Подробный полный процесс пайки припоем AgCuTi

AgCuTi припой (Обычно относится к активным припоям, содержащим серебро, медь и титан, таким как Ag72Cu28Ti, Ag63Cu35.25Ti1.75 и т. д.) - это ключевой материал, специально используемый для соединения керамики с керамикой, керамики с металлом и некоторых трудносвариваемых металлов (таких как графит, некоторые жаропрочные сплавы). Его суть заключается в элементе титана (Ti), который очень активен при высоких температурах и может вступать в химическую реакцию с керамической поверхностью, образуя слой интерфейсной реакции с прочным соединением, тем самым обеспечивая надежное соединение, которое не может быть достигнуто традиционными припоями.

Ниже приводится использование AgCuTi припой Подробные шаги и ключевые моменты пайки:

Основной принцип:

Титан (Ti) диффундирует на поверхность керамики (например, оксида алюминия Al₂O₃, нитрида алюминия AlN, оксида циркония ZrO₂, карбида кремния SiC) или трудносвариваемых металлов при температуре пайки и реагирует с ними с образованием соединений титана (например, TiC, TiN, TiO, Ti₅Si₃ и т. д.). Этот реакционный слой может быть хорошо смочен расплавленным припоем AgCu, тем самым обеспечивая металлургическое соединение.

Этапы и методы использования:

1.  Подготовка заготовки (Workpiece Preparation):

*   Очистка: Это один из самых важных шагов. Свариваемые поверхности керамики и металла должны быть очень чистыми, без масла, пыли, оксидов или других загрязнений.

*   Металл: Обычно очищается ультразвуком с использованием органических растворителей, таких как ацетон, спирт и т. д., и при необходимости травится кислотой или щелочью для удаления оксидной пленки, и, наконец, промывается деионизированной водой и тщательно высушивается. Для легкоокисляющихся металлов лучше всего собирать или хранить их в инертной среде сразу после очистки.

*   Керамика: Обычно очищается ультразвуком с использованием ацетона, спирта, а иногда и разбавленных кислотных или щелочных растворов (выбирается в зависимости от типа керамики, чтобы избежать коррозии), промывается деионизированной водой и сушится в духовке при высокой температуре (>150°C) для удаления адсорбированной воды. Убедитесь, что на поверхности нет отпечатков пальцев.

*   Обработка поверхности (необязательно, но важно):

*   Металлизация керамики (Metallization): Для керамики, требующей чрезвычайно высокой надежности или больших размеров соединения, на поверхность керамики можно предварительно нанести слой металлической пленки (например, метод Mo-Mn, толстая пленка, распыление Ti/Ni/Au и т. д.). AgCuTi может непосредственно смачивать эту металлическую пленку, снижая чувствительность к процессу пайки. Но AgCuTi Основное преимущество заключается в том, что он может непосредственно паять неметаллизированную керамику.

*   Металлическое покрытие (Plating): Покрытие Ni или Cu на поверхности легкоокисляющихся или несовместимых с припоем металлов (таких как некоторые нержавеющие стали, жаропрочные сплавы) может улучшить смачиваемость и характеристики соединения.

2.  Размещение припоя (Filler Metal Placement):

*    AgCuTi Припой обычно поставляется в виде фольги, порошка или пасты (порошок, смешанный с органическим связующим).

*   Фольга: Наиболее часто используется. Точно вырезается по необходимой форме и размеру и помещается между свариваемыми поверхностями или в непосредственной близости от соединения. Убедитесь, что припой покрывает всю область сварки.

*   Порошок: Равномерно рассыпается по свариваемой поверхности. Преимущество заключается в высокой гибкости, подходит для сложных форм, но сложнее контролировать дозировку и равномерность.

*   Паста: Наносится на свариваемое место методом трафаретной печати или точечного нанесения. Удобно для автоматизации, но необходимо обратить внимание на испарение и остатки связующего в процессе нагрева.

*   Ключевой момент: Убедитесь, что элемент Ti в припое может полностью контактировать с керамической поверхностью. Количество припоя должно быть умеренным, избыток легко образует слишком толстый припойный шов и хрупкую фазу, а недостаток приведет к недостаточной смачиваемости.

