Способ вакуумноплотной пайки керамики с металлами и неметаллами
METHOD OF VACUUM-TIGHT SOLDERING OF CERAMICS WITH METALS AND NON-METALS

Изобретение относится к соединению разнородных материалов, в частности к пайке, и может быть использовано в электронной, радиотехнической промышленности и прецизионном приборостроении, там, где к изделиям предъявляются высокие требования по вакуумной плотности, термостойкости, влагостойкости, коррозионностойкости.
Известен способ вакуум-плотного соединения керамики с металлами, согласно которому сначала осуществляют металлизацию керамического изделия путем нанесения металлизированного слоя и последующего его спекания (операцию повторяют дважды), а затем металлизированное керамическое изделие подвергают никелированию, сначала химическому, а затем электролитическому, а пайку осуществляют медно-серебряным припоем (патент Франция №2217290 «Способ соединения металлического и керамического изделия спаиванием», опубликованный 11.10.1974, МПК В23К 1/19).
Недостатками этого способа является сложная технология нанесения металлизированного покрытия на керамику, включающая нанесение металлизационной пасты и ее выжигание, дополнительные операции химического, а затем электрохимического нанесения никеля.
-3
-1
Из уровня техники известен способ пайки керамики с металлами и неметаллами, при котором между паяемыми поверхностями деталей размещают фольгу припоя на основе меди и титана с добавкой легкоплавких металлов из группы олово, свинец, индий и их сплавов, нагрев осуществляют в вакууме 10-10 мм рт.ст. до температуры плавления и охлаждения (авторское свидетельство СССР №1742269, МПК В23К 1/19 «Способ пайки керамики с металлами и неметаллами» опубликовано 23.11.89). Недостатком данного способа является применение припоя с карбидообразующим металлом таким, как титан. Расплавленный припой, содержащий титан, хорошо смачивает керамику, однако при взаимодействии с последней они образуют твердые карбидные фазы, что приводит к образованию трещин в паяном шве, а следовательно, к отсутствию герметичности паяного шва. Исправление этого дефекта может быть осуществлено только повторной подпайкой, но и повторная подпайка не всегда приводит к устранению вышеупомянутого дефекта.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ пайки керамики с металлами и неметаллами (патент РФ №2336980 С2, МПК В23К 1/00, «Способ пайки керамики с металлами и неметаллами» опубликовано 10.04.2008), в котором между соединяемыми поверхностями размещают припой в виде сплава эвтектического состава медь-титан с добавкой легкоплавких металлов олово, индий. Нагревают в вакууме до температуры плавления припоя и охлаждают. На паяный шов наносят состав, содержащий пентаборат лития. Производят повторный нагрев в вакууме до температуры не менее 850°С с выдержкой не менее 2 минут и последующим охлаждением до комнатной температуры.
-5
3
-8
3
Недостатком данного способа является применение припоя с большим содержанием карбидообразующего металла таким, как титан. Расплавленный припой, содержащий титан, хорошо смачивает керамику, однако при взаимодействии с последней они образуют хрупкие интерметаллиды, что приводит к образованию микротрещин в паяном шве, а, следовательно, к низкой герметичности (1×10 Пам/с) паяного шва. Исправление этого недостатка осуществляют за счет нанесения на паяный шов состава с содержанием пентабората лития, сушки нанесенного покрытия и последующей трудоемкой операции высокотемпературного обжига в вакуумной печи, что позволяет расплавленному пентаборату лития затекать в трещины паяного шва и герметизировать его. Однако, этот способ пайки позволяет достигать герметичности менее 1×100 Па м/с, что является недостаточной величиной для некоторых электровакуумных приборов. Кроме этого, полученная герметизирующая стекловидная аморфная пленка сама является достаточно хрупкой, что приводит к потере герметичности при цикличных тепловых нагрузках за счет разности температурных коэффициентов линейного расширения (КТЛР) материалов шва.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого способа, следующий:
-12
3
- получение герметичного паяного шва по гелию более 2×10 Па м/с;
- снижение трудоемкости технологической операции пайки.
Технический результат обеспечивается тем, что предложен:
Способ получения вакуумплотного паяного соединения узла электровакуумного прибора, содержащего детали из керамики и металла, включающий сборку деталей узла с размещением между соединяемыми поверхностями припоя, нагрев узла в электровакуумной печи и его охлаждение, отличающийся тем, что используют припой в виде фольги из эвтектического медно-серебряного сплава, на поверхность которой с обеих сторон нанесен слой титана.
