Spájkovanie keramiky a kovov

1. Spájkovateľnosť

Spájkovanie keramiky a keramiky, keramických a kovových komponentov je ťažké. Väčšina spájky tvorí na keramickom povrchu guľôčku s malým alebo žiadnym zmáčaním. Prídavný kov na spájkovanie, ktorý môže zmáčavať keramiku, môže počas spájkovania ľahko tvoriť na spojovacom rozhraní rôzne krehké zlúčeniny (ako sú karbidy, silicidy a ternárne alebo viacrozmerné zlúčeniny). Prítomnosť týchto zlúčenín ovplyvňuje mechanické vlastnosti spoja. Okrem toho, v dôsledku veľkého rozdielu koeficientov tepelnej rozťažnosti medzi keramikou, kovom a spájkou, po ochladení teploty spájkovania na izbovú teplotu bude v spoji zvyškové napätie, ktoré môže spôsobiť praskanie spoja.

Zmáčateľnosť spájky na keramickom povrchu sa dá zlepšiť pridaním aktívnych kovových prvkov do bežnej spájky; Nízka teplota a krátkodobé spájkovanie môžu znížiť vplyv reakcie na rozhraní; Tepelné namáhanie spoja sa dá znížiť návrhom vhodného tvaru spoja a použitím jednovrstvového alebo viacvrstvového kovu ako medzivrstvy.

2. Spájkovanie

Keramika a kov sa zvyčajne spájajú vo vákuovej peci alebo peci na vodík a argón. Okrem všeobecných charakteristík by mali mať prídavné kovy na spájkovanie pre vákuové elektronické zariadenia aj určité špeciálne požiadavky. Napríklad spájka by nemala obsahovať prvky, ktoré vytvárajú vysoký tlak pár, aby nespôsobila dielektrický únik a otravu katódy zariadení. Vo všeobecnosti sa stanovuje, že keď je zariadenie v prevádzke, tlak pár spájky nesmie prekročiť 10-3 Pa a obsah nečistôt s vysokým tlakom pár nesmie prekročiť 0,002 % až 0,005 %; w(o) spájky nesmie prekročiť 0,001 %, aby sa zabránilo vzniku vodnej pary počas spájkovania vo vodíku, čo môže spôsobiť rozstrekovanie roztavenej spájky; Okrem toho musí byť spájka čistá a bez povrchových oxidov.

Pri spájkovaní po keramickej metalizácii sa môžu použiť prídavné kovy na spájkovanie zo zliatin meď, základná meď, strieborná meď, zlatá meď a iné legované spájkovacie kovy.

Na priame spájkovanie keramiky a kovov by sa mali zvoliť prídavné kovy na spájkovanie obsahujúce aktívne prvky Ti a Zr. Binárne prídavné kovy sú hlavne Ti, Cu a Ti, ktoré sa môžu použiť pri teplote 1100 °C. Spomedzi ternárnych spájok je najčastejšie používanou spájkou Ag, Cu a Ti (W) (TI), ktorá sa môže použiť na priame spájkovanie rôznych keramických a kovových materiálov. Ako ternárny prídavný kov sa môže použiť fólia, prášok alebo eutektický prídavný kov Ag, Cu a Ti s práškovým Ti. Prídavný kov B-ti49be2 má podobnú odolnosť proti korózii ako nehrdzavejúca oceľ a nízky tlak pár. Môže sa prednostne zvoliť vo vákuových tesniacich spojoch s odolnosťou proti oxidácii a úniku. Pri spájkovaní ti-v-cr je teplota topenia najnižšia (1620 °C), keď je w (V) 30 %, a pridanie Cr môže účinne znížiť rozsah teplôt topenia. Spájka B-ti47.5ta5 bez obsahu Cr sa používa na priame spájkovanie oxidu hlinitého a oxidu horečnatého a jej spoj je schopný fungovať pri okolitej teplote 1000 ℃. Tabuľka 14 zobrazuje aktívny tok pre priame spojenie medzi keramikou a kovom.

