Seramik ve metal lehimleme

1. Lehimlenebilirlik

Seramik ve seramik, seramik ve metal bileşenlerin lehimlenmesi zordur. Lehimin çoğu seramik yüzeyinde top şeklinde oluşur ve çok az veya hiç ıslatma yapmaz. Seramiği ıslatabilen lehim dolgu metali, lehimleme sırasında birleşim arayüzünde çeşitli kırılgan bileşikler (karbürler, silisitler ve üçlü veya çok değişkenli bileşikler gibi) oluşturma eğilimindedir. Bu bileşiklerin varlığı, birleşim yerinin mekanik özelliklerini etkiler. Ayrıca, seramik, metal ve lehim arasındaki termal genleşme katsayılarındaki büyük fark nedeniyle, lehimleme sıcaklığı oda sıcaklığına soğutulduktan sonra birleşim yerinde artık gerilim oluşacak ve bu da birleşim yerinde çatlamaya neden olabilir.

Seramik yüzey üzerindeki lehimin ıslatılabilirliği, yaygın lehimin içine aktif metal elementler eklenerek iyileştirilebilir; düşük sıcaklık ve kısa süreli lehimleme, arayüz reaksiyonunun etkisini azaltabilir; uygun bir bağlantı şekli tasarlanarak ve ara katman olarak tek veya çok katmanlı metal kullanılarak bağlantının termal gerilimi azaltılabilir.

2. Lehimleme

Seramik ve metal genellikle vakum fırınında veya hidrojen ve argon fırınında birleştirilir. Genel özelliklere ek olarak, vakumlu elektronik cihazlar için lehim dolgu metallerinin bazı özel gereksinimleri de olmalıdır. Örneğin, lehim, dielektrik sızıntısına ve cihazların katot zehirlenmesine neden olmamak için yüksek buhar basıncı üreten elementler içermemelidir. Genel olarak, cihaz çalışırken lehimin buhar basıncının 10-3 pa'yı aşmaması ve içerdiği yüksek buhar basınçlı safsızlıkların %0,002 ~ %0,005'i geçmemesi; hidrojen ortamında lehimleme sırasında oluşan su buharının erimiş lehim metalinin sıçramasına neden olmaması için lehimin w(o) değerinin %0,001'i geçmemesi belirtilir; ayrıca, lehim temiz ve yüzey oksitlerinden arındırılmış olmalıdır.

Seramik metalizasyonundan sonra lehimleme yapılırken 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 Ti Cu ve Ti Ni olup, 1100 ℃'de kullanılabilirler. Üçlü lehimler arasında, Ag Cu Ti (W) (TI) en yaygın kullanılan lehimdir ve çeşitli seramik ve metallerin doğrudan lehimlenmesinde kullanılabilir. Üçlü dolgu metali, folyo, toz veya Ti tozu ile Ag Cu ötektik dolgu metali kullanılarak elde edilebilir. B-ti49be2 lehim dolgu metali, paslanmaz çeliğe benzer korozyon direncine ve düşük buhar basıncına sahiptir. Oksidasyon ve sızıntı direncine sahip vakumlu sızdırmazlık bağlantılarında tercih edilebilir. Ti-v-cr lehiminde, W (V) %30 olduğunda erime sıcaklığı en düşüktür (1620 ℃) ​​ve Cr ilavesi erime sıcaklığı aralığını etkili bir şekilde azaltabilir. Krom içermeyen B-ti47.5ta5 lehim, alümina ve magnezyum oksitin doğrudan lehimlenmesinde kullanılmıştır ve bağlantı 1000 ℃ ortam sıcaklığında çalışabilir. Tablo 14, seramik ve metal arasında 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 yapılmadan seramiklerin doğrudan lehimlenmesi için kullanılır.

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

Yüzey temizliğinin amacı, ana metal yüzeyindeki yağ lekelerini, ter lekelerini ve oksit tabakasını gidermektir. Metal parçalar ve lehim önce yağdan arındırılmalı, ardından asit veya alkali yıkama ile oksit tabakası giderilmeli, akan su ile yıkanmalı ve kurutulmalıdır. Yüksek gereksinimlere sahip parçalar, yüzeylerini arındırmak için uygun sıcaklık ve sürede vakum fırınında veya hidrojen fırınında (iyon bombardıman yöntemi de kullanılabilir) ısıl işlemden geçirilmelidir. Temizlenen parçalar yağlı nesnelerle veya çıplak elle temas ettirilmemelidir. Hemen bir sonraki işleme veya kurutucuya konulmalıdır. Uzun süre havaya maruz bırakılmamalıdır. Seramik parçalar aseton ve ultrasonik temizleme ile temizlenmeli, akan su ile yıkanmalı ve son olarak her seferinde 15 dakika olmak üzere iki kez 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 metal oksit de eklenir) ve organik yapıştırıcıdan hazırlanır.

