การเชื่อมประสานเซรามิกและโลหะ

1. ความสามารถในการเชื่อมประสาน

การเชื่อมประสานระหว่างเซรามิกกับเซรามิก และเซรามิกกับโลหะ เป็นเรื่องยาก ส่วนใหญ่แล้วตะกั่วบัดกรีจะจับตัวเป็นก้อนบนพื้นผิวเซรามิก โดยมีการเกาะติดน้อยมากหรือไม่มีเลย โลหะบัดกรีที่สามารถเกาะติดกับเซรามิกได้นั้น มักจะเกิดสารประกอบที่เปราะบางหลายชนิด (เช่น คาร์ไบด์ ซิลิไซด์ และสารประกอบไตรภาคหรือหลายตัวแปร) ที่บริเวณรอยต่อระหว่างการเชื่อมประสาน การมีอยู่ของสารประกอบเหล่านี้ส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลของรอยต่อ นอกจากนี้ เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันมากระหว่างเซรามิก โลหะ และตะกั่วบัดกรี จึงอาจเกิดความเค้นตกค้างในรอยต่อหลังจากอุณหภูมิการเชื่อมประสานลดลงจนถึงอุณหภูมิห้อง ซึ่งอาจทำให้รอยต่อแตกได้

ความสามารถในการยึดเกาะของตะกั่วบัดกรีกับพื้นผิวเซรามิกสามารถปรับปรุงได้โดยการเติมธาตุโลหะที่ออกฤทธิ์ลงในตะกั่วบัดกรีทั่วไป การบัดกรีที่อุณหภูมิต่ำและระยะเวลาสั้นสามารถลดผลกระทบของปฏิกิริยาที่ส่วนต่อประสานได้ ความเครียดจากความร้อนของรอยต่อสามารถลดลงได้โดยการออกแบบรูปแบบรอยต่อที่เหมาะสมและใช้โลหะชั้นเดียวหรือหลายชั้นเป็นชั้นกลาง

2. การบัดกรี

โดยทั่วไปแล้ว เซรามิกและโลหะจะถูกเชื่อมต่อกันในเตาสุญญากาศหรือเตาไฮโดรเจนและอาร์กอน นอกจากคุณลักษณะทั่วไปแล้ว โลหะตัวเติมสำหรับการบัดกรีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในสุญญากาศยังควรมีข้อกำหนดพิเศษบางประการ ตัวอย่างเช่น โลหะบัดกรีไม่ควรมีองค์ประกอบที่ก่อให้เกิดความดันไอสูง เพื่อป้องกันการรั่วไหลของฉนวนและการเป็นพิษของแคโทดของอุปกรณ์ โดยทั่วไปแล้วจะกำหนดว่าเมื่ออุปกรณ์ทำงาน ความดันไอของโลหะบัดกรีต้องไม่เกิน 10⁻³ Pa และสิ่งเจือปนที่มีความดันไอสูงต้องไม่เกิน 0.002% ~ 0.005%; ปริมาณออกซิเจนในโลหะบัดกรีต้องไม่เกิน 0.001% เพื่อหลีกเลี่ยงไอน้ำที่เกิดขึ้นระหว่างการบัดกรีในไฮโดรเจน ซึ่งอาจทำให้โลหะบัดกรีหลอมเหลวกระเด็นได้ นอกจากนี้ โลหะบัดกรีต้องสะอาดและปราศจากออกไซด์บนพื้นผิว

ในการเชื่อมประสานหลังจากเคลือบโลหะเซรามิกแล้ว สามารถใช้โลหะตัวเติมสำหรับการเชื่อมประสาน เช่น ทองแดง โลหะผสมพื้นฐาน ทองแดงผสมเงิน ทองแดงผสมทอง และโลหะผสมอื่นๆ ได้

