Seramik ve metallerin lehimlenmesi

1. Lehimlenebilirlik

Seramik ve seramik, seramik ve metal bileşenlerin lehimlenmesi zordur. Lehimin büyük kısmı seramik yüzeyde çok az ıslanan veya hiç ıslanmayan bir top oluşturur. Seramikleri ıslatabilen lehim dolgu metali, lehimleme sırasında bağlantı arayüzünde çeşitli kırılgan bileşikler (karbürler, silisitler ve üçlü veya çok değişkenli bileşikler gibi) oluşturabilir. Bu bileşiklerin varlığı, bağlantının mekanik özelliklerini etkiler. Ayrıca, seramik, metal ve lehim arasındaki büyük termal genleşme katsayıları farkı nedeniyle, lehimleme sıcaklığı oda sıcaklığına soğutulduktan sonra bağlantıda kalıcı gerilim oluşacak ve bu da bağlantı çatlamasına neden olabilir.

Seramik yüzeydeki lehimin ıslanabilirliği, yaygın lehime aktif metal elementler eklenerek iyileştirilebilir; Düşük sıcaklık ve kısa süreli lehimleme, arayüz reaksiyonunun etkisini azaltabilir; Uygun bir birleştirme formu tasarlayarak ve ara katman olarak tek veya çok katmanlı bir metal kullanarak birleştirmenin termal gerilimi azaltılabilir.

2. Lehim

Seramik ve metal genellikle vakum fırını veya hidrojen ve argon fırınında birleştirilir. Genel özelliklere ek olarak, vakumlu elektronik cihazlar için lehim dolgu metalleri bazı özel gereksinimlere de sahip olmalıdır. Örneğin, lehim, cihazlarda dielektrik sızıntısına ve katot zehirlenmesine neden olmamak için yüksek buhar basıncı üreten elementler içermemelidir. Cihaz çalışırken, lehimin buhar basıncının 10-3Pa'yı ve içerdiği yüksek buhar basıncı safsızlıklarının %0,002 ~ %0,005'i geçmemesi gerektiği genel olarak belirtilir; lehimin su (O) oranı, hidrojende lehimleme sırasında oluşan ve erimiş lehim metalinin sıçramasına neden olabilecek su buharını önlemek için %0,001'i geçmemelidir; ayrıca, lehim temiz ve yüzey oksitlerinden arındırılmış olmalıdır.

Seramik metalizasyon sonrası lehimlemede bakır, baz, gümüş bakır, altın bakır ve diğer alaşımlı lehim dolgu metalleri kullanılabilir.

Seramik ve metallerin doğrudan lehimlenmesi için aktif elementler Ti ve Zr içeren lehim dolgu metalleri seçilmelidir. İkili dolgu metalleri esas olarak 1100 ℃'de kullanılabilen Ti Cu ve Ti Ni'dir. Üçlü lehim arasında en yaygın kullanılan lehim, çeşitli seramik ve metallerin doğrudan lehimlenmesinde kullanılabilen Ag Cu Ti (W) (TI)'dır. Üçlü dolgu metali, folyo, toz veya Ti tozu ile Ag Cu ötektik dolgu metali ile kullanılabilir. B-ti49be2 lehim dolgu metali, paslanmaz çeliğe benzer korozyon direncine ve düşük buhar basıncına sahiptir. Vakum sızdırmazlık bağlantılarında oksidasyon ve sızıntı direnci ile tercihen seçilebilir. Ti-v-cr lehiminde, erime sıcaklığı w (V) %30 olduğunda en düşüktür (1620 ℃) ​​ve Cr ilavesi erime sıcaklığı aralığını etkili bir şekilde azaltabilir. Cr içermeyen B-ti47.5ta5 lehimi, alüminyum oksit ve magnezyum oksidin doğrudan lehimlenmesinde kullanılmış olup, birleşimi 1000 ℃ ortam sıcaklığında çalışabilmektedir. Tablo 14, seramik ve metal arasındaki doğrudan bağlantı için aktif akıyı göstermektedir.

