Spajkanje keramike in kovin

1. Spajkanje

Spajkanje keramike in keramike ter keramičnih in kovinskih komponent je težko. Večina spajke na keramični površini tvori kroglico, ki se malo ali nič ne omoči. Dodatna kovina za spajkanje, ki lahko omoči keramiko, med spajkanjem zlahka tvori različne krhke spojine (kot so karbidi, silicidi in ternarne ali večvariatne spojine) na stiku spoja. Prisotnost teh spojin vpliva na mehanske lastnosti spoja. Poleg tega zaradi velike razlike v koeficientih toplotnega raztezanja med keramiko, kovino in spajko po ohladitvi na sobno temperaturo v spoju ostane preostala napetost, kar lahko povzroči razpoke v spoju.

Omočljivost spajke na keramični površini se lahko izboljša z dodajanjem aktivnih kovinskih elementov običajni spajki; Nizka temperatura in kratkotrajno spajkanje lahko zmanjšata učinek reakcije na vmesniku; Toplotno obremenitev spoja se lahko zmanjša z načrtovanjem ustrezne oblike spoja in uporabo enojne ali večplastne kovine kot vmesne plasti.

2. Spajka

Keramika in kovina se običajno povezujeta v vakuumski peči ali peči na vodik in argon. Poleg splošnih značilnosti morajo imeti polnilne kovine za spajkanje vakuumskih elektronskih naprav tudi nekatere posebne zahteve. Na primer, spajka ne sme vsebovati elementov, ki proizvajajo visok parni tlak, da ne pride do dielektričnega puščanja in zastrupitve katode naprav. Na splošno je določeno, da med delovanjem naprave parni tlak spajke ne sme presegati 10-3 Pa, vsebnost nečistoč z visokim parnim tlakom pa ne sme presegati 0,002 % ~ 0,005 %; w(o) spajke ne sme presegati 0,001 %, da se prepreči nastanek vodne pare med spajkanjem v vodiku, kar lahko povzroči brizganje staljene kovine spajke; poleg tega mora biti spajka čista in brez površinskih oksidov.

Pri spajkanju po keramični metalizaciji se lahko uporabijo baker, osnovni, srebrni baker, zlati baker in druge zlitine za spajkanje.

Za neposredno spajkanje keramike in kovin je treba izbrati spajkalne polnilne kovine, ki vsebujejo aktivna elementa Ti in Zr. Binarne polnilne kovine so predvsem Ti, Cu in Ti, ki se lahko uporabljajo pri 1100 ℃. Med ternarnimi spajkami je Ag, Cu, Ti (W) (TI) najpogosteje uporabljena spajka, ki se lahko uporablja za neposredno spajkanje različnih keramik in kovin. Ternarna polnilna kovina se lahko uporablja v obliki folije, prahu ali evtektične polnilne kovine Ag, Cu in Ti v prahu. Polnilna kovina B-ti49be2 ima podobno korozijsko odpornost kot nerjaveče jeklo in nizek parni tlak. Prednostno jo je mogoče izbrati pri vakuumsko tesnjenju spojev zaradi odpornosti proti oksidaciji in puščanju. Pri spajkanju ti-v-cr je temperatura taljenja najnižja (1620 ℃), ko je w (V) 30 %, dodatek Cr pa lahko učinkovito zmanjša območje temperature taljenja. Spajka B-ti47.5ta5 brez Cr se uporablja za neposredno spajkanje aluminijevega oksida in magnezijevega oksida, njen spoj pa lahko deluje pri sobni temperaturi 1000 ℃. Tabela 14 prikazuje aktivni fluks za neposredno povezavo med keramiko in kovino.

Tabela 14 aktivne spajkalne kovine za spajkanje keramike in kovin

2. Tehnologija spajkanja

Predmetalizirana keramika se lahko spajka v okolju visoko čistega inertnega plina, vodika ali vakuuma. Vakuumsko spajkanje se običajno uporablja za neposredno spajkanje keramike brez metalizacije.

(1) Univerzalni postopek spajkanja Univerzalni postopek spajkanja keramike in kovine lahko razdelimo na sedem postopkov: čiščenje površine, nanašanje paste, metalizacija keramične površine, nikljanje, spajkanje in pregled po varjenju.

Namen površinskega čiščenja je odstraniti oljne madeže, madeže znoja in oksidni film s površine osnovne kovine. Kovinske dele in spajko je treba najprej razmastiti, nato pa oksidni film odstraniti s kislinskim ali alkalnim pranjem, sprati s tekočo vodo in posušiti. Deli z visokimi zahtevami je treba toplotno obdelati v vakuumski peči ali vodikovi peči (lahko se uporabi tudi metoda ionskega bombardiranja) pri ustrezni temperaturi in času, da se očisti površina delov. Očiščeni deli ne smejo priti v stik z mastnimi predmeti ali golimi rokami. Takoj jih je treba dati v naslednji postopek ali v sušilnik. Ne smejo biti dolgo časa izpostavljeni zraku. Keramične dele je treba očistiti z acetonom in ultrazvokom, sprati s tekočo vodo in na koncu dvakrat prekuhati z deionizirano vodo po 15 minut.

