Het solderen van keramiek en metalen

1. Soldeerbaarheid

Het solderen van keramische en keramische, en keramische en metalen componenten is lastig. Het meeste soldeer vormt een bolletje op het keramische oppervlak, met weinig tot geen bevochtiging. Soldeermaterialen die keramiek wel bevochtigen, vormen tijdens het solderen gemakkelijk diverse brosse verbindingen (zoals carbiden, siliciden en ternaire of multivariate verbindingen) op het verbindingsvlak. De aanwezigheid van deze verbindingen beïnvloedt de mechanische eigenschappen van de verbinding. Bovendien ontstaat er door het grote verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen keramiek, metaal en soldeer restspanning in de verbinding nadat de soldeertemperatuur is afgekoeld tot kamertemperatuur, wat kan leiden tot scheurvorming.

De bevochtigbaarheid van het soldeer op het keramische oppervlak kan worden verbeterd door actieve metaalelementen aan het gewone soldeer toe te voegen; solderen bij lage temperatuur en gedurende een korte tijd kan het effect van de interfacereactie verminderen; de thermische spanning van de verbinding kan worden verminderd door een geschikte verbindingsvorm te ontwerpen en een enkel- of meerlaags metaal als tussenlaag te gebruiken.

2. Soldeer

Keramiek en metaal worden doorgaans in een vacuümoven of een waterstof-argonoven met elkaar verbonden. Naast de algemene eigenschappen moeten soldeermaterialen voor vacuüm-elektronica ook aan enkele specifieke eisen voldoen. Zo mag het soldeer geen elementen bevatten die een hoge dampdruk produceren, om diëlektrische lekkage en kathodevergiftiging van de apparaten te voorkomen. Over het algemeen wordt gespecificeerd dat de dampdruk van het soldeer tijdens bedrijf niet hoger mag zijn dan 10⁻³ Pa, en dat het gehalte aan onzuiverheden met een hoge dampdruk niet meer dan 0,002% tot 0,005% mag bedragen. Het watergehalte (w) van het soldeer mag niet hoger zijn dan 0,001%, om te voorkomen dat er tijdens het solderen in waterstof waterdamp ontstaat die kan leiden tot spatten van gesmolten soldeermetaal. Bovendien moet het soldeer schoon en vrij van oppervlakteoxiden zijn.

Bij het solderen na keramische metallisatie kunnen koper, onedele metalen, zilverkoper, goudkoper en andere legeringen als soldeermateriaal worden gebruikt.

Voor het direct solderen van keramiek en metalen moeten soldeerlegeringen met de actieve elementen Ti en Zr worden gekozen. De binaire soldeerlegeringen zijn voornamelijk TiCu en TiNi, die bij 1100 ℃ gebruikt kunnen worden. Van de ternaire soldeerlegeringen is AgCuTi(W)(Ti) de meest gebruikte, die geschikt is voor het direct solderen van diverse keramiek en metalen. De ternaire soldeerlegering kan worden gebruikt in de vorm van folie, poeder of een AgCu eutectische soldeerlegering met Ti-poeder. De B-Ti49Be2 soldeerlegering heeft een vergelijkbare corrosiebestendigheid als roestvrij staal en een lage dampdruk. Het is daarom een ​​geschikte keuze voor vacuümafdichtingen met oxidatie- en lekbestendigheid. Bij Ti-V-Cr soldeer is het smeltpunt het laagst (1620 ℃) ​​wanneer W (V) 30% is, en de toevoeging van Cr kan het smelttemperatuurbereik effectief verlagen. Het B-Ti47.5Ta5-soldeer zonder chroom is gebruikt voor het direct solderen van aluminiumoxide en magnesiumoxide, en de verbinding kan functioneren bij een omgevingstemperatuur van 1000 ℃. Tabel 14 toont de actieve flux voor directe verbinding tussen keramiek en metaal.

Tabel 14: actieve soldeerlegeringen voor het solderen van keramiek en metaal.

