Спояване на керамика и метали

1. Способност за спояване

Трудно е да се спояват керамични и керамични, керамични и метални компоненти.По-голямата част от спойката образува топка върху керамичната повърхност, с малко или никакво намокряне.Спояващият добавъчен метал, който може да намокри керамиката, е лесен за образуване на различни крехки съединения (като карбиди, силициди и трикомпонентни или многовариантни съединения) на повърхността на съединението по време на спояване.Наличието на тези съединения влияе върху механичните свойства на съединението.В допълнение, поради голямата разлика в коефициентите на топлинно разширение между керамика, метал и спойка, ще има остатъчно напрежение в съединението, след като температурата на спояване се охлади до стайна температура, което може да причини напукване на съединението.

Омокряемостта на спойката върху керамичната повърхност може да се подобри чрез добавяне на активни метални елементи към обикновената спойка;Ниската температура и краткотрайното спояване могат да намалят ефекта от реакцията на интерфейса;Термичното напрежение на съединението може да бъде намалено чрез проектиране на подходяща форма на съединението и използване на единичен или многослоен метал като междинен слой.

2. Спойка

Керамиката и металът обикновено се свързват във вакуумна пещ или пещ с водород и аргон.В допълнение към общите характеристики, спояващите добавъчни метали за вакуумни електронни устройства трябва да имат и някои специални изисквания.Например спойката не трябва да съдържа елементи, които произвеждат високо налягане на парите, за да не предизвика диелектрично изтичане и катодно отравяне на устройствата.Обикновено се уточнява, че когато устройството работи, налягането на парите на спойката не трябва да надвишава 10-3pa, а съдържащите се примеси с високо налягане на парите не трябва да надвишават 0,002% ~ 0,005%;W (o) на спойката не трябва да надвишава 0,001%, за да се избегнат водни пари, генерирани по време на запояване във водород, което може да причини пръскане на разтопен метал на спойка;Освен това спойката трябва да е чиста и без повърхностни оксиди.

При спояване след керамична метализация могат да се използват мед, основа, сребърна мед, златомед и други сплави за спояване на добавъчни метали.

За директно спояване на керамика и метали трябва да се изберат спояващи присадки, съдържащи активни елементи Ti и Zr.Бинарните добавъчни метали са главно Ti Cu и Ti Ni, които могат да се използват при 1100 ℃.Сред тройните спойки Ag Cu Ti (W) (TI) е най-често използваната спойка, която може да се използва за директно спояване на различни керамики и метали.Тройният пълнежен метал може да се използва от фолио, прах или Ag Cu евтектичен пълнежен метал с Ti прах.B-ti49be2 спояващ добавъчен метал има подобна устойчивост на корозия като неръждаема стомана и ниско налягане на парите.Може да бъде избрано за предпочитане във вакуумни уплътнителни фуги с устойчивост на окисляване и изтичане.В ti-v-cr припой температурата на топене е най-ниската (1620 ℃), когато w (V) е 30%, а добавянето на Cr може ефективно да намали температурния диапазон на топене.B-ti47.5ta5 спойка без Cr е използвана за директно спояване на алуминиев оксид и магнезиев оксид и нейното съединение може да работи при околна температура от 1000 ℃.Таблица 14 показва активния поток за директна връзка между керамика и метал.

Таблица 14 допълнителни метали за активно спояване за керамично и метално спояване

2. Технология на спояване

Предварително метализираната керамика може да се запоява в инертен газ с висока чистота, водород или вакуумна среда.Вакуумното спояване обикновено се използва за директно спояване на керамика без метализация.

(1) Универсален процес на спояване Универсалният процес на спояване на керамика и метал може да бъде разделен на седем процеса: почистване на повърхността, нанасяне на паста, метализиране на повърхността на керамика, никелиране, спояване и проверка след заваряване.

Целта на повърхностното почистване е да се премахнат петна от масло, петна от пот и оксиден филм върху повърхността на основния метал.Металните части и спойката първо се обезмасляват, след което оксидният филм се отстранява чрез промиване с киселина или алкали, измива се с течаща вода и се изсушава.Частите с високи изисквания трябва да бъдат термично обработени във вакуумна пещ или водородна пещ (може да се използва и метод на йонно бомбардиране) при подходяща температура и време за пречистване на повърхността на частите.Почистените части не трябва да влизат в контакт с мазни предмети или голи ръце.Те незабавно се поставят в следващия процес или в сушилнята.Те не трябва да бъдат изложени на въздух за дълго време.Керамичните части се почистват с ацетон и ултразвук, измиват се с течаща вода и накрая се кипват два пъти с дейонизирана вода за 15 минути всеки път

Покритието с паста е важен процес на керамична метализация.По време на нанасяне на покритие се нанася върху керамичната повърхност, която трябва да се метализира с четка или машина за нанасяне на покритие.Дебелината на покритието обикновено е 30 ~ 60 mm.Пастата обикновено се приготвя от чист метален прах (понякога се добавя подходящ метален оксид) с размер на частиците около 1 ~ 5 um и органично лепило.