В качестве припоя используют сплав эвтектического состава серебро-медь или меди в виде фольги с добавкой активного металла, например, титана. Причем титан содержится в эвтектическом припое в виде напыленного ультратонкого поверхностного слоя.
Нагрев производят до температуры образования эвтектики серебро-медь, растворения в ней пленки титана и выдерживают при этой температуре не менее 20 минут. В результате чего происходит взаимное растворение титана,
серебра и меди и получение активного сплава, что обеспечивает при температуре плавления активного сплава смачивание паяемых материалов.
В случае пайки системы металл/керамика, охлаждение производят до температуры 600°С с выдержкой при этой температуре не менее 20 минут. Дальнейшее охлаждение производят до комнатной температуры.
-2
-3
В случае пайки системы керамика/керамика, охлаждение производят без температурной выдержки. Пайку осуществляют в вакууме 1×10-1×10 Па.
2
Пленка титана являясь межфазно-активной добавкой, растворяясь в припое, обеспечивает растекание активного сплава по поверхности не металлизированной керамики. Кроме того, известно, что активные металлы также взаимодействуют с компонентами, входящими в состав металлического сплава или металла, спаиваемого с керамикой. В результате этих реакций образуются вредные соединения, такие, как интерметаллиды, растворы замещения О в активном металле и т.д. Эти соединения повышают хрупкость и, следовательно, понижают пластичность паяного соединения. Однако в предложенном способе пайки минимальное содержание в массе припоя активного металла - титана, ограничивает рост интерметаллидов, снижает растекаемость припоя по керамике, увеличивает галтель и обеспечивает возможность получения высокой вакуумной плотности паяных соединений металл/керамика и/или керамика/керамика. Кроме этого значительно снижается трудоемкость процесса, т.к. исключаются технологические операции приготовления суспензии пентабората лития, ее нанесения на шов, сушки и повторного нагрева в вакууме до высокой температуры.
Пример 1. В качестве основы припоя берут фольгу толщиной 50 мкм медносеребряного припоя эвтектического типа марки ПСр72 с содержанием вес. %: серебро 72, медь 28 с нанесенным на одну ее поверхность слоем титана толщиной 2,0 мкм.
-2
-3
При пайке узла электровакуумного прибора (ЭВП), состоящего из манжеты (сплав 29НК-ВИ) и керамической детали (алюмооксидная керамика марки ТСМ 303), по стыку деталей размещают припой ПСр72. Причем обеспечивают контакт фольги со стороны слоя титана с керамической деталью. Собранные для пайки детали помещают в рабочий объем электровакуумной печи ПЭ-810. Нагрев и охлаждение осуществляют при вакууме 10-10 Па.
Пайку осуществляли по следующему температурному режиму: нагрев до температуры 780°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 780°С в течение 10 минут;
нагрев до температуры 840±10°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 840±10°С в течение 20 минут;
охлаждение до температуры 600°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 600°С в течение 20 минут;
охлаждение до температуры 200°С со скоростью 5°С/мин.
-12
3
Дальнейшее охлаждение осуществляли с печью до комнатной температуры. Температура в печи измерялась платино-платинородиевой термопарой с точностью ±10°С. После этого спаянный металлокерамический узел извлекали из рабочего объема электровакуумной печи. Качество паяного шва оценивали по герметичности. Герметичность паяного шва составила 1,2×10 Пам/с по гелию, что удовлетворяет требованиям конструкторской документации по герметичности. Величину натекания измеряли масс-спектрометрическим течеискателем ASM 310.
Пример 2. В качестве основы припоя берут фольгу толщиной 50 мкм медносеребряного припоя эвтектического типа марки ПСр72 с содержанием вес. %: серебро 72, медь 28 с нанесенным на обе ее поверхности слоя титана толщиной 1,7 мкм.
-2
-3
При пайке узла электровакуумного прибора (ЭВП), содержащего детали из разных металлов (сплав 29НК-ВИ, медь бескислородная) и керамические детали (алюмооксидная керамика марки ТСМ 303), по стыку деталей припой ПСр72. Собранные для пайки детали помещают в рабочий объем электровакуумной печи ПЭ-810. Нагрев и охлаждение осуществляют при вакууме 10-10 Па.
