Seramik ve Metallerin Sert Lehimlenmesi: Açıklamalı

1. Sert Lehimleme Özellikleri

Seramikleri seramiklere veya seramikleri metal bileşenlere sert lehimlemek oldukça zor olabilir. Sert lehim dolgu metallerinin çoğu seramik yüzeyinde küresel şekiller oluşturur ve bu da ıslanmanın zayıf olmasına veya hiç olmamasına neden olur.

Seramikleri ıslatabilen sert lehim dolgu metalleri, bağlantı arayüzünde bağlantının mekanik özelliklerini etkileyen çeşitli kırılgan bileşikler (karbürler, silikitler ve üçlü veya çok bileşenli bileşikler gibi) oluşturma eğilimindedir.

Ayrıca, seramikler, metaller ve sert lehim dolgu metalleri arasındaki termal genleşme katsayılarındaki önemli farklılıklar nedeniyle, artık gerilim sert lehimleme sıcaklığından oda sıcaklığına kadar soğuduktan sonra bağlantıda çatlamaya yol açabilir.

Geleneksel dolgu metallerine reaktif metalik elementler eklenerek oluşturulan aktif sert lehim dolgu metallerinin kullanımı seramik yüzeylerde ıslanmayı iyileştirebilir. Düşük sıcaklıkta, kısa süreli sert lehim kullanımı arayüzey reaksiyonlarının etkisini azaltabilir.

Uygun bağlantı konfigürasyonlarının tasarlanması ve ara katman olarak tekli veya çoklu metal katmanların kullanılması, bağlantıdaki termal gerilimin en aza indirilmesine yardımcı olabilir.

Sert Lehim Dolgu Metalleri Seramiklerin metallere sert lehimlenmesi tipik olarak bir vakum fırınında, hidrojen atmosferinde veya argon atmosferinde gerçekleştirilir. Vakumlu elektronik cihazların sızdırmazlığı için sert lehim dolgu metallerinin genel özelliklerine ek olarak özel gereksinimleri de vardır.

Örneğin, cihazlarda dielektrik kaçağı ve katot zehirlenmesi gibi sorunları önlemek için dolgu metali yüksek buhar basıncı oluşturan elementler içermemelidir. Genel olarak, cihazın çalışması sırasında dolgu metalinin buhar basıncının 10-3Pa'yı aşmaması ve yüksek buhar basıncı safsızlıklarının içeriğinin 0,002% ila 0,005% arasında olması gerektiği belirtilir.

Hidrojen atmosferinde sert lehimleme sırasında erimiş sert lehim dolgu metalinin sıçramasına neden olabilecek su buharı oluşumunu önlemek için dolgu metalinin oksijen içeriği (W(o)) 0,001%'yi aşmamalıdır. Ayrıca, dolgu metali temiz olmalı ve herhangi bir yüzey oksitine sahip olmamalıdır.

Seramikler metalizasyondan sonra sert lehimlenirken bakır (Cu), nikel (Ni), gümüş-bakır (Ag-Cu) ve altın-bakır (Au-Cu) gibi alaşım sert lehim dolgu metalleri kullanılabilir. Seramikleri metallere doğrudan lehimlerken, aşağıdaki gibi reaktif elementler içeren lehim dolgu metalleri kullanılabilir titanyum (Ti) ve zirkonyum (Zr) seçilmelidir.

İkili sert lehim dolgu metalleri arasında Ti-Cu ve Ti-Ni yaygın olarak kullanılır ve 1100 ℃ aralığında kullanılabilir. Üçlü sert lehim dolgu metallerinde, Ag-Cu-Ti ((W)Ti içeriği 5%'den az olan) çeşitli seramiklerin metallere doğrudan sert lehimlenmesi için sıklıkla kullanılır.

Bu üçlü sistem folyo, toz veya Ti tozu ile birleştirilmiş Ag-Cu ötektik dolgu metali ile kullanılabilir. B-Ti49Be2 sert lehim dolgu metali paslanmaz çeliğe benzer korozyon direnci gösterir ve daha düşük buhar basıncına sahiptir, bu da onu oksidasyon ve sızıntı önleme gerektiren vakumlu sızdırmaz bağlantılar için tercih edilebilir bir seçim haline getirir.

