Keraamika ja metallide kõvajoodisjootmine

1. Jootmiskõlblikkus

Keraamika ja keraamika ning keraamiliste ja metallkomponentide kõvajoodisega jootmine on keeruline. Suurem osa joodisest moodustab keraamilisel pinnal palli, mis niisutab vähe või üldse mitte. Keraamikat niisutav kõvajoodisega lisandmetall moodustab kõvajoodisega jootmise ajal liitekohale kergesti mitmesuguseid hapraid ühendeid (näiteks karbiidid, silitsiidid ja kolme- või mitmemõõtmelised ühendid). Nende ühendite olemasolu mõjutab liite mehaanilisi omadusi. Lisaks jääb keraamika, metalli ja joodise soojuspaisumistegurite suure erinevuse tõttu pärast toatemperatuurini jahutamist liitekohta jääkpingeid, mis võivad põhjustada liite pragunemist.

Joote märguvust keraamilisel pinnal saab parandada, lisades tavalisele jootele aktiivseid metallelemente; madal temperatuur ja lühike jootmisaeg võivad vähendada piirpinna reaktsiooni mõju; vuugi termilist pinget saab vähendada sobiva vuugivormi kujundamise ja ühe- või mitmekihilise metalli kasutamisega vahekihina.

2. Jootmine

Keraamika ja metall ühendatakse tavaliselt vaakumahjus või vesinik-argoonahjus. Lisaks üldistele omadustele peaksid vaakumelektroonikaseadmete kõvajoodismetallidele esitama ka mõned erinõuded. Näiteks ei tohiks joodis sisaldada kõrge aururõhuga elemente, et vältida dielektrilise lekke ja seadmete katoodimürgistuse teket. Üldiselt on sätestatud, et seadme töötamise ajal ei tohiks joodise aururõhk ületada 10-3pa ja kõrge aururõhuga lisandite sisaldus ei tohiks ületada 0,002% ~ 0,005%; joodise w(o) sisaldus ei tohiks ületada 0,001%, et vältida vesinikuga kõvajoodisega jootmise ajal tekkivat veeauru, mis võib põhjustada sula joodismetalli pritsimist; lisaks peab joodis olema puhas ja pinnaoksiidideta.

Keraamilise metalliseerimise järgsel kõvajoodisjootmisel võib kasutada vaske, baasi, hõbevase, kuldvase ja muid sulamist kõvajoodisega täitemetalle.

Keraamika ja metallide otsejootmiseks tuleks valida aktiivseid elemente Ti ja Zr sisaldavad kõvajoodise lisametallid. Binaarsed lisametallid on peamiselt Ti, Cu ja Ti Ni, mida saab kasutada temperatuuril 1100 ℃. Kolmekomponentsete joodistest on kõige sagedamini kasutatav joodis Ag, Cu, Ti (W) (TI), mida saab kasutada mitmesuguste keraamika ja metallide otsejootmiseks. Kolmekomponentsete lisametallide hulka kuuluvad foolium, pulber või Ag-Cu eutektiline lisametall koos Ti pulbriga. B-ti49be2 kõvajoodise lisametallil on roostevaba terasega sarnane korrosioonikindlus ja madal aururõhk. Seda saab eelistatavalt valida vaakumtihendusliidete jaoks, kuna see on oksüdatsiooni- ja lekkekindel. Ti-v-cr joodises on sulamistemperatuur madalaim (1620 ℃), kui w (V) on 30%, ja Cr lisamine võib sulamistemperatuuri vahemikku tõhusalt vähendada. Alumiiniumoksiidi ja magneesiumoksiidi otsejootmiseks on kasutatud kroomivaba B-ti47.5ta5 joodist ning selle ühenduskoht töötab 1000 ℃ ümbritseva õhu temperatuuril. Tabel 14 näitab keraamika ja metalli otseühenduse aktiivset voogu.

Tabel 14. Aktiivjootmise lisametallid keraamika ja metalli kõvajoodise jaoks

2. Kõvajoodisega jootmise tehnoloogia

Eelmetalliseeritud keraamikat saab kõvajoota kõrge puhtusastmega inertses gaasis, vesinikus või vaakumkeskkonnas. Vaakumkõvajoodamist kasutatakse üldiselt keraamika otseseks kõvajoodiseks ilma metalliseerimiseta.

(1) Universaalne kõvajoodisprotsess Keraamika ja metalli universaalse kõvajoodisprotsessi saab jagada seitsmeks protsessiks: pinna puhastamine, pastaga katmine, keraamilise pinna metalliseerimine, nikeldamine, kõvajoodisjootmine ja keevitusjärgne kontroll.

Pinnapuhastuse eesmärk on eemaldada mitteväärismetalli pinnalt õliplekid, higiplekid ja oksiidikile. Metallosad ja joodis tuleb kõigepealt rasvatustada, seejärel eemaldada oksiidikile happe- või leelispesuga, pesta voolava veega ja kuivatada. Kõrgendatud nõudmistega osi tuleb pinna puhastamiseks sobival temperatuuril ja ajal kuumtöödelda vaakumahjus või vesinikahjus (võib kasutada ka ioonpommitamise meetodit). Puhastatud osad ei tohi kokku puutuda rasvaste esemete ega paljaste kätega. Need tuleb koheselt suunata järgmisse protsessi või kuivatisse. Neid ei tohi pikka aega õhu käes hoida. Keraamilised osad tuleb puhastada atsetooni ja ultraheliga, pesta voolava veega ja lõpuks keeta kaks korda deioniseeritud veega 15 minutit.

