Спояване на керамика и метали

1. Спояемост

Трудно е да се запоят керамични и керамични, както и керамични и метални компоненти. По-голямата част от спойката образува топка върху керамичната повърхност, с малко или никакво омокряне. Металът за спояване, който може да омокри керамиката, лесно образува различни крехки съединения (като карбиди, силициди и тройни или многовариантни съединения) на свързващата повърхност по време на запояване. Наличието на тези съединения влияе върху механичните свойства на съединението. Освен това, поради голямата разлика в коефициентите на термично разширение между керамиката, метала и спойката, след като температурата на запояване се охлади до стайна температура, в съединението ще има остатъчно напрежение, което може да причини напукване.

Омокряемостта на спойката върху керамичната повърхност може да се подобри чрез добавяне на активни метални елементи към обикновената спойка; ниската температура и краткотрайното запояване могат да намалят ефекта на реакцията на повърхността; термичното напрежение на съединението може да се намали чрез проектиране на подходяща форма на съединението и използване на еднослоен или многослоен метал като междинен слой.

2. Спойка

Керамиката и металът обикновено се свързват във вакуумна пещ или пещ за водород и аргон. В допълнение към общите характеристики, металите за спояване 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 се предизвикат диелектрични течове и отравяне на катода на устройствата. Обикновено се посочва, 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) съотношението на спойката не трябва да надвишава 0,001%, за да се избегне образуването на водни пари по време на запояване във водород, което може да причини пръски на разтопен метал на спойката; освен това, спойката трябва да е чиста и без повърхностни оксиди.

При запояване след керамична метализация могат да се използват мед, базова, сребърна мед, златна мед и други легирани спояващи метали.

За директно запояване на керамика и метали, трябва да се изберат спояващи метали, съдържащи активни елементи Ti и Zr. Бинарните пълнители са главно Ti, Cu и Ti, които могат да се използват при 1100 ℃. Сред тройните спойки, Ag, Cu, Ti (W) (TI) е най-често използваният спойник, който може да се използва за директно запояване на различни керамики и метали. Тройният пълнител може да се използва като фолио, прах или евтектичен пълнител Ag, Cu и Ti прах. Спойващият метал B-ti49be2 има подобна устойчивост на корозия като неръждаема стомана и ниско налягане на парите. Може да се избира предпочитано при вакуумно уплътняване на съединенията, като същевременно е устойчив на окисляване и течове. При ti-v-cr спойката температурата на топене е най-ниска (1620 ℃), когато w (V) е 30%, а добавянето на Cr може ефективно да намали температурния диапазон на топене. Припой B-ti47.5ta5 без Cr е използван за директно запояване на алуминиев оксид и магнезиев оксид, а съединението му може да работи при температура на околната среда от 1000 ℃. Таблица 14 показва активния флюс за директно свързване между керамика и метал.

Таблица 14 активни спояващи метали за спояване с керамика и метал

2. Технология на запояване

Предварително метализираната керамика може да се споява във високочиста инертна газова среда, водород или вакуум. Вакуумното спояване обикновено се използва за директно спояване на керамика без метализация.

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

Целта на почистването на повърхността е да се премахнат маслени петна, петна от пот и оксиден филм от повърхността на основния метал. Металните части и спойката първо трябва да се обезмаслят, след което оксидният филм се отстранява чрез измиване с киселина или основа, измива се с течаща вода и се суши. Частите с високи изисквания трябва да се обработят термично във вакуумна пещ или водородна пещ (може да се използва и метод на йонно бомбардиране) при подходяща температура и време, за да се почисти повърхността на частите. Почистените части не трябва да влизат в контакт с мазни предмети или голи ръце. Те трябва незабавно да се поставят в следващия процес или в сушилнята. Не трябва да се излагат на въздух за дълго време. Керамичните части трябва да се почистват с ацетон и ултразвук, да се измиват с течаща вода и накрая да се варят два пъти с дейонизирана вода по 15 минути всеки път.

Пастообразното покритие е важен процес при метализацията на керамиката. По време на покритието, то се нанася върху керамичната повърхност, която ще се метализира, с четка или машина за нанасяне на паста. Дебелината на покритието обикновено е 30 ~ 60 мм. Пастата обикновено се приготвя от чист метален прах (понякога се добавя подходящ метален оксид) с размер на частиците около 1 ~ 5 μm и органично лепило.