3.  Сборка и фиксация (Assembly & Fixturing):

*   Точно выровняйте и соберите заготовку и припой. Конструкция соединения (например, длина перекрытия) имеет решающее значение для прочности.

*   Используйте специальный «зажим (Jig/Fixture)» для фиксации заготовки, чтобы обеспечить стабильное положение в течение всего процесса нагрева и охлаждения и поддерживать необходимый зазор для пайки (Braze Gap). Для керамико-металлических соединений зазор обычно контролируется в диапазоне 0,05 - 0,2 мм. Слишком маленький зазор препятствует потоку припоя и выходу газа, а слишком большой зазор затрудняет заполнение припоем или образование хрупкой фазы.

*   Материал зажима должен быть термостойким и не вступать в реакцию с заготовкой/припоем (например, графит, молибден, некоторые виды керамики).

*   Приложение соответствующего мертвого веса к заготовке помогает улучшить контакт и поток припоя, но давление не должно быть слишком большим, чтобы не раздавить керамику или не вызвать деформацию.

4.  Среда пайки (Brazing Atmosphere): Чрезвычайно важна!

*   Вакуум (Vacuum) - наиболее часто используемая и рекомендуемая среда.

*   Степень вакуума: Должна быть достаточно высокой, обычно требуется ≤ 10⁻³ мбар (10⁻³ Torr) или выше (например, 10⁻⁴ - 10⁻⁵ мбар). Цель высокого вакуума:

*   Предотвратить окисление и выход из строя Ti при высоких температурах (Ti очень легко окисляется).

*   Удалить адсорбированные газы и влагу с поверхности заготовки и зажима.

*   Обеспечить бескислородную среду для обеспечения хорошей смачиваемости припоя.

*   Вакуумная печь предназначена для AgCuTi пайки стандартное оборудование.

*   Защита инертным газом высокой чистоты (High Purity Inert Gas - Ar, He):

*   Требуется чрезвычайно высокая чистота (например, 99,999% или выше), содержание кислорода и влаги должно быть очень низким (уровень ppm).

*   Необходимо постоянно подавать и поддерживать положительное давление для эффективного удаления воздуха. Газ необходимо предварительно высушить и очистить.

*   Эффект обычно менее надежен, чем высокий вакуум, но является вариантом для некоторых крупных или непрерывных печей.

5.  Цикл нагрева и пайки (Heating & Brazing Cycle):

*   Скорость нагрева (Ramp Rate):

*   Обычно требуется медленный нагрев, особенно на низких температурах (например, от комнатной температуры до 400-500°C). Это помогает:

*   Полностью удалить адсорбированные газы, влагу и связующие вещества (если используется паста).

*   Уменьшить термическое напряжение, возникающее из-за разницы в коэффициентах теплового расширения между керамикой и металлом, и предотвратить растрескивание.

*   Избежать локального перегрева.

*   Конкретная скорость зависит от размера, структуры и материала заготовки (особенно от теплопроводности и хрупкости керамики).

*   Этап выдержки (Hold/Soak):

*   Часто проводят одну или несколько промежуточных выдержек при температуре ниже температуры плавления припоя (например, на 50-100°C ниже солидуса) для дальнейшего удаления газов и выравнивания температуры.

*   Температура пайки (Brazing Temperature):

*   Температура должна быть выше температуры ликвидуса припоя (Liquidus), обычно превышая ее на 10-50°C. Распространенный AgCuTi 钎料 диапазон температур пайки составляет от 800°C до 950°C (конкретная температура зависит от состава сплава и соединяемых материалов).

*   Время выдержки: необходимо поддерживать определенное время при температуре пайки (обычно от нескольких минут до десяти минут), чтобы обеспечить:

*   Полное расплавление и достаточное растекание припоя.

*   Достаточное время для диффузии элемента Ti на поверхность керамики и протекания достаточной химической реакции для образования хорошего соединения.

*   Равномерная температура.

*   Внимание: слишком высокая температура или слишком длительное время могут привести к чрезмерному расходу Ti, образованию слишком толстого хрупкого реакционного слоя, чрезмерному растворению основного металла или росту зерен.

