Пайка керамики и металлов: Объяснения

1. Характеристики пайки

Пайка керамики к керамике или керамики к металлическим компонентам может быть довольно сложной задачей. Большинство присадочных металлов при пайке образуют сферические формы на керамической поверхности, что приводит к плохому смачиванию или его отсутствию.

Присадочные металлы, способные смачивать керамику, образуют различные хрупкие соединения на границе раздела фаз (например, карбиды, силициды, тройные или многокомпонентные соединения), которые влияют на механические свойства соединения.

Кроме того, из-за значительных различий в коэффициентах теплового расширения между керамикой, металлами и присадочными материалами для пайки, остаточное напряжение после охлаждения от температуры пайки до комнатной температуры в соединении может образоваться трещина, которая может привести к растрескиванию соединения.

Использование активных присадочных металлов для пайки, созданных путем добавления реактивных металлических элементов к обычным присадочным металлам, может улучшить смачивание керамических поверхностей. Использование низкотемпературной и кратковременной пайки может уменьшить влияние межфазных реакций.

Разработка подходящих конфигураций соединений и использование одного или нескольких металлических слоев в качестве промежуточных слоев может помочь минимизировать тепловые напряжения в соединении.

Пайка металлов-наполнителей Пайка керамики к металлам обычно осуществляется в вакуумной печи, в атмосфере водорода или аргона. К присадочным металлам для пайки вакуумных электронных устройств, помимо общих характеристик, предъявляются дополнительные специфические требования.

Например, присадочный металл не должен содержать элементов, создающих высокое давление паров, чтобы избежать таких проблем, как утечка диэлектрика и отравление катодов в устройствах. Обычно указывается, что давление паров присадочного металла во время работы устройства не должно превышать 10-3 Па, а содержание примесей с высоким давлением паров должно быть в пределах от 0,002% до 0,005%.

Содержание кислорода в присадочном металле (W(o)) не должно превышать 0,001%, чтобы избежать образования водяных паров при пайке в атмосфере водорода, что может привести к разбрызгиванию расплавленного присадочного металла. Кроме того, присадочный металл должен быть чистым и не иметь поверхностных окислов.

При пайке керамики после металлизации можно использовать легированные присадочные металлы, такие как медь (Cu), никель (Ni), серебро-медь (Ag-Cu) и золото-медь (Au-Cu). При непосредственной пайке керамики к металлам можно использовать присадочные металлы, содержащие реактивные элементы, такие как титан (Ti) и цирконий (Zr) должны быть выбраны.

Среди бинарных присадочных металлов для пайки обычно используются Ti-Cu и Ti-Ni, которые могут применяться в диапазоне 1100℃. Среди тройных присадочных металлов Ag-Cu-Ti (с содержанием (W)Ti менее 5%) часто используется для прямой пайки различных керамик к металлам.

Эта тройная система может использоваться с фольгой, порошком или эвтектическим присадочным металлом Ag-Cu в сочетании с порошком Ti. Присадочный металл для пайки B-Ti49Be2 обладает коррозионной стойкостью, аналогичной нержавеющей стали, и имеет более низкое давление паров, что делает его предпочтительным выбором для вакуумных герметичных соединений, требующих предотвращения окисления и утечек.

В системе Ti-V-Cr добавление Cr эффективно сокращает диапазон температур плавления, при этом самая низкая температура плавления достигается при 30% W(V). Присадочный металл B-Ti47.5Ta5, не содержащий Cr, был использован для прямой пайки глинозема и магнезии, что позволяет работать с соединением при температуре окружающей среды 1000℃. Активные припои для прямого соединения керамики с металлами приведены в таблице 14.

Таблица 14. Активные паяльные наполнители для пайки керамики к металлам

2. Технология пайки

Предварительно металлизированную керамику можно паять в среде высокочистого инертного газа, водорода или вакуума. При непосредственной пайке неметаллизированной керамики обычно рекомендуется пайка в вакууме.

(1) Общие сведения Процесс пайки для керамики и металлов

(1) Общий процесс пайки керамики и металлов можно разделить на семь этапов: очистка поверхности, нанесение пасты, металлизация керамических поверхностей, никелирование, пайка и контроль после пайки.

Очистка поверхности выполняется для удаления масляных пятен, следов пота и оксидных пленок с поверхности основного материала. Металлические детали и материал для пайки следует обезжирить, затем обработать кислотой или щелочью для удаления оксидных пленок, после чего промыть проточной водой и высушить.

Высококачественные детали должны пройти термическую обработку при соответствующей температуре и продолжительности в вакуумной или водородной печи (также может использоваться ионная бомбардировка) для очистки поверхности детали.

Очищенные детали не должны соприкасаться с замасленными предметами или голыми руками и должны немедленно переходить к следующему процессу или помещаться в сушильное устройство, избегая длительного контакта с воздухом.

Керамические детали следует очистить ацетоном с помощью ультразвуковой очистки, промыть проточной водой и дважды прокипятить в деионизированной воде в течение 15 минут каждый раз.