Tabuľka 14 Aktívne spájkovacie prídavné kovy pre spájkovanie keramiky a kovov

2. Technológia spájkovania

Predmetalizovaná keramika sa môže spájkovať vo vysoko čistom inertnom plyne, vodíku alebo vo vákuu. Vákuové spájkovanie sa vo všeobecnosti používa na priame spájkovanie keramiky bez metalizácie.

(1) Univerzálny proces spájkovania Univerzálny proces spájkovania keramiky a kovu možno rozdeliť do siedmich procesov: čistenie povrchu, nanášanie pasty, metalizácia keramického povrchu, niklovanie, spájkovanie a kontrola po zváraní.

Účelom čistenia povrchu je odstrániť olejové škvrny, škvrny od potu a oxidový film z povrchu základného kovu. Kovové časti a spájka sa najskôr odmastia, potom sa oxidový film odstráni kyselinovým alebo alkalickým umývaním, umyjú sa tečúcou vodou a vysušia. Časti s vysokými požiadavkami sa tepelne upravia vo vákuovej peci alebo vodíkovej peci (môže sa použiť aj metóda iónového bombardovania) pri vhodnej teplote a čase, aby sa povrch častí vyčistil. Vyčistené časti sa nesmú dostať do kontaktu s mastnými predmetmi ani holými rukami. Musia sa ihneď vložiť do ďalšieho procesu alebo do sušičky. Nesmú byť dlhodobo vystavené vzduchu. Keramické časti sa čistia acetónom a ultrazvukom, umyjú sa tečúcou vodou a nakoniec sa dvakrát prevaria deionizovanou vodou po dobu 15 minút.

Nanášanie pasty je dôležitý proces keramickej metalizácie. Počas nanášania sa pasta nanáša na keramický povrch, ktorý sa má metalizovať, štetcom alebo strojom na nanášanie pasty. Hrúbka vrstvy je zvyčajne 30 ~ 60 mm. Pasta sa zvyčajne pripravuje z čistého kovového prášku (niekedy sa pridáva vhodný oxid kovu) s veľkosťou častíc približne 1 ~ 5 μm a organického lepidla.

Pastované keramické diely sa posielajú do vodíkovej pece a spekajú sa s mokrým vodíkom alebo krakovaným amoniakom pri teplote 1300 až 1500 ℃ počas 30 až 60 minút. Keramické diely potiahnuté hydridmi sa zahrievajú na približne 900 ℃, aby sa hydridy rozložili a reagovali s čistým kovom alebo titánom (alebo zirkóniom), ktorý zostal na keramickom povrchu, a tak sa na keramickom povrchu vytvoril kovový povlak.

Pre metalizovanú vrstvu MoMn, aby sa zmáčala spájkou, musí byť niklová vrstva s hrúbkou 1,4 ~ 5 μm galvanicky pokovovaná alebo potiahnutá vrstvou niklového prášku. Ak je teplota spájkovania nižšia ako 1000 ℃, musí byť niklová vrstva predspekaná vo vodíkovej peci. Teplota a čas spekania sú 1000 ℃ / 15 ~ 20 minút.

Ošetrená keramika sú kovové diely, ktoré sa musia zostaviť do celku pomocou foriem z nehrdzavejúcej ocele alebo grafitu a keramiky. Na spojoch sa musí naniesť spájka a obrobok sa musí počas celej operácie udržiavať čistý a nesmie sa ho dotýkať holými rukami.

Spájkovanie sa vykonáva v argónovej, vodíkovej alebo vákuovej peci. Teplota spájkovania závisí od prídavného materiálu. Aby sa zabránilo praskaniu keramických častí, rýchlosť ochladzovania by nemala byť príliš rýchla. Okrem toho sa pri spájkovaní môže použiť aj určitý tlak (približne 0,49 ~ 0,98 MPa).