2. Soldeertechnologie

Voorgemetalliseerde keramiek kan worden gesoldeerd in een omgeving met zeer zuiver inert gas, waterstof of vacuüm. Vacuümsolderen wordt over het algemeen gebruikt voor het direct solderen van keramiek zonder metallisatie.

(1) Universeel soldeerproces: het universele soldeerproces van keramiek en metaal kan worden onderverdeeld in zeven stappen: oppervlaktereiniging, pasta-aanbrenging, metallisatie van het keramische oppervlak, vernikkeling, solderen en inspectie na het lassen.

Het doel van oppervlaktereiniging is het verwijderen van olievlekken, zweetvlekken en oxidefilm op het oppervlak van het basismetaal. De metalen onderdelen en het soldeer moeten eerst worden ontvet, waarna de oxidefilm wordt verwijderd door middel van een zure of alkalische reiniging. Vervolgens worden de onderdelen afgespoeld met stromend water en gedroogd. Onderdelen met hoge eisen moeten worden warmtebehandeld in een vacuümoven of waterstofoven (ook ionenbombardement kan worden gebruikt) bij een geschikte temperatuur en tijdsduur om het oppervlak te zuiveren. De gereinigde onderdelen mogen niet in contact komen met vettige voorwerpen of blote handen. Ze moeten direct in de volgende bewerkingsstap of in de droger worden geplaatst. Ze mogen niet langdurig aan de lucht worden blootgesteld. Keramische onderdelen moeten worden gereinigd met aceton en ultrasoon, afgespoeld met stromend water en tot slot tweemaal 15 minuten gekookt met gedemineraliseerd water.

Het aanbrengen van een pasta is een belangrijk proces bij de metallisatie van keramiek. Tijdens het aanbrengen wordt de pasta met een kwast of pasta-aanbrengmachine op het te metalliseren keramische oppervlak aangebracht. De laagdikte bedraagt ​​doorgaans 30 tot 60 mm. De pasta wordt meestal bereid uit zuiver metaalpoeder (soms aangevuld met een geschikt metaaloxide) met een deeltjesgrootte van ongeveer 1 tot 5 µm en een organisch bindmiddel.

De met pasta bedekte keramische onderdelen worden naar een waterstofoven gestuurd en gesinterd met vochtige waterstof of gekraakte ammoniak bij 1300-1500 °C gedurende 30-60 minuten. Keramische onderdelen die met hydriden zijn gecoat, worden verhit tot ongeveer 900 °C om de hydriden te ontbinden en te laten reageren met het zuivere metaal of titanium (of zirkonium) dat op het keramische oppervlak is achtergebleven, waardoor een metaalcoating op het keramische oppervlak ontstaat.

Om de MoMn-metallisatielaag goed met het soldeer te laten hechten, moet een nikkellaag van 1,4 tot 5 µm worden aangebracht door middel van galvaniseren of door middel van nikkelpoedercoating. Als de soldeertemperatuur lager is dan 1000 °C, moet de nikkellaag eerst worden voorgesinterd in een waterstofoven. De sintertemperatuur en -tijd bedragen 1000 °C gedurende 15 tot 20 minuten.

De bewerkte keramische onderdelen zijn metalen onderdelen die met behulp van roestvrijstalen of grafiet- en keramische mallen tot een geheel worden samengevoegd. Er moet soldeer worden aangebracht op de verbindingen en het werkstuk moet tijdens het hele proces schoon worden gehouden en mag niet met blote handen worden aangeraakt.

Het solderen moet plaatsvinden in een argon-, waterstof- of vacuümoven. De soldeertemperatuur is afhankelijk van het soldeermateriaal. Om scheuren in de keramische onderdelen te voorkomen, mag de afkoelsnelheid niet te hoog zijn. Daarnaast kan er tijdens het solderen ook een bepaalde druk worden uitgeoefend (ongeveer 0,49 ~ 0,98 MPa).