Нанесение пасты - важнейший этап металлизации керамики. Он включает в себя нанесение пасты на металлизируемую керамическую поверхность с помощью кисти или аппликатора.

Толщина покрытия обычно составляет 30-60 микрометров, а паста, как правило, состоит из чистого металлического порошка с размером частиц примерно 1-5 микрометров (иногда с добавлением подходящих оксидов металлов) и органического связующего.

Керамические детали с нанесенной пастой затем помещают в водородную печь и спекают при температуре 1300-1500°C в течение 30-60 минут, используя влажный водород или крекинг-аммиак. Керамика с нанесенными гидридами должна быть нагрета до температуры около 900°C для разложения гидрида и реакции с чистым металлом или остатками титана (или циркония) на керамической поверхности для получения металлического покрытия.

В случае металлизации слоя Mo-Mn, чтобы способствовать смачиванию материала припоя, на слой никеля толщиной 1,4-5 мкм наносят гальваническое покрытие или покрывают никелевым порошком. Если температура пайки ниже 1000°C, никелевый слой также должен быть подвергнут предварительному спеканию в водородной печи при температуре и времени 1000°C/15-20 минут.

Обработанная керамика обрабатывается как металлические детали и собирается в единое целое с помощью форм из нержавеющей стали, графита или керамики. Паяльный материал наносится на стык, а заготовка должна оставаться чистой на протяжении всей операции, избегая прикосновений голыми руками.

Пайка производится в печи с газом аргоном, водородом или в вакуумной печи. Температура пайки зависит от материала припоя, и для предотвращения растрескивания керамики скорость охлаждения не должна быть слишком быстрой. Кроме того, во время пайки может применяться определенное давление (примерно 0,49-0,98 МПа).

После пайки сваренные детали должны пройти проверку качества поверхности, а также испытания на тепловой удар и механические характеристики. Уплотнительные компоненты, используемые в вакуумных устройствах, также должны пройти испытания на герметичность согласно соответствующим нормам.

(2) Прямая пайка

При прямой пайке (метод активного металла) керамические и металлические заготовки, подлежащие пайке, сначала подвергаются очистке поверхности, а затем собираются.

Для предотвращения растрескивания из-за различных коэффициентов теплового расширения используется вращающийся буферный слой (один или несколько). металлические листы) может быть помещен между соединениями. По возможности паяльный материал следует помещать между двумя заготовками или в зазоры, заполненные паяльным материалом, а затем паять аналогично обычной вакуумной пайке.

При использовании паяльного материала Ag-Cu-Ti для прямой пайки следует применять метод вакуумной пайки. Нагрев следует начинать, когда степень вакуума в печи достигнет 2,7×10-3 Па.

В этот момент можно применить быстрый нагрев; однако, когда температура приблизится к температуре плавления материала для пайки, его следует нагревать медленно, чтобы обеспечить равномерное распределение температуры по всем частям соединения.

Как только материал для пайки расплавится, температуру следует быстро поднять до температуры пайки с выдержкой 3-5 минут. Во время охлаждения до достижения температуры 700°C следует проводить медленное охлаждение, а после 700°C допускается естественное охлаждение.

Для прямой пайки с использованием Ti-Cu активного паяльного материала, паяльный материал может иметь форму Cu фольги с Ti порошком или Cu компонента с Ti фольгой, или Ti порошок может быть нанесен на керамическую поверхность с последующим добавлением Cu фольги.

Все металлические детали должны быть дегазированы в вакууме, при этом температура дегазации для бескислородной меди составляет 750-800°C, а для Ti, Nb, Ta и т.д. температура дегазации должна составлять 900°C в течение 15 минут. Степень вакуума на этом этапе не должна быть ниже 6,7×10^-3Па.

Во время пайки компоненты, подлежащие пайке, должны быть собраны в приспособлении и нагреты в вакуумной печи до температуры 900-1120°C с выдержкой в течение 2-5 минут. В течение всего процесса пайки вакуумное давление не должно быть ниже 6,7×10^-3Па.

Процесс пайки по методу Ti-Ni аналогичен методу Ti-Cu, при этом температура пайки составляет 900±10°C.

(3) Метод пайки оксидами

В методе оксидной пайки используется оксидный паяльный материал, который при расплавлении образует стеклофазу, что позволяет ему проникать в керамику и смачивать поверхность металла, обеспечивая надежное соединение. Этот метод можно использовать для соединения керамики с керамикой или керамики с металлами.

Основными компонентами оксидных припоев являются Al₂O₃, CaO, BaO, MgO, а также добавление B₂O₃, Y2O3, Ta₂O₃и т.д. можно получить припойные материалы с различными температурами плавления и коэффициентами линейного расширения.

Кроме того, фтористые припои, состоящие в основном из CaF₂ и NaF могут также использоваться для соединения керамики и металлов, обеспечивая высокопрочные и жаростойкие соединения.