Ti-V-Cr sisteminde, Cr ilavesi erime sıcaklığı aralığını etkili bir şekilde azaltır ve en düşük erime sıcaklığı 30% W(V)'de elde edilir. Cr içermeyen B-Ti47.5Ta5 sert lehim dolgu metali, alümina ve magnezyumun doğrudan sert lehimlenmesi için kullanılmış ve eklemin 1000 ℃ ortam sıcaklığında çalışmasına izin vermiştir. Seramiklerin metallere doğrudan bağlanması için aktif sert lehim dolgu maddeleri Tablo 14'te gösterilmiştir.

Tablo 14. Seramikleri Metallere Sert Lehimlemek için Aktif Sert Lehim Dolgu Maddeleri

2. Lehimleme Teknolojisi

Önceden metalize edilmiş seramikler yüksek saflıkta inert gaz, hidrojen veya vakum ortamlarında sert lehimlenebilir. Metalize edilmemiş seramikleri doğrudan lehimlerken genellikle vakumlu lehimleme önerilir.

(1) Genel Lehimleme Süreci Seramik ve Metaller için

(1) Seramik ve Metaller için Genel Sert Lehimleme Süreci yedi işlem adımına ayrılabilir: yüzey temizleme, pasta uygulaması, seramik yüzeylerin metalizasyonu, nikel kaplama, sert lehimleme ve sert lehimleme sonrası inceleme.

Yüzey temizliği, yağ lekelerini, ter izlerini ve oksit filmlerini ana malzeme yüzeyinden çıkarmak için yapılır. Metalik parçalar ve sert lehim malzemesi yağdan arındırılmalı, ardından oksit filmlerini gidermek için asitle aşındırılmalı veya alkaliyle işlenmeli, ardından akan suyla durulanmalı ve kurutulmalıdır.

Yüksek kaliteli parçalar, parça yüzeyini saflaştırmak için bir vakum fırınında veya hidrojen fırınında (iyon bombardımanı da kullanılabilir) uygun bir sıcaklıkta ve sürede ısıl işleme tabi tutulmalıdır.

Temizlenen parçalar yağlı nesnelerle veya çıplak elle temas etmemeli ve derhal bir sonraki işleme geçmeli veya uzun süre havaya maruz kalmaktan kaçınarak bir kurutma cihazına yerleştirilmelidir.

Seramik parçalar ultrasonik temizleme kullanılarak aseton ile temizlenmeli, akan su ile durulanmalı ve son olarak deiyonize suda her seferinde 15 dakika olmak üzere iki kez kaynatılmalıdır.

Pasta uygulaması, seramiklerin metalizasyonunda çok önemli bir adımdır. Macunun metalize edilecek seramik yüzeye bir fırça veya macun aplikatörü kullanılarak uygulanmasını içerir.

Kaplama kalınlığı genellikle 30-60 mikrometre arasındadır ve macun tipik olarak yaklaşık 1-5 mikrometre partikül boyutuna sahip saf metal tozu (bazen uygun metal oksitlerin eklenmesiyle) ve organik bir bağlayıcıdan oluşur.

Macun uygulanmış seramik parçalar daha sonra bir hidrojen fırınına yerleştirilir ve ıslak hidrojen veya kırılmış amonyak kullanılarak 30-60 dakika boyunca 1300-1500°C sıcaklıkta sinterlenir. Hidrit uygulanmış seramikler için, hidriti ayrıştırmak ve metal bir kaplama elde etmek için seramik yüzeyindeki saf metal veya artık titanyum (veya zirkonyum) ile reaksiyona girmek için yaklaşık 900°C'ye kadar ısıtılmalıdır.

Mo-Mn metalizasyon tabakası durumunda, sert lehim malzemesi ile ıslanmayı teşvik etmek için, 1.4-5 mikrometre kalınlığında bir nikel tabakası elektrolizle kaplanır veya nikel tozu ile kaplanır. Eğer lehimleme sıcaklığı 1000°C'nin altındaysa, nikel tabakasının da 1000°C/15-20 dakika sıcaklık ve sürede bir hidrojen fırınında ön sinterlemeye tabi tutulması gerekir.

İşlenmiş seramikler metal parçalar gibi işlem görür ve bir bütün oluşturmak için paslanmaz çelik, grafit veya seramik kalıplarla birleştirilir. Sert lehim malzemesi ek yerine uygulanır ve iş parçası tüm işlem boyunca temiz tutulmalı, çıplak elle dokunmaktan kaçınılmalıdır.

Sert lehimleme argon gazı, hidrojen gazı fırını veya vakum fırınında gerçekleştirilir. Sert lehim sıcaklığı sert lehim malzemesine bağlıdır ve seramik çatlamasını önlemek için soğutma hızı çok hızlı olmamalıdır. Ayrıca, sert lehimleme sırasında belirli bir basınç uygulanabilir (yaklaşık 0.49-0.98MPa).