Tablo 14 Seramik ve metal lehimleme için aktif lehim dolgu metalleri

2. Lehimleme teknolojisi

Önceden metalize edilmiş seramikler, yüksek saflıkta inert gaz, hidrojen veya vakum ortamında lehimlenebilir. Vakum lehimleme, genellikle metalizasyon olmadan seramiklerin doğrudan lehimlenmesinde kullanılır.

(1) Evrensel lehimleme işlemi Seramik ve metalin evrensel lehimleme işlemi yedi işleme ayrılabilir: yüzey temizleme, macun kaplama, seramik yüzey metalizasyonu, nikel kaplama, lehimleme ve kaynak sonrası muayene.

Yüzey temizliğinin amacı, ana metal yüzeyindeki yağ lekesi, ter lekesi ve oksit tabakasını gidermektir. Metal parçalar ve lehim önce yağdan arındırılmalı, ardından oksit tabakası asit veya alkali yıkama ile çıkarılmalı, akan su altında yıkanmalı ve kurutulmalıdır. Yüksek performans gerektiren parçalar, yüzeylerini arındırmak için uygun sıcaklık ve sürede vakumlu fırında veya hidrojen fırında (iyon bombardımanı yöntemi de kullanılabilir) ısıl işleme tabi tutulmalıdır. Temizlenen parçalar yağlı nesnelerle veya çıplak elle temas ettirilmemelidir. Hemen bir sonraki işleme veya kurutucuya konulmalıdır. Uzun süre hava ile temas ettirilmemelidir. Seramik parçalar aseton ve ultrasonik temizleyici ile temizlenmeli, akan su altında yıkanmalı ve son olarak iki kez 15 dakika deiyonize su ile kaynatılmalıdır.

Macun kaplama, seramik metalizasyonunun önemli bir işlemidir. Kaplama sırasında, metalize edilecek seramik yüzeye fırça veya macun kaplama makinesi ile uygulanır. Kaplama kalınlığı genellikle 30-60 mm'dir. Macun genellikle yaklaşık 1-5 µm partikül boyutuna sahip saf metal tozundan (bazen uygun miktarda metal oksit de eklenir) ve organik yapıştırıcıdan hazırlanır.

Yapıştırılan seramik parçalar hidrojen fırınına gönderilir ve 1300-1500 ℃'de ıslak hidrojen veya çatlamış amonyakla 30-60 dakika sinterlenir. Hidritlerle kaplanmış seramik parçalar için, hidritleri ayrıştırmak ve seramik yüzeyinde kalan saf metal veya titanyum (veya zirkonyum) ile reaksiyona girerek seramik yüzeyinde metal bir kaplama elde etmek için yaklaşık 900 ℃'ye kadar ısıtılmalıdır.

Mo Mn metalize tabakanın lehimle ıslanabilmesi için 1,4 ~ 5 um kalınlığında bir nikel tabakasının elektrolizle kaplanması veya bir nikel tozu tabakasıyla kaplanması gerekir. Lehimleme sıcaklığı 1000 ℃'den düşükse, nikel tabakasının hidrojen fırınında ön sinterlenmesi gerekir. Sinterleme sıcaklığı ve süresi 1000 ℃ /15 ~ 20 dakikadır.

İşlenmiş seramikler, paslanmaz çelik veya grafit ve seramik kalıplarla bir bütün halinde birleştirilecek metal parçalardır. Birleşim yerlerine lehim yerleştirilmeli ve iş parçası işlem boyunca temiz tutulmalı, çıplak elle dokunulmamalıdır.

Lehimleme işlemi argon, hidrojen veya vakum fırınında yapılmalıdır. Lehimleme sıcaklığı, lehim dolgu metaline bağlıdır. Seramik parçaların çatlamasını önlemek için soğutma hızı çok hızlı olmamalıdır. Ayrıca, lehimleme sırasında belirli bir basınç (yaklaşık 0,49 ~ 0,98 MPa) da uygulanabilir.

