgevoerd in een vacuümoven, waterstofatmosfeer of argonatmosfeer. Hardsoldeermetalen voor het afdichten van elektronische vacuümapparaten hebben naast de algemene eigenschappen aanvullende specifieke vereisten.

Het toevoegmetaal mag bijvoorbeeld geen elementen bevatten die hoge dampdrukken genereren om problemen zoals diëlektrische lekkage en kathodevergiftiging in apparaten te voorkomen. Over het algemeen wordt gespecificeerd dat de dampdruk van het toevoegmetaal tijdens het gebruik van het apparaat niet hoger mag zijn dan 10-3Pa en dat het gehalte aan verontreinigingen met een hoge dampdruk tussen 0,002% en 0,005% moet liggen.

Het zuurstofgehalte van het toevoegmetaal (W(o)) mag niet hoger zijn dan 0,001% om te voorkomen dat er waterdamp ontstaat tijdens het hardsolderen in een waterstofatmosfeer, wat zou kunnen leiden tot spatten van het gesmolten hardsoldeer. Verder moet het toevoegmetaal schoon zijn en mag het geen oppervlakteoxiden hebben.

Bij het hardsolderen van keramiek na metallisatie kunnen gelegeerde hardsoldeermetalen zoals koper (Cu), nikkel (Ni), zilver-koper (Ag-Cu) en goud-koper (Au-Cu) worden gebruikt. Bij het direct hardsolderen van keramiek aan metalen kunnen hardsoldeermetalen met reactieve elementen zoals titanium (Ti) en zirkonium (Zr) worden geselecteerd.

Van de binaire hardsoldeermetalen worden Ti-Cu en Ti-Ni vaak gebruikt en deze kunnen worden gebruikt binnen een bereik van 1100℃. Van de ternaire hardsoldeermetalen wordt Ag-Cu-Ti (met (W)Ti gehalte minder dan 5%) vaak gebruikt voor het direct hardsolderen van verschillende keramieken aan metalen.

Dit ternaire systeem kan worden gebruikt met folie, poeder of Ag-Cu eutectisch toevoegmetaal gecombineerd met Ti poeder. B-Ti49Be2 hardsoldeermetaal vertoont een corrosieweerstand die vergelijkbaar is met die van roestvast staal en heeft een lagere dampdruk, waardoor het een betere keuze is voor vacuümverbindingen die oxidatie en lekkagepreventie vereisen.

In het Ti-V-Cr systeem vermindert de toevoeging van Cr effectief het smelttemperatuurbereik, met de laagste smelttemperatuur bereikt bij 30% W(V). B-Ti47,5Ta5 hardsoldeer, zonder Cr, is gebruikt voor het direct hardsolderen van aluminiumoxide en magnesia, waardoor de verbinding kan werken bij een omgevingstemperatuur van 1000℃. Actieve hardsoldeer vulmiddelen voor het direct verbinden van keramiek met metalen worden getoond in Tabel 14.

Tabel 14. Actieve hardsoldeerhulpstoffen voor het hardsolderen van keramiek aan metalen

2. Soldeertechnologie

Voorgemetalliseerde keramiek kan worden gesoldeerd in een omgeving met hoogzuiver inert gas, waterstof of vacuüm. Bij het direct hardsolderen van niet-gemetalliseerd keramiek wordt over het algemeen vacuümsolderen aanbevolen.

(1) Algemeen Soldeerproces voor keramiek en metalen

(1) Het algemene soldeerproces voor keramiek en metalen kan worden onderverdeeld in zeven processtappen: oppervlaktereiniging, aanbrengen van pasta, metalliseren van keramische oppervlakken, vernikkelen, solderen en inspectie na het solderen.

Oppervlaktereiniging wordt uitgevoerd om olievlekken, zweetvlekken en oxidelagen van het oppervlak van het basismateriaal te verwijderen. Metalen onderdelen en hardsoldeermateriaal moeten worden ontvet, daarna met zuur of alkali worden behandeld om oxidelagen te verwijderen, gevolgd door spoelen met stromend water en drogen.

Hoogwaardige onderdelen moeten een warmtebehandeling ondergaan bij een geschikte temperatuur en duur in een vacuümoven of waterstofoven (ionenbeschieting kan ook) om het oppervlak van het onderdeel te zuiveren.

Gereinigde onderdelen mogen niet in contact komen met olieachtige voorwerpen of blote handen en moeten onmiddellijk doorgaan met het volgende proces of in een droogapparaat worden geplaatst, waarbij langdurige blootstelling aan lucht moet worden vermeden.

Keramische onderdelen moeten worden gereinigd met aceton met behulp van ultrasone reiniging, gespoeld met stromend water en ten slotte twee keer gekookt in gedeïoniseerd water gedurende telkens 15 minuten.

Het aanbrengen van pasta is een cruciale stap in het metalliseren van keramiek. Hierbij wordt de pasta op het te metalliseren keramische oppervlak aangebracht met een kwast of pasta applicator.

De laagdikte ligt meestal tussen de 30-60 micrometer en de pasta bestaat meestal uit puur metaalpoeder met een deeltjesgrootte van ongeveer 1-5 micrometer (soms met toevoeging van geschikte metaaloxiden) en een organisch bindmiddel.

Keramische onderdelen met aangebrachte pasta worden dan in een waterstofoven geplaatst en gesinterd bij een temperatuur van 1300-1500 °C gedurende 30-60 minuten met behulp van natte waterstof of gebarsten ammoniak. Keramiek met aangebrachte hydriden moet worden verhit tot ongeveer 900°C om het hydride te ontleden en te reageren met zuiver metaal of resttitaan (of zirkonium) op het keramische oppervlak om een metaallaag te verkrijgen.

