Способ пайки керамики с металлами и неметаллами Советский патент 1992 года по МПК C04B37/02 B23K1/20 

Изобретение относится к соединению разнородных материалов, в частности к пайке, и может быть использовано в электронной, радиотехнической промышленности и прецизионном приборостроении

Известен способ соединения металла с керамикой путем спаивания через слои переходных материалов, при котором промежуточные слои выполняют из тугоплавких окислов со стороны металла, а спаивание осуществляют при давлении 15-20 кг/см и температуре 1580-1650°С в течение 1-3 мин.

Недостатками способа являются высокая температура пайки и необходимость пайки в вакууме не ниже - мм рт.ст.

Известен также способ вакуумно-плот- ного соединения керамики с металлом, согласно которому металлическую фольгу со слоем металлизационной массы размещают между керамикой и металлом, причем металлическим слоем к поверхности керамики, затем нагревают до температуры плавления припоя в защитной среде или вакууме и получают качественный спай с прочностью на изгиб 1720-3120 кг/см2, выдерживающий многочасовой нагрев до 700°С и 15 термоударов.

Недостатками способа являются высокая температура пайки, необходимость пайки в высоком вакууме или защитной среде, а также сложная технология получения и нанесения металлизационной массы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ пайки керамики с металлами и неметаллами, при котором между паяемыми поверхностями деталей размещают слои припоя, состоящие из меди, титана и легкоплавкого металла, выбираемого из группы: олово, свинец, индий и их сплавы, причем слой легкоплавкого металла помещают между слоями меди и титана. Детали поджимают и производят нагрев выше температуры полного расплавления припоя в результате контактных реакций После выдержки, обеспечивающей смачивание паяемых поверхностей припоем производят охлаждение изделий до ком- температуры.

Недостатками известного способа являются сложная технология изготовления и

Ё

4j

J

гО

ГО О

о

сборки под пайку многослойного припоя, необходимость пайки в вакууме 10 - мм рт.ст. или защитной атмосфере инертного газа, что создает определенные трудности, заключающиеся в необходимо- сти применять сложную и дорогостоящую высоковакуумную аппаратуру. При более низком вакууме происходит окисление активной составляющей припоя, что не позволит осуществить качественную пайку.

Целью изобретения является повышение экономичности способа путем снижения -энергозатрат, времени и глубины защитного вакуума до 10 - 10 Па.

Указанная цель достигается размеще- нием между соединяемыми поверхностями фольги припоя на основе меди и титана с добавкой легкоплавких металлов из группы олово,свинец, индий и их сплавов, нагрев в вакууме - Па до температуры плав- ления и охлаждение, причем в качестве припоя используют фольгу меднотитанового эвтектического сплава, которую предварительно покрывают слоем указанного легкоплавкого металла в количестве 5-30% от общей массы припоя, а нагрев ведут со скоростью, определяемой соотношением

V 1,5Р° 57- Ю5,

где Р - остаточное давление разрежения, мм рт.ст.

Способ позволяет значительно (50%) сократить затраты на злектроэнергию, не ухудшая качество паяных соединений, и исключить использование дорогостоящей высоковакуумной аппаратуры.

В процессе пайки легкоплавкие компоненты предохраняют активный сплав от окисления остаточным кислородом, сначала во время нагрева под пайку, создавая защитную пленку, затем в момент расплавле- ния припоя, легируя активный сплав и повышая стойкость всего припоя к окислению. Это все становится возможным при соблюдении нижнего количественного пре- дела состава легкоплавких компонентов и определенной скорости нагрева, зависящей от давления остаточных газов в камере. При количестве плакирующих легкоплавких компонентов менее 5% от общей массы припоя и одновременно вакууме, близком к 10 мм рт.ст,, резко возрастает окисление активного сплава еще до момента его расплавления. Тоже самое происходит при нарушении скоростного соотношения при нагреве под пайку. При количестве же плакируемых лег- коплавких компонентов более 30% от общей массы припоя возрастает пластичность припоя и снижается прочность спая. Соотношение, определяющее скорость нагрева в зависимости от величины давления вакуума, в камере получено эмпирически из серии экспериментов.

Пример. При изготовлении вакуумной камеры прецизионного прибора соединяют при помощи пайки две керамические полусферы, изготовленные из керамики А 995. По стыку полусфер размещают трехслойный припой, состоящий из меднотитановой фольги эвтектического состава толщиной 0,15 мм, которая плакирована легкоплавким металлом оловом, индием или свинцом, или их сплавами. Толщина плакирующего слоя выбирается такой, чтобы получить соотношение компонентов 95-70% CuTi и 5-30% легкоплавкой составляющей. Собранный для пайки узел помещают внутри цилиндрического нагревателя в рабочем объеме вакуумной технологической установки (ВУП-4). Пайку проводят при давлении - рт.ст. Из этих условий по указанной формуле вычисляют минимальную скорость нагрева паяемого узла. Принимают скорость подъема температуры на 10% выше вычисленной. Температуру изменяют хромель- алюминиевой термопарой. В качестве индикатора температуры применяют цифровой прибор Щ 68000.

Результаты различных вариантов пайки сведены в таблицу. Здесь же даны результаты испытаний паяных соединений на прочность. Термоциклирование производят по режиму: (+200) - (-79)°С, при этом трещины в керамике и паяном шве отсутствуют, вакуумная плотность соединения не изменяется по сравнению с первоначальной.

Формула изобретения

Способ пайки керамики с металлами и неметаллами, включающий размещение между соединяемыми поверхностями фольги припоя на основе меди, титана с добавкой легкоплавких металлов из группы: олово, свинец, индий и их сплавов, нагрев в вакууме до температуры плавления припоя и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности способа путем снижения энергозатрат, времени и глубины защитного вакуума до - Па, в качестве припоя используют фольгу эвтектического сплава медь - титан, которую предварительно покрывают слоем легкоплавкого металла в количестве 5-30% от общей массы припоя, а нагрев ведут со скоростью, определяемой из соотношения

V 1,5Р°|57 Ю5,

где Р - остаточное давление разрежения, мм рт.ст.

Использование: соединение разнородных материалов в электронике и радиотехнике и прецизионном приборостроении. Сущность изобретения: соединение керамики осуществляют, размещая между изде- лиямифольгуэвтектического меднотитанового сплава, покрытую слоем металла или сплава из группы: олово, свинец, индий в количестве 5-30% от общей массы припоя. Нагрев ведут со скоростью, определеемой соотношением V 1,5P0l5x х 105, где Р - остаточное давление разрежения, мм рт.ст. Повышена экономичность способа, снижены энергозатраты, процесс ведут при более низком вакууме 10 - 10 Па. 1 табл.