Особенности пайки неметаллических материалов и ферритов

Содержание I Введение II Пайка полупроводников III Пайка графита Пайка графита со сталями
Пайка графита с медью Пайка графита с графитом IV Пайка стекла и металлов
I Introduction In the given work features of the soldering of metals with nonmetallic materials, namely the soldering of semiconductors, the soldering of graphite with metals are considered, the soldering flew down with metals. The soldering of semiconductors use as at internal installation of devices - the soldering current supply, the soldering of transition on crystal owner, and at external installation - the soldering of external conclusions, hermetic sealing. Connection of graphite with metals is caused by economic reasons, and also necessity of realization of positive properties of graphite. Examples of such designs are lengthy heaters, crucibles and pumps for smelting of metals, electrodes of arc furnaces, large-sized anodes of mercury rectifiers, heaters of mine furnaces, high-temperature heat exchanger, heater elements, etc. The soldering of metal with glass apply at creation of a different sort of vacuum devices (floodgates, observation ports, etc.), at manufacturing lamps (from tiny up to powerful generating), in manufacture of large mirrors of optical devices, for facing an internal part of pipes of oil pipelines, etc. The fused glasses well moisten all metals under condition of presence on their surface of an adsorbing layer of oxide and heating to the corresponding temperature. Formation of strong connection between metal and glass depends on pressure in a zone of junction, presence of gas bubbles, process electrolysis and расстекловывания glasses.
II Soldering of semiconductors A surface of a product from the semiconductor, subject to the soldering, preliminary cover by tin in melt solder with the help of a ultrasonic soldering iron, way of a galvanic covering (nickel plating, gilding). The soldering make in furnaces with a controllable atmosphere (neutral, regenerative), in vacuum or a method of resistance preliminary covered by tin surfaces. At connection of products with available transition it is required to maintain strictly temperature of heating to what apply temperature regulators. The soldering of thin electric conclusions can be carried out on air microsoldering irons with use of protective or active gumboil (alcohol a solution of rosin, a gumboil on the basis of chloride ammonium). After the gumboil soldering a product wash out deionized water and dry. In manufacture of semiconductors of operation on assembly of a product under the soldering carry out in the assembly rulers having a controllable atmosphere and consisting of several survival suits connected among themselves in which air or nitrogen of the certain temperature and humidity moves. At the soldering of semi-conductor materials solders should form electro-hole transition or not straightening ohmic contact. In manufacture germanium and silicon devices as a basis apply aluminium, indium and alloys on the basis of tin and lead. For creation in a place of contact of conductivity of electronic type in a basis of solders as impurity enter phosphorus, arsenic, antimony and bismuth. For maintenance of not straightening ohmic contact in a basis of solders add a bor and gallium. At creation of transitions and ohmic contacts on intermetallic connections apply tin, bismuth, antimony, zinc, cadmium, etc. Structures of solders and modes of the soldering germanium and silicon are resulted in tab. 1. To the soldering of semiconductors apply also solders - pastes on the basis of gallium. For maintenance of reliability of wetting of a contact surface use ultrasound. Table 1 Compositions of the solders and modes of the soldering germanium and silicon Soldered material Composition solder (mass shares), % Modes of the soldering Using, particularities of the process Temperature, С Time, mines. Ambience Silicon n-type Pb – 63; Sn – 35,5; Sb – 1,5 720÷730 12÷13 Gumboil Pb – 97; Sb – 1,5; Ni – 1,5 Aluminum _ _ Vacuum 6*10-2 Pa Silicon valves Silumin Ag – 97; Pb – 2; Sb - 1 Silicon Gold (contact-reactive soldering) 420 _ _ Integral schemes Arsenide gallium + +nickel and silicon + +nickel Ga – 39,6; Sn – 4,4; Cu (powder) -56 100 Heating by ray of the lazer Silicon KEF + ковар 29НК Glass S48 - 1 or "Pireks" 980 10 Argon Soldering in two stages: 1) glass with коваром; 2)glass-коваровый node with silicon U = 800÷1000В 400÷450 20÷25 Germanium + platinum Sn – 99; Bi - 1 280 5 Hydrogen _ The structure of solders influences electric parameters soldering devices, therefore at a choice of solders it is necessary to take into account their physical properties, for example conduction, temperature factor of linear expansion.