Залепените керамични части се изпращат във водородна пещ и се синтероват с мокър водород или напукан амоняк при 1300 ~ 1500 ℃ за 30 ~ 60 минути.За керамичните части, покрити с хидриди, те трябва да се нагреят до около 900 ℃, за да се разложат хидридите и да реагират с чист метал или титан (или цирконий), останал върху керамичната повърхност, за да се получи метално покритие върху керамичната повърхност.

За Mo Mn метализирания слой, за да се намокри с припоя, никелов слой от 1,4 ~ 5 um трябва да бъде галванизиран или покрит със слой никелов прах.Ако температурата на спояване е по-ниска от 1000 ℃, никеловият слой трябва да бъде предварително синтерован във водородна пещ.Температурата и времето на синтероване са 1000 ℃ /15 ~ 20 минути.

Обработената керамика представлява метални части, които се сглобяват в едно цяло с помощта на форми от неръждаема стомана или графит и керамика.На ставите трябва да се монтира припой и детайлът трябва да се поддържа чист по време на операцията и да не се докосва с голи ръце.

Спояването се извършва в аргонова, водородна или вакуумна пещ.Температурата на спояване зависи от добавката за спояване.За да се предотврати напукване на керамичните части, скоростта на охлаждане не трябва да бъде твърде висока.В допълнение, спояването може също да приложи определено налягане (около 0,49 ~ 0,98 mpa).

В допълнение към проверката на качеството на повърхността, споените заварки също трябва да бъдат подложени на термичен удар и проверка на механичните свойства.Уплътнителните части за вакуумни устройства също трябва да бъдат подложени на тест за течове съгласно съответните разпоредби.

(2) Директно запояване При директно запояване (метод с активен метал), първо почистете повърхността на керамичните и металните заварки и след това ги сглобете.За да се избегнат пукнатини, причинени от различни коефициенти на топлинно разширение на съставните материали, буферният слой (един или повече слоя метални листове) може да се върти между заварките.Спояващият добавъчен метал трябва да бъде захванат между две заварки или поставен в позицията, където празнината е запълнена с твърд спояващ добавъчен метал, доколкото е възможно, и след това спояването трябва да се извърши като обикновено вакуумно спояване.

Ако Ag Cu Ti спойка се използва за директно спояване, трябва да се приеме метод на вакуумно спояване.Когато степента на вакуум в пещта достигне 2,7 × Започнете нагряване при 10-3pa и температурата може да се повиши бързо по това време;Когато температурата е близка до точката на топене на спойката, температурата трябва да се повиши бавно, за да може температурата на всички части на заварката да бъде еднаква;Когато спойката се разтопи, температурата трябва бързо да се повиши до температурата на спояване и времето на задържане трябва да бъде 3 ~ 5 минути;По време на охлаждането трябва да се охлажда бавно преди 700 ℃ и може да се охлади естествено с пещта след 700 ℃.

Когато активната спойка Ti Cu се запоява директно, формата на спойка може да бъде Cu фолио плюс Ti прах или Cu части плюс Ti фолио, или керамичната повърхност може да бъде покрита с Ti прах плюс Cu фолио.Преди запояване всички метални части трябва да бъдат дегазирани чрез вакуум.Температурата на дегазиране на свободната от кислород мед трябва да бъде 750 ~ 800 ℃, а Ti, Nb, Ta и т.н. трябва да бъдат дегазирани при 900 ℃ за 15 минути.По това време степента на вакуум не трябва да бъде по-малка от 6,7 × 10-3Pa。 По време на запояване сглобете компонентите, които ще бъдат заварени в приспособлението, загрейте ги във вакуумната пещ до 900 ~ 1120 ℃ и времето на задържане е 2 ~ 5 минути.По време на целия процес на спояване, степента на вакуум не трябва да бъде по-малка от 6,7 × 10-3Pa.

Процесът на спояване на метода Ti Ni е подобен на този на метода Ti Cu, а температурата на спояване е 900 ± 10 ℃.

(3) Метод на оксидно спояване Методът на оксидно спояване е метод за осъществяване на надеждна връзка чрез използване на стъклената фаза, образувана от топенето на оксиден припой, за инфилтриране в керамиката и намокряне на металната повърхност.Може да свързва керамика с керамика и керамика с метали.Допълнителните метали за оксидно спояване се състоят главно от Al2O3, Cao, Bao и MgO.Чрез добавяне на B2O3, Y2O3 и ta2o3 могат да се получат припойни добавъчни метали с различни точки на топене и коефициенти на линейно разширение.В допълнение, флуоридните припойни спояващи метали с CaF2 и NaF като основни компоненти могат също да се използват за свързване на керамика и метали за получаване на съединения с висока якост и висока устойчивост на топлина.