*   Скорость охлаждения (Cooling Rate):

*   Скорость охлаждения оказывает большое влияние на остаточные напряжения и характеристики соединения.

*   Для керамико-металлических соединений, из-за большой разницы в коэффициентах теплового расширения, медленное охлаждение (охлаждение вместе с печью или контроль скорости охлаждения) имеет решающее значение для минимизации термических напряжений и предотвращения растрескивания керамики или отсоединения соединения. Иногда требуется медленное охлаждение в высокотемпературной зоне (например, выше 600°C).

*   После охлаждения до более низкой температуры (например, <200°C) можно ускорить охлаждение в защитной атмосфере или вакууме.

6.  Последующая обработка (Post-Processing):

*   Выгрузка: вынимать заготовку можно только после того, как температура печи достаточно остынет (обычно ниже 100°C) и находится в защитной атмосфере или вакууме. Избегайте воздействия высоких температур на воздухе, чтобы предотвратить окисление или резкое охлаждение.

*   Очистка: удалите возможные остатки флюса (если использовался специальный флюс, но AgCuTi обычно не используются обычные флюсы), карбиды связующего или легкую оксидную пленку. Можно использовать механические методы (например, пескоструйная обработка, проволочная щетка) или химические методы (кислотная промывка, щелочная промывка), обратите внимание на выбор чистящего средства, которое не будет разъедать подложку и припой.

*   Проверка: проведите визуальный осмотр, неразрушающий контроль (например, рентгеновский, ультразвуковой, капиллярный контроль) и разрушающий контроль (например, металлографический анализ, испытание на сдвиг/растяжение) для обеспечения качества соединения. Металлографический контроль особенно важен, можно наблюдать морфологию, толщину, непрерывность реакционного слоя и наличие дефектов (поры, трещины, несплавление).

Ключевые моменты и проблемы:

1.  Чувствительность Ti к окислению: это самая большая проблема. Любое незначительное количество кислорода или влаги может привести к отказу Ti из-за окисления. Поэтому абсолютно необходим сверхвысокий вакуум или сверхвысокая чистота инертной атмосферы.

2.  Управление термическими напряжениями: разница в CTE между керамикой и металлом является основной причиной разрушения соединения (особенно растрескивания). Необходимо тщательно проектировать соединение (например, использовать промежуточные слои материала, гибкие структуры), контролировать скорость нагрева/охлаждения (особенно скорость охлаждения) и оптимизировать геометрию.

3.  Контроль реакционного слоя: образование межфазного реакционного слоя является ключом к соединению, но его толщина и состав должны быть оптимизированы. Слишком толстый или содержащий слишком много хрупких фаз (например, CuTi₂) снизит прочность и вязкость соединения. Точный контроль температуры и времени имеет решающее значение.

4.  Стоимость: AgCuTi 钎料 (включая драгоценный металл Ag и активный элемент Ti) сам по себе имеет высокую стоимость, и требуется дорогостоящее оборудование для вакуумной пайки.

5.  Технологическое окно: по сравнению с обычной пайкой металлов, AgCuTi технологическое окно параметров процесса (температура, время, зазор, атмосфера) пайки керамики уже, требуется более точный контроль.

6.  Выбор основного материала: не все металлы подходят. Необходимо учитывать совместимость металла с припоем при высоких температурах (растворение, образование хрупких фаз), устойчивость к окислению (при температуре пайки) и проблемы соответствия CTE с керамикой. Обычно используются такие металлы, как ковар, коваровый сплав, бескислородная медь, ниобий, тантал, титан, некоторые виды нержавеющей стали и никелевые сплавы.

Итог:

AgCuTi припой является основным материалом для достижения высокопроизводительного керамического соединения. Его успешное применение в значительной степени зависит от:

*   Предельная чистота.

*   Точно контролируемый зазор и сборка соединения.

*   Строгая бескислородная среда (предпочтительно высокий вакуум).

*   Тщательно оптимизированная температурная кривая (особенно медленный нагрев и охлаждение).

*   Глубокое понимание и эффективное управление термическими напряжениями.