Structure of the solders used for low-temperature of the soldering of semiconductors, are resulted in tab. 2. Table 2 Compositions низкотемпературных solders applicable when soldering germanium and silicon
Contents (mass shares), % Тmelt, °С Bi Pb Sn Cd 50,1 52,0 56,0 - 24,9 40,0 44,0 36,0 14,2 - - 64,0 10,8 8,0 - - 65,5 91,5 125,0 181,0 As gumboil use alcohol and water solutions of chloride zinc and chloride ammonium or vaseline pastes (no-acid gumboils - a solution of rosin in alcohol). At the high-temperature soldering apply gumboils on a basis drills. Diffusion processes between solder and the semiconductor promote formation of the connections increasing transitive resistance of a thermoelement, therefore time of contact of the semiconductor with solder in process covering by tin and the soldering should be extremely limited. The deviation of temperature of heating at the soldering should not exceed 2-3 °С.
III Soldering of graphite The small density of graphite, the high heat conductivity close to heat conductivity of metals, and also higher thermostability, than at the majority of ceramic materials, have caused its application in various branches of technics. With rise in temperature up to 2000÷2500 °С durability of graphite grows; at these temperatures it has the greatest strength from all known materials. Use of the graphite and combined designs is defined by way of their connection. Mechanical fastening, pasting, welding and the soldering is known. The soldering is the most technological and economic method of connection of the graphite materials, providing reception of high-strength, electrowire and tight connections. Physicomechanical properties of graphite depend on a kind of initial raw material and parameters of technological process of its reception. The capillary, contact-reactive, diffusion soldering and soldering-welding can be applied to connection of graphite. Graphite is well moistened with refractory metals (the titan, zirconium, silicon, hafnium, vanadium, niobium, tungsten, molybdenum), metals of group of iron, aluminium, and also silicon and a bor. The basic stage of process of the soldering of graphite with metals is its impregnation by the fused solder. The metal skeleton formed at it determines durability soldering connections. Difficulty of connection of graphite materials with metals is caused by essential their distinction heat-physical and physicomechanical characteristics: heat conductivities, the module of elasticity, durability and especially thermal expansion. Owing to distinction of temperature factor of linear expansion (TFLE) of metals and graphite at the soldering there are significant internal pressure. As graphite - rather fragile and sleazy a material destruction of a graphite detail in a zone of connection is possible. To lower a level of internal pressure in connection it is possible at performance of the following conditions: · Reduction of temperature of the soldering; · Selection of materials, it is maximum relatives on TFLE to graphite in a range of temperatures of heating; · Application of plastic solders or intermediate layers from molybdenum, tungsten, the titan, zirconium, an alloy 29НК which limit of elasticity is lower or it is close to strength at a stretching of a graphite material; · A choice of a design of connection at which graphite is influenced only with pressure of compression; · Creation of a non-uniform temperature field at which graphite is influenced only with pressure of compression; · Creation of a non-uniform temperature field at which metal details are heated up at the soldering to lower temperature, than graphite. The soldering of graphite with steels Steel-graphite designs have various value: units of fastening of graphite cathodes and anodes to current-carrying copper or aluminium trunks of metallurgical furnaces and electrolysis baths for melt of nonferrous metals; face condensation, подпятники, radial and persistent bearings of the devices working in the environment of liquid hydrocarbons; heat exchangers nuclear reactors; units of a joint of chambers of combustion and graphite rudders with metal armature. At the contact-reactive soldering of alloys of iron with graphite there is a diffusion active carbide-form components of an alloy in a zone of junction to formation of the boundary layers enriched carbides of these elements. Optimum mode of the contact-reactive soldering of graphite in density 1,6 - 1,9 g/sm3 with low-carbon steel the following: heating with a speed more than 100 °С/mines up to 1150÷1200 °С, endurance at this temperature of 1-2 mines, cooling in the furnace or on press of hot pressing at the switched - off current, pressure of compression (1,5 - 1,7) *107 Pa. The soldering of graphite with high-carbon steels is limited to their thickness (no more than 15 mm). An optimum mode of the soldering the following: temperature of heating 1270÷1350 °С, endurance 2 - 10 mines in vacuum 13,3 - 1,33 Pa or in an atmosphere of protective gases. Depending on purpose of products to connection of graphite and steel materials apply low or the high-temperature soldering. Low-temperature the soldering use basically at manufacturing face condensation, подпятников, radial and persistent bearings, working which temperature of operation does not exceed 200 - 250 °С. At this soldering apply solders on the basis of tin, lead, bismuth, cadmium and antimonies. The listed solders do not moisten pure graphite, therefore they are recommended for the soldering of graphite with preliminary put covering. As coverings most frequently apply copper and nickel. The high-temperature soldering of graphite with steel widely use at manufacturing separate units of nuclear reactors, and also for connection of graphite electrodes with current carrying elements, sealing rings and loose leaves with metal holders. During the soldering of graphite with refractory metals especially pure environment as even the insignificant contents of oxygen, nitrogen, hydrogen is required or carbon (up to 10-4 %) is accompanied forming the rifts in refractory metal. Wide application for connection of refractory metals with graphite have found the high-temperature soldering in furnaces with a controllable atmosphere and soldering-welding with use of an electronic beam and gas-electric arches. Prevention of saturation by carbon and frail metal is reached by preliminary drawing on connected surfaces of a covering from the plastic metals which are not forming in contact to graphite continuous fragile carbide diffusion layers, and also application of solders with a basis from plastic metals, inert in relation to graphite, and introduction in them carbide-form additives for maintenance of wet ability.