สำหรับการบัดกรีโดยตรงของเซรามิกและโลหะ ควรเลือกใช้โลหะตัวเติมบัดกรีที่มีธาตุออกฤทธิ์อย่าง Ti และ Zr โลหะตัวเติมแบบไบนารีส่วนใหญ่คือ Ti Cu และ Ti Ni ซึ่งสามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิ 1100 ℃ ในบรรดาโลหะตัวเติมแบบไตรนารี Ag Cu Ti (W) (TI) เป็นโลหะตัวเติมที่ใช้กันมากที่สุด ซึ่งสามารถใช้สำหรับการเชื่อมบัดกรีโดยตรงของเซรามิกและโลหะต่างๆ โลหะตัวเติมแบบไตรนารีสามารถใช้ได้ในรูปแบบฟอยล์ ผง หรือโลหะตัวเติมยูเทคติก Ag Cu ร่วมกับผง Ti โลหะตัวเติมบัดกรี B-ti49be2 มีความต้านทานการกัดกร่อนคล้ายกับสแตนเลสและมีความดันไอต่ำ สามารถเลือกใช้ได้ดีในรอยต่อสุญญากาศที่มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการรั่วซึม ในโลหะตัวเติม ti-v-cr อุณหภูมิหลอมเหลวจะต่ำที่สุด (1620 ℃) ​​เมื่อ w (V) เท่ากับ 30% และการเติม Cr สามารถลดช่วงอุณหภูมิหลอมเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ บัดกรี B-ti47.5ta5 ที่ไม่มี Cr ถูกนำมาใช้สำหรับการเชื่อมประสานโดยตรงระหว่างอะลูมินาและแมกนีเซียมออกไซด์ และรอยเชื่อมสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิแวดล้อม 1000 ℃ ตารางที่ 14 แสดงฟลักซ์ที่ใช้สำหรับการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างเซรามิกและโลหะ

ตารางที่ 14 โลหะตัวเติมประสานแบบแอคทีฟสำหรับการประสานเซรามิกและโลหะ

2. เทคโนโลยีการเชื่อมประสาน

เซรามิกที่เคลือบโลหะไว้แล้วสามารถเชื่อมประสานได้ในก๊าซเฉื่อยบริสุทธิ์สูง ไฮโดรเจน หรือสภาพแวดล้อมสุญญากาศ การเชื่อมประสานในสุญญากาศโดยทั่วไปใช้สำหรับการเชื่อมประสานเซรามิกโดยตรงที่ยังไม่ได้เคลือบโลหะ

(1) กระบวนการบัดกรีสากล กระบวนการบัดกรีสากลของเซรามิกและโลหะสามารถแบ่งออกเป็นเจ็ดขั้นตอน ได้แก่ การทำความสะอาดพื้นผิว การเคลือบวาง การเคลือบโลหะบนพื้นผิวเซรามิก การชุบนิกเกิล การบัดกรี และการตรวจสอบหลังการเชื่อม

จุดประสงค์ของการทำความสะอาดพื้นผิวคือการขจัดคราบน้ำมัน คราบเหงื่อ และฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของโลหะพื้นฐาน ชิ้นส่วนโลหะและตะกั่วบัดกรีจะต้องทำการล้างคราบไขมันออกก่อน จากนั้นจึงทำการขจัดฟิล์มออกไซด์โดยการล้างด้วยกรดหรือด่าง ล้างด้วยน้ำไหล และทำให้แห้ง ชิ้นส่วนที่มีความต้องการสูงจะต้องทำการอบชุบด้วยความร้อนในเตาสุญญากาศหรือเตาไฮโดรเจน (อาจใช้วิธีการยิงไอออนก็ได้) ที่อุณหภูมิและเวลาที่เหมาะสมเพื่อทำความสะอาดพื้นผิวของชิ้นส่วน ชิ้นส่วนที่ทำความสะอาดแล้วจะต้องไม่สัมผัสกับวัตถุที่มีคราบไขมันหรือมือเปล่า จะต้องนำไปเข้าสู่กระบวนการถัดไปหรือเข้าเครื่องอบแห้งทันที และจะต้องไม่ปล่อยให้สัมผัสกับอากาศเป็นเวลานาน ชิ้นส่วนเซรามิกจะต้องทำความสะอาดด้วยอะซิโตนและคลื่นอัลตราโซนิค ล้างด้วยน้ำไหล และสุดท้ายต้มสองครั้งด้วยน้ำปราศจากไอออน ครั้งละ 15 นาที