Пайку осуществляли по следующему температурному режиму:
нагрев до температуры 780°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 780°С в течение 10 минут;
нагрев до температуры 840±10°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 840±10°С в течение 20 минут;
охлаждение до температуры 600°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 600°С в течение 20 минут;
охлаждение до температуры 200°С со скоростью 5°С/мин.
-12
3
Дальнейшее охлаждение осуществляли с печью до комнатной температуры. Температура в печи измерялась платино-платинородиевой термопарой с точностью ±10°С. После этого спаянный металлокерамический узел извлекали из рабочего объема электровакуумной печи. Качество паяного шва оценивали по герметичности. Герметичность паяного шва составила 1,2×10 Пам/с по гелию, что удовлетворяет требованиям конструкторской документации по герметичности. Величину натекания измеряли масс-спектрометрическим течеискателем ASM 310.
Пример 3. В качестве основы припоя берут фольгу толщиной 50 мкм медносеребряного припоя эвтектического типа марки ПСр72 с содержанием вес. %: серебро 72, медь 28 с нанесенным на обе ее поверхности слоя титана толщиной 1,7 мкм.
При пайке узла электровакуумного прибора (ЭВП), содержащего керамические детали (алюмооксидная керамика марки ТСМ 303), по стыку деталей размещают припой из медносеребряной фольги эвтектического состава (припой ПСр72) с нанесенными ультратонкими слоями титана.
-2
-3
Собранные для пайки детали помещают в рабочий объем электровакуумной печи ПЭ-810. Нагрев и охлаждение осуществляют при вакууме 10-10 Па.
Пайку осуществляли по следующему температурному режиму:
нагрев до температуры 780°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 780°С в течение 10 минут;
нагрев до температуры 840±10°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 840±10°С в течение 20 минут;
охлаждение до температуры 200°С со скоростью 5°С/мин;
-12
3
Дальнейшее охлаждение осуществляли с печью до комнатной температуры. Температура в печи измерялась платино-платинородиевой термопарой с точностью ±10°С. После этого спаянный керамический узел извлекали из рабочего объема электровакуумной печи. Качество паяного шва оценивали по герметичности. Герметичность паяного шва составила 1,2×10 Пам/с по гелию, что удовлетворяет требованиям конструкторской документации по герметичности. Величину натекания измеряли масс-спектрометрическим течеискателем ASM 310.
Пример 4. В качестве основы припоя берут фольгу толщиной 50 мкм бескислородной меди марки М0Об по ГОСТ 859-2001 с нанесенным на одну ее поверхность слоя титана толщиной 3,0 мкм.
-2
-3
При пайке узла электровакуумного прибора (ЭВП), состоящего из манжеты и обечайки (сплав 29НК-ВИ) и керамической цилиндрической детали с центральным отверстием (алюмооксидная керамика марки ТСМ 303), по стыку деталей размещают припой из медной фольги с нанесенным ультратонким слоем титана. Причем обеспечивают контакт фольги со стороны слоя титана с керамической деталью. Собранные для пайки детали помещают в рабочий объем электровакуумной печи ПЭ-810. Нагрев и охлаждение осуществляют при вакууме 10-10 Па.
Пайку осуществляли по следующему температурному режиму:
нагрев до температуры 1000°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 1000°С в течение 10 минут;
нагрев до температуры 1100±10°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 1100±10°С в течение 20 минут;
охлаждение до температуры 600°С со скоростью 5°С/мин;
выдержка при температуре 600°С в течение 20 минут;
охлаждение до температуры 200°С со скоростью 5°С/мин.
-12
3
Дальнейшее охлаждение осуществляли с печью до комнатной температуры. Температура в печи измерялась платино-платинородиевой термопарой с точностью ±10°С. После этого спаянный металлокерамический узел извлекали из рабочего объема электровакуумной печи. Качество паяного шва оценивали по герметичности. Герметичность паяного шва составила 1×10 м Па/с по гелию, что удовлетворяет требованиям конструкторской документации по герметичности. Величину натекания измеряли масс-спектрометрическим течеискателем ASM 310.
Предложенный способ пайки керамики с металлами и неметаллами позволяет получать изделия с высокими техническими свойствами при минимальной трудоемкости и может быть реализован на распространенном электровакуумном термическом оборудовании.