Sert lehimlemeden sonra, kaynaklı parçalar yüzey kalite kontrolünün yanı sıra termal şok ve mekanik performans testlerine tabi tutulmalıdır. Vakum cihazlarında kullanılan sızdırmazlık bileşenleri de ilgili yönetmelikler uyarınca sızıntı testine tabi tutulmalıdır.

(2) Doğrudan Sert Lehimleme

Doğrudan lehimleme (aktif metal yöntemi) sırasında, lehimlenecek seramik ve metal iş parçaları önce yüzey temizliğine tabi tutulur ve ardından birleştirilir.

Farklı termal genleşme katsayıları nedeniyle çatlamayı önlemek için, dönen bir tampon katman (bir veya birden fazla metal levhalar) bağlantılar arasına yerleştirilebilir. Mümkün olduğunda, sert lehim malzemesi iki iş parçası arasına veya sert lehim malzemesi ile doldurulmuş boşluklara yerleştirilmeli ve ardından geleneksel vakum sert lehimlemeye benzer şekilde sert lehimlenmelidir.

Doğrudan sert lehimleme için Ag-Cu-Ti sert lehim malzemesi kullanıldığında, vakum sert lehimleme yöntemi kullanılmalıdır. Fırın içindeki vakum derecesi 2,7×10-3Pa'ya ulaştığında ısıtma başlamalıdır.

Bu noktada, hızlı ısıtma uygulanabilir; ancak, sıcaklık sert lehim malzemesinin erime noktasına yaklaştığında, eklemin tüm kısımlarında eşit sıcaklık dağılımı sağlamak için yavaşça ısıtılmalıdır.

Sert lehim malzemesi eridikten sonra, sıcaklık 3-5 dakikalık bir bekleme süresiyle hızlı bir şekilde sert lehim sıcaklığına yükseltilmelidir. Soğutma sırasında, 700°C'ye ulaşmadan önce yavaş soğutma yapılmalıdır, 700°C'den sonra ise doğal soğumaya izin verilebilir.

Ti-Cu aktif sert lehim malzemesi ile doğrudan sert lehimleme için, sert lehim malzemesi Ti tozu ile Cu folyo veya Ti folyo ile Cu bileşeni şeklinde olabilir veya seramik yüzeye Ti tozu uygulanabilir ve ardından Cu folyo eklenebilir.

Tüm metal parçalar vakumda gazdan arındırılmalıdır; oksijensiz bakır için gazdan arındırma sıcaklığı 750-800°C, Ti, Nb, Ta vb. için gazdan arındırma sıcaklığı 15 dakika boyunca 900°C olmalıdır. Bu aşamadaki vakum derecesi 6,7×10'dan düşük olmamalıdır.^-3Pa.

Lehimleme sırasında, lehimlenecek bileşenler bir fikstüre monte edilmeli ve vakum fırınında 900-1120°C arasında bir sıcaklığa ısıtılmalı ve 2-5 dakikalık bir bekletme süresi olmalıdır. Tüm lehimleme işlemi boyunca vakum basıncı 6,7×10'dan düşük olmamalıdır.^-3Pa.

Ti-Ni yöntemi kullanılarak yapılan sert lehimleme işlemi, sert lehimleme sıcaklığı 900±10°C olan Ti-Cu yöntemine benzer.

(3) Oksit Lehimleme Yöntemi

Oksit lehimleme yönteminde, eritildiğinde cam fazı oluşturan oksit lehimleme malzemesi kullanılır, bu da seramiğe sızmasını ve metal yüzeyini ıslatmasını sağlar, böylece güvenilir bağlantılar elde edilir. Bu yöntem seramikleri seramiklere veya seramikleri metallere birleştirmek için kullanılabilir.

Oksit lehim malzemelerinin ana bileşenleri Al₂O₃, CaO, BaO, MgO ve B₂O₃, Y2O3, Ta₂O₃vb. çeşitli erime noktalarına ve doğrusal genleşme katsayılarına sahip sert lehim malzemeleri üretebilir.

Ayrıca, esas olarak CaF'den oluşan florürlü sert lehim malzemeleri₂ ve NaF, seramik ve metalleri birleştirmek için de kullanılabilir ve yüksek mukavemetli ve ısıya dayanıklı bağlantılar sağlar.