การเคลือบด้วยเพสต์เป็นกระบวนการสำคัญในการเคลือบโลหะเซรามิก ในระหว่างการเคลือบ จะใช้แปรงหรือเครื่องเคลือบเพสต์ทาลงบนพื้นผิวเซรามิกที่จะเคลือบโลหะ ความหนาของการเคลือบโดยทั่วไปอยู่ที่ 30-60 มิลลิเมตร เพสต์โดยทั่วไปเตรียมจากผงโลหะบริสุทธิ์ (บางครั้งอาจเติมออกไซด์ของโลหะที่เหมาะสม) ที่มีขนาดอนุภาคประมาณ 1-5 ไมโครเมตร และสารยึดเกาะอินทรีย์

ชิ้นส่วนเซรามิกที่เตรียมไว้จะถูกส่งไปยังเตาเผาไฮโดรเจนและเผาผนึกด้วยไฮโดรเจนเปียกหรือแอมโมเนียที่แตกตัวแล้วที่อุณหภูมิ 1300 ~ 1500 ℃ เป็นเวลา 30 ~ 60 นาที สำหรับชิ้นส่วนเซรามิกที่เคลือบด้วยไฮไดรด์ จะต้องให้ความร้อนถึงประมาณ 900 ℃ เพื่อสลายไฮไดรด์และทำปฏิกิริยากับโลหะบริสุทธิ์หรือไทเทเนียม (หรือเซอร์โคเนียม) ที่เหลืออยู่บนพื้นผิวเซรามิก เพื่อให้ได้การเคลือบโลหะบนพื้นผิวเซรามิก

สำหรับชั้นโลหะโมลิบเดนัม-แมงกานีส (Mo Mn) เพื่อให้โลหะซึมซับตะกั่วบัดกรีได้ดี จำเป็นต้องเคลือบชั้นนิกเกิลด้วยไฟฟ้าหรือเคลือบด้วยผงนิกเกิลที่มีความหนา 1.4 ~ 5 ไมโครเมตร หากอุณหภูมิในการเชื่อมต่ำกว่า 1000 ℃ จะต้องทำการเผาผนึกชั้นนิกเกิลล่วงหน้าในเตาเผาไฮโดรเจน โดยอุณหภูมิและเวลาในการเผาผนึกคือ 1000 ℃ / 15 ~ 20 นาที

ชิ้นส่วนเซรามิกที่ผ่านการบำบัดแล้วเป็นชิ้นส่วนโลหะ ซึ่งจะต้องประกอบเข้าด้วยกันเป็นชิ้นเดียวโดยใช้สแตนเลสหรือกราไฟต์และแม่พิมพ์เซรามิก จะต้องติดตั้งตะกั่วบัดกรีที่รอยต่อ และชิ้นงานจะต้องสะอาดตลอดการทำงาน และห้ามสัมผัสด้วยมือเปล่า

การเชื่อมประสานควรทำในเตาอาร์กอน เตาไฮโดรเจน หรือเตาสุญญากาศ อุณหภูมิในการเชื่อมประสานขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะตัวเติม เพื่อป้องกันการแตกร้าวของชิ้นส่วนเซรามิก อัตราการเย็นตัวไม่ควรเร็วเกินไป นอกจากนี้ การเชื่อมประสานยังสามารถใช้แรงดันในระดับหนึ่ง (ประมาณ 0.49 ~ 0.98 เมกะปาสคาล) ได้อีกด้วย

นอกเหนือจากการตรวจสอบคุณภาพพื้นผิวแล้ว รอยเชื่อมประสานจะต้องได้รับการตรวจสอบการทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันและคุณสมบัติทางกลด้วย ชิ้นส่วนซีลสำหรับอุปกรณ์สุญญากาศจะต้องได้รับการทดสอบการรั่วซึมตามข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องเช่นกัน

(2) การเชื่อมประสานโดยตรง เมื่อเชื่อมประสานโดยตรง (วิธีโลหะแอคทีฟ) ให้ทำความสะอาดพื้นผิวของชิ้นงานเซรามิกและโลหะก่อน แล้วจึงประกอบเข้าด้วยกัน เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวที่เกิดจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันของวัสดุชิ้นส่วน สามารถหมุนชั้นบัฟเฟอร์ (แผ่นโลหะหนึ่งชั้นหรือมากกว่า) ระหว่างชิ้นงานเชื่อมได้ โลหะตัวเติมสำหรับการเชื่อมประสานจะต้องถูกหนีบระหว่างชิ้นงานเชื่อมสองชิ้นหรือวางไว้ในตำแหน่งที่ช่องว่างถูกเติมด้วยโลหะตัวเติมสำหรับการเชื่อมประสานให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ จากนั้นจึงทำการเชื่อมประสานเหมือนกับการเชื่อมประสานแบบสุญญากาศทั่วไป