Пастираните керамични части се изпращат във водородна пещ и се синтероват с мокър водород или крекинг амоняк при 1300 ~ 1500 ℃ за 30 ~ 60 минути. Керамичните части, покрити с хидриди, се нагряват до около 900 ℃, за да се разложат хидридите и да се реагира с чист метал или титан (или цирконий), останали върху керамичната повърхност, за да се получи метално покритие върху керамичната повърхност.

За метализирания слой MoMn, за да се намокри с спойката, трябва да се нанесе никелов слой с дебелина 1,4 ~ 5 μm, който да бъде галванизиран или покрит със слой никелов прах. Ако температурата на запояване е по-ниска от 1000 ℃, никеловият слой трябва да бъде предварително синтерован във водородна пещ. Температурата и времето за синтероване са 1000 ℃ / 15 ~ 20 минути.

Обработената керамика е метална част, която се сглобява в едно цяло с помощта на форми от неръждаема стомана или графит и керамика. На съединенията се поставя спойка, а детайлът се поддържа чист по време на цялата операция и не се докосва с голи ръце.

Спояването трябва да се извършва в аргонова, водородна или вакуумна пещ. Температурата на спояване зависи от добавъчния метал. За да се предотврати напукване на керамичните части, скоростта на охлаждане не трябва да бъде твърде бърза. Освен това, при спояване може да се приложи и определено налягане (около 0,49 ~ 0,98 mpa).

В допълнение към проверката на качеството на повърхността, запоените заваръчни съединения трябва да бъдат подложени и на термичен удар и проверка на механичните свойства. Уплътнителните части за вакуумни устройства също трябва да бъдат подложени на изпитване за херметичност съгласно съответните разпоредби.

(2) Директно запояване. При директно запояване (метод с активен метал), първо се почиства повърхността на керамичните и металните заварени елементи, след което се сглобяват. За да се избегнат пукнатини, причинени от различни коефициенти на термично разширение на компонентните материали, буферният слой (един или повече слоеве метални листове) може да се върти между заваръчните елементи. Запасващият метал за спояване се затяга между два заваръчни елемента или се поставя на място, където празнината е запълнена с запасващ метал за спояване, доколкото е възможно, и след това запояването се извършва като обикновено вакуумно запояване.

Ако за директно запояване се използва спойка Ag-Cu-Ti, трябва да се използва метод на вакуумно запояване. Когато степента на вакуум в пещта достигне 2,7 × √(10-3Pa), започнете нагряването при 10-3Pa и температурата може да се повиши бързо. Когато температурата е близо до точката на топене на спойката, температурата трябва да се повишава бавно, за да се изравни температурата на всички части на заварката. Когато спойката се разтопи, температурата трябва бързо да се повиши до температурата на запояване, а времето на задържане трябва да бъде 3 ~ 5 минути. По време на охлаждането, тя трябва да се охлади бавно до 700 ℃ и може да се охлади естествено с пещта след 700 ℃.

Когато активният Ti-Cu припой се запоява директно, видът на припоя 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 се дегазират чрез вакуум. Температурата на дегазиране на безкислородна мед трябва да бъде 750 ~ 800 ℃, а Ti, Nb, Ta и др. трябва да се дегазират при 900 ℃ за 15 минути. В този момент степента на вакуум не трябва да бъде по-малка от 6,7 × 10⁻³Pa. По време на запояване, сглобете компонентите, които ще се заваряват, в приспособлението, нагрейте ги във вакуумна пещ до 900 ~ 1120 ℃, а времето на задържане е 2 ~ 5 минути. По време на целия процес на запояване 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 запояване Методът на оксидно запояване е метод за осъществяване на надеждна връзка чрез използване на стъклената фаза, образувана от топенето на оксиден припой, за да инфилтрира в керамиката и да намокри металната повърхност. Той може да свързва керамика с керамика и керамика с метали. Допълнителните метали за оксидно запояване са съставени главно от Al2O3, CaO, BaO и MgO. Чрез добавяне на B2O3, Y2O3 и ta2o3 могат да се получат допълнителни метали за спояване с различни точки на топене и коефициенти на линейно разширение. Освен това, флуоридни допълнителни метали за спояване с CaF2 и NaF като основни компоненти също могат да се използват за свързване на керамика и метали, за да се получат съединения с висока якост и висока топлоустойчивост.