In het geval van de Mo-Mn-metallisatielaag wordt, om het bevochtigen met het hardsoldeermateriaal te bevorderen, een nikkellaag van 1,4-5 micrometer dik gegalvaniseerd of bekleed met nikkelpoeder. Als de soldeertemperatuur lager is dan 1000 °C, moet de nikkellaag ook voorsinteren in een waterstofoven bij een temperatuur en tijd van 1000 °C/15-20 minuten.

De behandelde keramiek wordt behandeld als metalen onderdelen en samengevoegd met roestvrijstalen, grafiet of keramische mallen om een geheel te vormen. Het hardsoldeermateriaal wordt op de verbinding aangebracht en het werkstuk moet tijdens de hele bewerking schoon worden gehouden, waarbij aanraking met blote handen moet worden vermeden.

Solderen wordt uitgevoerd in een argongas-, waterstofgas- of vacuümoven. De hardsoldeertemperatuur hangt af van het hardsoldeermateriaal en om keramisch barsten te voorkomen mag de koelsnelheid niet te hoog zijn. Bovendien kan tijdens het hardsolderen een bepaalde druk worden toegepast (ongeveer 0,49-0,98MPa).

Na het hardsolderen moeten de gelaste onderdelen een inspectie ondergaan van de oppervlaktekwaliteit, evenals testen op thermische schokken en mechanische prestaties. Afdichtingsonderdelen die in vacuümapparaten worden gebruikt, moeten ook lektests ondergaan volgens de relevante voorschriften.

(2) Direct solderen

Tijdens het direct hardsolderen (actief-metaalmethode) worden de keramische en metalen werkstukken die gesoldeerd moeten worden eerst onderworpen aan oppervlaktereiniging en vervolgens samengevoegd.

Om scheuren als gevolg van verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten te voorkomen, wordt een roterende bufferlaag (een of meer metalen platen) kan tussen de verbindingen worden geplaatst. Indien mogelijk moet het hardsoldeermateriaal tussen de twee werkstukken worden geplaatst of in de openingen die met hardsoldeermateriaal zijn opgevuld en vervolgens worden gesoldeerd zoals bij conventioneel vacuümsolderen.

Wanneer Ag-Cu-Ti soldeermateriaal wordt gebruikt voor direct solderen, moet de vacuümsoldeermethode worden toegepast. Het verhitten moet beginnen wanneer de vacuümgraad in de oven 2,7×10-3Pa bereikt.

Op dit punt kan snel worden verwarmd; wanneer de temperatuur echter het smeltpunt van het hardsoldeermateriaal nadert, moet langzaam worden verwarmd om te zorgen voor een gelijkmatige temperatuurverdeling over alle delen van de verbinding.

Zodra het hardsoldeermateriaal smelt, moet de temperatuur snel worden verhoogd tot de hardsoldeertemperatuur, met een wachttijd van 3-5 minuten. Tijdens het afkoelen moet langzaam worden afgekoeld voordat 700°C wordt bereikt, terwijl na 700°C natuurlijke afkoeling kan worden toegestaan.

Voor direct hardsolderen met Ti-Cu actief hardsoldeermateriaal kan het hardsoldeermateriaal de vorm hebben van Cu-folie met Ti poeder of Cu component met Ti folie, of er kan Ti poeder op het keramische oppervlak worden aangebracht gevolgd door toevoeging van Cu folie.

Alle metalen onderdelen moeten worden ontgast in een vacuüm, waarbij de ontgassingstemperatuur voor zuurstofvrij koper 750-800°C is en voor Ti, Nb, Ta, enz. moet de ontgassingstemperatuur 900°C gedurende 15 minuten zijn. De vacuümgraad mag in dit stadium niet lager zijn dan 6,7×10^-3Pa.

Tijdens het hardsolderen moeten de te hardsolderen onderdelen in een houder worden gemonteerd en in een vacuümoven worden verhit tot een temperatuur tussen 900-1120°C, met een wachttijd van 2-5 minuten. Tijdens het gehele hardsoldeerproces mag de vacuümdruk niet lager zijn dan 6,7×10^-3Pa.

Het hardsoldeerproces met de Ti-Ni-methode is vergelijkbaar met de Ti-Cu-methode, waarbij de hardsoldeertemperatuur 900±10°C bedraagt.

(3) Oxyde-soldeermethode

De hardsoldeermethode met oxide maakt gebruik van hardsoldeermateriaal met oxide dat een glasfase vormt wanneer het gesmolten wordt, waardoor het in het keramiek kan infiltreren en het metaaloppervlak kan bevochtigen, waardoor betrouwbare verbindingen ontstaan. Deze methode kan worden gebruikt voor het verbinden van keramiek aan keramiek of keramiek aan metaal.

De hoofdbestanddelen van oxidesoldeermaterialen zijn Al₂O₃CaO, BaO, MgO en de toevoeging van B₂O₃, Y2O3, Ta₂O₃enz. kunnen hardsoldeermaterialen opleveren met verschillende smeltpunten en lineaire uitzettingscoëfficiënten.

Bovendien zijn fluorsoldeermaterialen die voornamelijk bestaan uit CaF₂ en NaF kunnen ook worden gebruikt om keramiek en metalen te verbinden, waardoor sterke en hittebestendige verbindingen ontstaan.