Naast de inspectie van de oppervlaktekwaliteit moeten de gesoldeerde verbindingen ook worden onderworpen aan een inspectie op thermische schokken en mechanische eigenschappen. De afdichtingsonderdelen van vacuümapparaten moeten bovendien worden onderworpen aan een lektest volgens de geldende voorschriften.

(2) Direct solderen: bij direct solderen (actieve metaalmethode) moet eerst het oppervlak van de keramische en metalen lasverbindingen worden gereinigd en vervolgens worden samengevoegd. Om scheuren te voorkomen die worden veroorzaakt door de verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten van de componentmaterialen, kan een bufferlaag (een of meer lagen metaalplaten) tussen de lasverbindingen worden aangebracht. Het soldeermateriaal moet tussen twee lasverbindingen worden geklemd of op de plaats worden aangebracht waar de opening zoveel mogelijk met soldeermateriaal wordt gevuld, waarna het solderen op de gebruikelijke manier van vacuümsolderen wordt uitgevoerd.

Als AgCuTi-soldeer wordt gebruikt voor direct solderen, moet de vacuümsoldeermethode worden toegepast. Wanneer de vacuümgraad in de oven 2,7 × 10⁻³ Pa bereikt, moet de verwarming worden gestart met een druk van 10⁻³ Pa. De temperatuur kan in deze fase snel stijgen. Wanneer de temperatuur het smeltpunt van het soldeer nadert, moet de temperatuur langzaam worden verhoogd om de temperatuur van alle delen van de lasverbinding gelijk te maken. Zodra het soldeer gesmolten is, moet de temperatuur snel worden verhoogd tot de soldeertemperatuur. Deze temperatuur moet 3 tot 5 minuten worden aangehouden. Tijdens het afkoelen moet de temperatuur langzaam worden verlaagd tot 700 °C. Na 700 °C kan de temperatuur op natuurlijke wijze in de oven afkoelen.

Bij het direct solderen met actief TiCu-soldeer kan het soldeer bestaan ​​uit koperfolie plus Ti-poeder, koperdeeltjes plus Ti-folie, of het keramische oppervlak kan worden gecoat met Ti-poeder plus koperfolie. Vóór het solderen moeten alle metalen onderdelen vacuüm worden ontgast. De ontgassingstemperatuur van zuurstofvrij koper moet 750-800 °C zijn, en Ti, Nb, Ta, enz. moeten gedurende 15 minuten bij 900 °C worden ontgast. Gedurende deze tijd mag de vacuümgraad niet lager zijn dan 6,7 × 10⁻³ Pa. Tijdens het solderen worden de te solderen componenten in de mal geplaatst en in de vacuümoven verwarmd tot 900-1120 °C, met een verblijftijd van 2-5 minuten. Gedurende het gehele soldeerproces mag de vacuümgraad niet lager zijn dan 6,7 × 10⁻³ Pa.

Het soldeerproces van de Ti Ni-methode is vergelijkbaar met dat van de Ti Cu-methode en de soldeertemperatuur is 900 ± 10 ℃.

(3) Oxide-soldeermethode De oxide-soldeermethode is een methode om een ​​betrouwbare verbinding te realiseren door gebruik te maken van de glasfase die ontstaat door het smelten van oxide-soldeer. Deze fase dringt door in keramiek en bevochtigt het metaaloppervlak. Hiermee kunnen keramiek en metaal met elkaar worden verbonden. Oxide-soldeermaterialen bestaan ​​hoofdzakelijk uit Al2O3, CaO, BaO en MgO. Door toevoeging van B2O3, Y2O3 en Ta2O3 kunnen soldeermaterialen met verschillende smeltpunten en lineaire uitzettingscoëfficiënten worden verkregen. Daarnaast kunnen ook fluoride-soldeermaterialen met CaF2 en NaF als belangrijkste componenten worden gebruikt om keramiek en metaal met elkaar te verbinden en zo verbindingen te verkrijgen met een hoge sterkte en hoge hittebestendigheid.