หากใช้ตะกั่วบัดกรี Ag Cu Ti สำหรับการเชื่อมโดยตรง ควรใช้วิธีการเชื่อมแบบสุญญากาศ เมื่อระดับสุญญากาศในเตาถึง 2.7 เท่า ให้เริ่มให้ความร้อนที่ 10⁻³ Pa และอุณหภูมิสามารถเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในเวลานั้น เมื่ออุณหภูมิใกล้ถึงจุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรี ควรเพิ่มอุณหภูมิอย่างช้าๆ เพื่อให้อุณหภูมิของทุกส่วนของรอยเชื่อมมีแนวโน้มเท่ากัน เมื่อตะกั่วบัดกรีหลอมเหลวแล้ว ควรเพิ่มอุณหภูมิอย่างรวดเร็วไปที่อุณหภูมิการเชื่อม และคงอุณหภูมิไว้ 3-5 นาที ในระหว่างการระบายความร้อน ควรระบายความร้อนอย่างช้าๆ ก่อนถึง 700 ℃ และสามารถระบายความร้อนตามธรรมชาติพร้อมกับเตาหลังจาก 700 ℃ ได้

เมื่อทำการบัดกรีโดยตรงด้วยตะกั่วบัดกรี Ti-Cu รูปแบบของตะกั่วบัดกรีอาจเป็นแผ่นทองแดงผสมผงไทเทเนียม หรือชิ้นส่วนทองแดงผสมแผ่นไทเทเนียม หรืออาจเคลือบพื้นผิวเซรามิกด้วยผงไทเทเนียมผสมแผ่นทองแดง ก่อนการบัดกรี ชิ้นส่วนโลหะทั้งหมดจะต้องไล่แก๊สออกด้วยระบบสุญญากาศ อุณหภูมิในการไล่แก๊สของทองแดงปลอดออกซิเจนควรอยู่ที่ 750 ~ 800 ℃ และ Ti, Nb, Ta เป็นต้น ควรไล่แก๊สที่ 900 ℃ เป็นเวลา 15 นาที ในขณะนี้ ระดับสุญญากาศต้องไม่น้อยกว่า 6.7 × 10⁻³ Pa ระหว่างการบัดกรี ให้ประกอบชิ้นส่วนที่จะเชื่อมเข้ากับอุปกรณ์จับยึด แล้วให้ความร้อนในเตาสุญญากาศที่อุณหภูมิ 900 ~ 1120 ℃ และระยะเวลาในการคงอุณหภูมิคือ 2 ~ 5 นาที ตลอดกระบวนการบัดกรี ระดับสุญญากาศต้องไม่น้อยกว่า 6.7 × 10⁻³ Pa

กระบวนการบัดกรีของวิธี Ti Ni นั้นคล้ายคลึงกับวิธี Ti Cu และอุณหภูมิในการบัดกรีคือ 900 ± 10 ℃

(3) วิธีการบัดกรีด้วยออกไซด์ วิธีการบัดกรีด้วยออกไซด์เป็นวิธีการที่ใช้เฟสแก้วที่เกิดจากการหลอมละลายของสารบัดกรีออกไซด์แทรกซึมเข้าไปในเซรามิกและทำให้พื้นผิวโลหะเปียก ซึ่งสามารถเชื่อมต่อเซรามิกกับเซรามิกและเซรามิกกับโลหะได้ โลหะตัวเติมบัดกรีออกไซด์ส่วนใหญ่ประกอบด้วย Al2O3, CaO, Bao และ MgO การเพิ่ม B2O3, Y2O3 และ Ta2O3 จะทำให้ได้โลหะตัวเติมบัดกรีที่มีจุดหลอมเหลวและสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นที่หลากหลาย นอกจากนี้ โลหะตัวเติมบัดกรีฟลูออไรด์ที่มี CaF2 และ NaF เป็นส่วนประกอบหลักยังสามารถใช้เชื่อมต่อเซรามิกและโลหะเพื่อให้ได้รอยต่อที่มีความแข็งแรงสูงและทนความร้อนสูงได้อีกด้วย