Pastaga katmine on keraamika metalliseerimise oluline protsess. Katmise ajal kantakse see metallitavale keraamilisele pinnale pintsli või pastaga katmismasina abil. Katte paksus on tavaliselt 30–60 mm. Pasta valmistatakse tavaliselt puhtast metallipulbrist (mõnikord lisatakse sobivat metalloksiidi) osakeste suurusega umbes 1–5 μm ja orgaanilisest liimist.

Liimitud keraamilised osad saadetakse vesinikahju ja paagutatakse märja vesiniku või krakitud ammoniaagiga temperatuuril 1300–1500 ℃ 30–60 minutit. Hüdriididega kaetud keraamiliste osade puhul kuumutatakse neid umbes 900 ℃-ni, et lagundada hüdriide ja reageerida keraamilisele pinnale jäänud puhta metalli või titaaniga (või tsirkooniumiga), et saada keraamilisele pinnale metallkate.

MoMn metalliseeritud kihi joodisega niisutamiseks tuleb galvaniseerida või katta niklipulbri kihiga 1,4–5 μm paksune niklikiht. Kui kõvajoodistemperatuur on alla 1000 ℃, tuleb niklikiht eelnevalt vesinikahjus paagutada. Paagutamistemperatuur ja -aeg on 1000 ℃ / 15–20 minutit.

Töödeldud keraamika on metalldetailid, mis monteeritakse tervikuks roostevabast terasest või grafiidist ja keraamilistest vormidest. Ühenduskohtadesse paigaldatakse joodis ning töödeldavat detaili tuleb kogu töö vältel hoida puhtana ja paljaste kätega mitte puudutada.

Kõvajoodisjootmine toimub argoon-, vesinik- või vaakumahjus. Kõvajoodisjootmise temperatuur sõltub kõvajoodises kasutatavast lisametallist. Keraamiliste osade pragunemise vältimiseks ei tohiks jahutuskiirus olla liiga kiire. Lisaks võib kõvajoodisjootmisel rakendada ka teatud rõhku (umbes 0,49–0,98 MPa).

Lisaks pinnakvaliteedi kontrollile tuleb joodetud keevisliiteid kontrollida ka termilise löögi ja mehaaniliste omaduste osas. Vaakumseadmete tihendusdetailidele tuleb samuti teha lekkekatse vastavalt asjakohastele eeskirjadele.

(2) Otsejootmine Otsejootmise puhul (aktiivmetalli meetod) puhastatakse kõigepealt keraamiliste ja metallkeevisliidete pind ja seejärel pannakse need kokku. Komponentmaterjalide erinevate soojuspaisumistegurite põhjustatud pragude vältimiseks saab puhverkihti (üks või mitu metall-lehtkihti) keevisliidete vahel pöörata. Jootmislisamaterjal kinnitatakse kahe keevisliide vahele või asetatakse kohta, kus vahe on võimalikult palju jootmislisamaterjaliga täidetud, ning seejärel tehakse jootmine nagu tavalise vaakumjootmise puhul.

Kui otsejoodiseks kasutatakse Ag-Cu-Ti joodist, tuleb kasutada vaakumjoodismeetodit. Kui ahju vaakumi aste saavutab 2,7 × 1, alustage kuumutamist 10-3pa juures ja temperatuur võib sel ajal kiiresti tõusta; kui temperatuur on joote sulamistemperatuuri lähedal, tuleks temperatuuri aeglaselt tõsta, et keevisõmbluse kõigi osade temperatuur oleks ühtlane; kui joote on sulanud, tuleks temperatuuri kiiresti tõsta jootmistemperatuurini ja hoidmisaeg peaks olema 3–5 minutit; jahutamise ajal tuleb seda aeglaselt jahutada temperatuurini 700 ℃ ja pärast 700 ℃ jahutada ahjus loomulikult.

Kui Ti-Cu aktiivjoodisega otsejoodistatakse, võib joodise vormiks olla Cu-foolium koos Ti-pulbriga või Cu-detailid koos Ti-fooliumiga või võib keraamilise pinna katta Ti-pulbri ja Cu-fooliumiga. Enne jootmist tuleb kõik metalldetailid vaakumiga degaseerida. Hapnikuvaba vase degaseerimistemperatuur peaks olema 750–800 ℃ ning Ti, Nb, Ta jne degaseeritakse temperatuuril 900 ℃ 15 minutit. Sel ajal ei tohiks vaakumi aste olla väiksem kui 6,7 × 10⁻³Pa. Jootmise ajal tuleb keevitatavad komponendid kokku panna kinnitusdetaili, kuumutada neid vaakumahjus temperatuurini 900–1120 ℃ ja hoida seda 2–5 minutit. Kogu jootmisprotsessi vältel ei tohiks vaakumi aste olla väiksem kui 6,7 × 10⁻³Pa.

Ti Ni meetodi kõvajoodisega jootmisprotsess on sarnane Ti Cu meetodi omaga ja kõvajoodisjootmise temperatuur on 900 ± 10 ℃.

(3) Oksiidiga kõvajoodismeetod Oksiidiga kõvajoodismeetod on meetod usaldusväärse ühenduse loomiseks, kasutades oksiidjoodise sulamisel tekkivat klaasfaasi, et imbuda keraamikasse ja niisutada metalli pinda. See võimaldab ühendada keraamikat keraamikaga ja keraamikat metallidega. Oksiidiga kõvajoodislisamaterjalid koosnevad peamiselt Al₂O₃-st, Cao-st, Bao-st ja MgO-st. B₂O₃, Y₂O₃ ja ta₂O₃ lisamisega saab saada erineva sulamistemperatuuri ja lineaarse paisumisteguriga kõvajoodislisamaterjale. Lisaks saab keraamika ja metallide ühendamiseks kasutada ka fluoriidiga kõvajoodislisamaterjale, mille põhikomponendid on CaF₂ ja NaF, et saada suure tugevusega ja kuumakindlaid ühendusi.