Yüzey kalite kontrolüne ek olarak, lehimli kaynaklar termal şok ve mekanik özellik kontrolüne de tabi tutulmalıdır. Vakum cihazlarının sızdırmazlık parçaları da ilgili yönetmeliklere göre sızdırmazlık testine tabi tutulmalıdır.

(2) Doğrudan lehimleme: Doğrudan lehimlemede (aktif metal yöntemi), önce seramik ve metal kaynakların yüzeyi temizlenir ve ardından birleştirilir. Bileşen malzemelerin farklı ısıl genleşme katsayılarından kaynaklanan çatlakları önlemek için, tampon tabaka (bir veya daha fazla metal levha tabakası) kaynaklar arasında döndürülebilir. Lehim dolgu metali, iki kaynak arasına sıkıştırılmalı veya boşluğun mümkün olduğunca lehim dolgu metaliyle doldurulduğu bir konuma yerleştirilmeli ve ardından lehimleme, normal vakumlu lehimleme gibi yapılmalıdır.

Doğrudan lehimleme için Ag Cu Ti lehimi kullanılıyorsa, vakumlu lehimleme yöntemi kullanılmalıdır. Fırındaki vakum derecesi 2,7 ×'e ulaştığında, 10-3Pa'da ısıtmaya başlayın ve bu sırada sıcaklık hızla yükselebilir; Sıcaklık lehimin erime noktasına yakın olduğunda, kaynaklı parçanın tüm kısımlarının sıcaklığının aynı olmasını sağlamak için sıcaklık yavaşça yükseltilmelidir; Lehim eridiğinde, sıcaklık hızla lehimleme sıcaklığına yükseltilmeli ve tutma süresi 3 ~ 5 dakika olmalıdır; Soğutma sırasında, 700 ℃'ye kadar yavaşça soğutulmalı ve 700 ℃'den sonra fırınla ​​doğal olarak soğutulabilir.

Ti Cu aktif lehim doğrudan lehimlendiğinde, lehimin formu Cu folyo artı Ti tozu veya Cu parçaları artı Ti folyo olabilir veya seramik yüzey Ti tozu artı Cu folyo ile kaplanabilir. Lehimlemeden önce, tüm metal parçalar vakumla gazdan arındırılmalıdır. Oksijensiz bakırın gazdan arındırma sıcaklığı 750 ~ 800 ℃ olmalı ve Ti, Nb, Ta vb. 15 dakika boyunca 900 ℃'de gazdan arındırılmalıdır. Bu sırada vakum derecesi 6,7 × 10-3Pa'dan az olmamalıdır. Lehimleme sırasında, kaynaklanacak bileşenleri fikstürde birleştirin, vakumlu fırında 900 ~ 1120 ℃'ye ısıtın ve tutma süresi 2 ~ 5 dakikadır. Tüm lehimleme işlemi boyunca vakum derecesi 6,7 × 10-3Pa'dan az olmamalıdır.

Ti Ni yönteminin sert lehimleme işlemi, Ti Cu yöntemine benzer ve lehimleme sıcaklığı 900 ± 10 santigrat derecedir.

(3) Oksit lehimleme yöntemi, oksit lehimin eritilmesiyle oluşan cam fazının seramiklere sızması ve metal yüzeyini ıslatmasıyla güvenilir bir bağlantı sağlayan bir yöntemdir. Seramikleri seramiklerle, seramikleri de metallerle bağlayabilir. Oksit lehim dolgu metalleri çoğunlukla Al2O3, CaO, BaO ve MgO'dan oluşur. B2O3, Y2O3 ve ta2O3 eklenerek, farklı erime noktalarına ve doğrusal genleşme katsayılarına sahip lehim dolgu metalleri elde edilebilir. Ayrıca, ana bileşenleri CaF2 ve NaF olan florürlü lehim dolgu metalleri de seramikleri ve metalleri birleştirerek yüksek mukavemetli ve yüksek ısıya dayanıklı bağlantılar elde etmek için kullanılabilir.