Okrem kontroly kvality povrchu musia byť spájkované zvary podrobené aj kontrole tepelného šoku a mechanických vlastností. Tesniace časti vákuových zariadení musia byť tiež podrobené skúške tesnosti podľa príslušných predpisov.

(2) Priame spájkovanie Pri priamom spájkovaní (metóda aktívneho kovu) sa najprv očistia povrchy keramických a kovových zvarov a potom sa zmontujú. Aby sa predišlo prasklinám spôsobeným rôznymi koeficientmi tepelnej rozťažnosti materiálov, medzi zvarmi sa môže otáčať tlmiaca vrstva (jedna alebo viac vrstiev kovových plechov). Prídavný spájkovací kov sa musí upnúť medzi dva zvary alebo umiestniť na miesto, kde je medzera čo najviac vyplnená prídavným spájkovacím kovom, a potom sa spájkovanie vykonáva ako bežné vákuové spájkovanie.

Ak sa na priame spájkovanie používa spájka Ag-Cu-Ti, mala by sa použiť metóda spájkovania vo vákuu. Keď stupeň vákua v peci dosiahne 2,7 ×, začnite zahrievať pri 10-3 Pa a teplota môže v tomto čase rýchlo stúpnuť. Keď sa teplota blíži k bodu topenia spájky, teplota by sa mala pomaly zvyšovať, aby sa teplota všetkých častí zvaru vyrovnala. Keď sa spájka roztaví, teplota by sa mala rýchlo zvýšiť na teplotu spájkovania a doba výdrže by mala byť 3 ~ 5 minút. Počas chladnutia by sa mala pomaly ochladzovať pred 700 ℃ a po 700 ℃ sa môže prirodzene ochladiť v peci.

Pri priamom spájkovaní s aktívnou titán-cup spájkou sa môže použiť cu-fólia a titánový prášok alebo cu-časti a titánová fólia, prípadne keramický povrch môže byť potiahnutý titánovým práškom a cu-fóliou. Pred spájkovaním sa všetky kovové časti odplynia vo vákuu. Teplota odplynenia bezkyslíkatej medi musí byť 750 ~ 800 ℃ a titán, niób, ta atď. sa musia odplyniť pri teplote 900 ℃ počas 15 minút. V tomto čase nesmie byť stupeň vákua nižší ako 6,7 × 10⁻³ Pa. Počas spájkovania sa zvárané komponenty zostavia v upínacom prípravku, zahrejú sa vo vákuovej peci na teplotu 900 ~ 1120 ℃ a doba výdrže je 2 ~ 5 minút. Počas celého procesu spájkovania nesmie byť stupeň vákua nižší ako 6,7 × 10⁻³ Pa.

Proces spájkovania pri metóde Ti Ni je podobný ako pri metóde Ti Cu a teplota spájkovania je 900 ± 10 ℃.

(3) Metóda oxidového spájkovania Metóda oxidového spájkovania je metóda na dosiahnutie spoľahlivého spojenia pomocou sklenenej fázy vytvorenej roztavením oxidovej spájky, ktorá infiltruje do keramiky a zmáča kovový povrch. Dokáže spojiť keramiku s keramikou a keramiku s kovmi. Prídavné kovy na oxidové spájkovanie sa skladajú hlavne z Al₂O₃, CaO, BaO a MgO. Pridaním B₂O₃, Y₂O₃ a Ta₂O₃ je možné získať prídavné kovy na spájkovanie s rôznymi bodmi topenia a koeficientmi lineárnej rozťažnosti. Okrem toho sa na spájanie keramiky a kovov môžu použiť aj fluoridové prídavné kovy na spájkovanie s CaF₂ a NaF ako hlavnými zložkami, čím sa získajú spoje s vysokou pevnosťou a vysokou tepelnou odolnosťou.