Yapıştırılmış seramik parçalar bir hidrojen fırınına gönderilir ve 1300 ~ 1500 ℃'de 30 ~ 60 dakika boyunca ıslak hidrojen veya kırılmış amonyak ile sinterlenir. Hidritlerle kaplanmış seramik parçalar ise, 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 ısıtılır.

Mo Mn metalize tabakası için, lehimle ıslanmasını sağlamak amacıyla, 1,4 ~ 5 µm kalınlığında bir nikel tabakası elektrolizle kaplanmalı veya nikel tozu ile kaplanmalıdır. Lehimleme sıcaklığı 1000 ℃'nin altında ise, nikel tabakası hidrojen fırınında önceden sinterlenmelidir. Sinterleme sıcaklığı ve süresi 1000 ℃ / 15 ~ 20 dakikadır.

İşlem görmüş seramikler, paslanmaz çelik veya grafit ve seramik kalıplarla bir araya getirilecek metal parçalardır. Bağlantı yerlerine lehim uygulanacak ve iş parçası işlem boyunca temiz tutulacak ve çıplak elle dokunulmayacaktır.

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 işlemine belirli bir basınç (yaklaşık 0,49 ~ 0,98 mpa) da uygulanabilir.

Yüzey kalitesi kontrolüne ek olarak, lehimli kaynaklı birleştirmeler termal şok ve mekanik özellik kontrolüne de tabi tutulmalıdır. Vakum cihazlarının sızdırmazlık parçaları da ilgili düzenlemelere göre sızıntı testine tabi tutulmalıdır.

(2) Doğrudan lehimleme (aktif metal yöntemi) sırasında, önce seramik ve metal kaynak parçalarının yüzeyi temizlenmeli ve ardından birleştirilmelidir. Bileşen malzemelerinin farklı termal genleşme katsayılarından kaynaklanan çatlakları önlemek için, kaynak parçaları arasına tampon katman (bir veya daha fazla metal levha katmanı) yerleştirilebilir. Lehim dolgu metali, iki kaynak parçası arasına sıkıştırılmalı veya mümkün olduğunca boşluğun lehim dolgu metali ile doldurulacağı konuma yerleştirilmeli ve ardından normal vakumlu lehimleme gibi lehimleme yapılmalıdır.

Doğrudan lehimleme için Ag Cu Ti lehim kullanılacaksa, vakumlu lehimleme yöntemi uygulanmalıdır. Fırındaki vakum derecesi 2,7 × 10⁻³ Pa'ya ulaştığında, 10⁻³ Pa'da ısıtmaya başlanmalı ve bu sırada sıcaklık hızla yükseltilmelidir; Sıcaklık lehimin erime noktasına yaklaştığında, kaynak bölgesinin tüm kısımlarının sıcaklığının aynı olması için sıcaklık yavaşça yükseltilmelidir; Lehim eridiğinde, sıcaklık lehimleme sıcaklığına hızla yükseltilmeli ve bekleme süresi 3-5 dakika olmalıdır; Soğutma sırasında, 700 ℃'ye kadar yavaşça soğutulmalı ve 700 ℃'den sonra fırınla ​​birlikte doğal olarak soğutulmalıdır.

Ti-Cu aktif lehim doğrudan lehimlendiğinde, lehim 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 ℃, Ti, Nb, Ta vb. metallerin ise 900 ℃'de 15 dakika süreyle gazdan arındırılması gerekir. Bu sırada vakum derecesi 6,7 × 10⁻³ Pa'dan az olmamalıdır. Lehimleme sırasında, kaynak yapılacak bileşenler fikstüre monte edilir, vakum fırınında 900~1120 ℃'ye ısıtılır ve 2~5 dakika süreyle bu sıcaklıkta tutulur. Tüm lehimleme işlemi boyunca vakum derecesi 6,7 × 10⁻³ Pa'dan az olmamalıdır.

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

(3) Oksit lehimleme yöntemi, oksit lehimin erimesiyle oluşan cam fazının seramiklere nüfuz etmesi ve metal yüzeyini ıslatması yoluyla güvenilir bir bağlantı sağlayan bir yöntemdir. Seramikleri seramiklerle ve seramikleri metallerle birleştirebilir. Oksit lehim dolgu metalleri esas olarak Al2O3, CaO, BaO ve MgO'dan oluşur. B2O3, Y2O3 ve Ta2O3 eklenerek, çeşitli erime noktalarına ve doğrusal genleşme katsayılarına sahip lehim dolgu metalleri elde edilebilir. Ayrıca, ana bileşenleri CaF2 ve NaF olan florür lehim dolgu metalleri de seramikleri ve metalleri birleştirerek yüksek mukavemetli ve yüksek ısıya dayanıklı bağlantılar elde etmek için kullanılabilir.