Pasta za nanašanje je pomemben postopek metalizacije keramike. Med nanašanjem se nanese na keramično površino, ki jo je treba metalizirati, s čopičem ali strojem za nanašanje paste. Debelina nanosa je običajno 30 ~ 60 mm. Pasta je običajno pripravljena iz čistega kovinskega prahu (včasih se doda ustrezen kovinski oksid) z velikostjo delcev približno 1 ~ 5 μm in organskega lepila.

Pastirane keramične dele pošljemo v vodikovo peč in sintramo z mokrim vodikom ali krekiranim amoniakom pri 1300–1500 ℃ 30–60 minut. Keramične dele, prevlečene s hidridi, je treba segreti na približno 900 ℃, da se hidridi razgradijo in reagirajo s čisto kovino ali titanom (ali cirkonijem), ki ostane na keramični površini, da se na keramični površini ustvari kovinska prevleka.

Za metalizirano plast MoMn je treba, da se zmoči s spajko, galvanizirati plast niklja debeline 1,4 ~ 5 μm ali prevleči s plastjo nikljevega prahu. Če je temperatura spajkanja nižja od 1000 ℃, je treba plast niklja predhodno sintrati v vodikovi peči. Temperatura in čas sintranja sta 1000 ℃ / 15 ~ 20 min.

Obdelana keramika so kovinski deli, ki jih je treba sestaviti v celoto z nerjavnim jeklom ali grafitnimi in keramičnimi kalupi. Na spoje je treba namestiti spajko, obdelovanec pa mora biti med celotnim postopkom čist in se ga ne sme dotikati z golimi rokami.

Spajkanje se izvaja v argonovi, vodikovi ali vakuumski peči. Temperatura spajkanja je odvisna od dodajnega materiala. Da bi preprečili razpoke keramičnih delov, hitrost ohlajanja ne sme biti prehitra. Poleg tega se pri spajkanju lahko uporabi tudi določen tlak (približno 0,49 ~ 0,98 MPa).

Poleg pregleda kakovosti površine je treba spajkane varjene dele pregledati tudi na toplotne udarce in mehanske lastnosti. Tesnilni deli vakuumskih naprav morajo biti prav tako podvrženi preizkusu tesnjenja v skladu z ustreznimi predpisi.

(2) Neposredno spajkanje Pri neposrednem spajkanju (metoda z aktivno kovino) najprej očistite površino keramičnih in kovinskih zvarov, nato pa jih sestavite. Da bi se izognili razpokam, ki jih povzročajo različni koeficienti toplotnega raztezanja sestavnih materialov, se lahko vmesna plast (ena ali več plasti kovinskih plošč) vrti med zvarjenima deloma. Dodatno spajkanje je treba vpeti med dva zvarjena dela ali namestiti na mesto, kjer je reža čim bolj zapolnjena z dodatnim spajkanjem, nato pa se spajkanje izvede kot običajno vakuumsko spajkanje.

Če se za neposredno spajkanje uporablja spajka Ag-Cu-Ti, je treba uporabiti vakuumsko spajkanje. Ko stopnja vakuuma v peči doseže 2,7 ×, začnite segrevati pri 10-3 Pa, temperatura pa se lahko v tem času hitro dvigne. Ko je temperatura blizu tališča spajke, je treba temperaturo počasi dvigniti, da se temperatura vseh delov varjenja izenači. Ko se spajka stopi, je treba temperaturo hitro dvigniti na temperaturo spajkanja, čas zadrževanja pa mora biti 3–5 minut. Med hlajenjem se mora počasi ohladiti do 700 ℃, po 700 ℃ pa se lahko ohladi naravno s pečjo.

Pri neposrednem spajkanju aktivnega spajka Ti-Cu je lahko spajka v obliki bakrene folije in titanovega prahu ali bakrenih delov in titanove folije, ali pa je keramična površina prevlečena s titanovim prahom in bakreno folijo. Pred spajkanjem je treba vse kovinske dele razpliniti z vakuumom. Temperatura razplinjanja bakra brez kisika mora biti 750–800 ℃, Ti, Nb, Ta itd. pa se morajo razplinjati pri 900 ℃ 15 minut. V tem času stopnja vakuuma ne sme biti manjša od 6,7 × 10⁻³Pa. Med spajkanjem sestavite varjene komponente v vpenjalo, jih segrejte v vakuumski peči na 900–1120 ℃ in zadržite 2–5 minut. Med celotnim postopkom spajkanja stopnja vakuuma ne sme biti manjša od 6,7 × 10⁻³Pa.

Postopek trdega spajkanja pri metodi Ti Ni je podoben postopku pri metodi Ti Cu, temperatura spajkanja pa je 900 ± 10 ℃.

(3) Metoda oksidnega spajkanja Metoda oksidnega spajkanja je metoda za doseganje zanesljive povezave z uporabo steklene faze, ki nastane s taljenjem oksidnega spajka, da se infiltrira v keramiko in ovlaži kovinsko površino. Lahko povezuje keramiko s keramiko in keramiko s kovinami. Dodatki za oksidno spajkanje so v glavnem sestavljeni iz Al2O3, CaO, BaO in MgO. Z dodatkom B2O3, Y2O3 in Ta2O3 je mogoče dobiti dodatke za spajkanje z različnimi tališčem in koeficienti linearnega raztezanja. Poleg tega se lahko za povezovanje keramike in kovin uporabljajo tudi fluoridni dodatki za spajkanje s CaF2 in NaF kot glavnima komponentama, da se dobijo spoji z visoko trdnostjo in visoko toplotno odpornostjo.