The soldering of graphite with copper Connections of graphite with copper apply by manufacture of brushes of electric motors, removal of the current devices and other products. Difficulties at the soldering of graphite with copper are connected to practically absent chemical interaction between them and essential distinction of physicomechanical properties.
The soldering of these materials is carried out due to application of intermediate layers and the solders containing metals, superficially active to carbon (the titan, zirconium, nickel, stainless steel). The contact-reactive soldering of graphite with copper is successfully carried out. The soldering of graphite with copper solders on the basis of copper or silver can be carried out and on air, using standard gumboils № 200, 201, 209. The soldering of graphite with graphite Connection of graphite details among themselves is required at creation from them blocks or at manufacturing products from graphites with various physicomechanical properties. Artificial graphite since 400 °С is easily oxidized, loosened and loses durability. For preservation of its properties the soldering carry out in vacuum or neutral environments (argon, helium, nitrogen, etc.). Coal-graphite materials solder with application carbide-form solders (the titan, zirconium, tantalum or niobium) due to formation эвтектики MeC - C. Enriched silicon graphite possesses high heat resistance, chemical stability the fused metals and other excited environments. Of it make thermocouples of immersing, roller conveyors burn furnaces.
IV The soldering of glasses with metals The junctions of metal with glass can be coordinated and unmatched. Coordinated junctions are formed between glass and metal with equal or close temperature factors of linear expansion (TFLE) in all an interval of temperatures from 20 °С up to temperature of the soldering. Unmatched junctions are formed between glass and metal with sharply various TFLE. Maintenance of durability in this case is reached by constructive decisions of a metal detail which should be deformed freely after deformation of a glass. At a choice of metal for connection with glass besides TFLE (depending on type of junction and its designs) the important role play its such properties, as temperature of fusion, elasticity of vapours in vacuum, gas evolution, electro- and heat conductivity, magnetic properties, chemical stability{resistance}, mechanical properties, обрабатываемость cutting and pressure, an opportunity of welding and the soldering, presence аллотропических changes, etc. Necessity of maintenance of constant electric parameters for devices as makes demands a condition of their reliability and durability to structure of metal in a working interval of temperatures. At the soldering of metal with glass use gas heating, induction, in furnaces, resistance. Gas heating apply for bead-like and tape junctions, to manufacturing scallop-like and flat legs. These kinds of connections are carried out at radiating heating by a torch in furnaces, with the help of simple adaptations or on universal horizontal - welding machine tools for glass-blowing works. Induction heating is expedient for applying to manufacturing рантовых, disk and other types of connections. Thus use generators capacity up to 30 kw and the special equipment. For fusing a layer of the glass paste rendered on a surface of metal for its prevention oxidation, having heated make in муфельных, tunnel and conveyor furnaces. Oven heating is expedient for the soldering of details of a simple configuration (глазковых, окошечных junctions, the coaxial inputs compressed junctions, flat legs). Heating of glass is carried out due to heat conductivity of the metal which has been heated up at drive through it of a current. This way of heating provides batching heat and does not demand high qualification of the operator. Connection of a glass with metal probably due to use of enamel. On connected details render a layer enamel pastes and a junction heat up to temperature of its fusion. At this way of connection internal pressure decrease, oxidation metal and reception of demountable vakuum-dense connections is provided. After connection of a glass with metal make отжиг connections for decrease in internal pressure. A mode отжига choose with account TFLE of connected materials and designs of junction. With same purpose apply also an optimum mode отжига or coolings to maintenance of identical volumetric compression of metal and a glass during cooling. To connection of a glass with other materials are applied gallium pastes. In tab. 3 combinations of materials for which connection with application gallium solder of structure (mass fractions) is received, % are resulted: 39,6 Ga; 4,4 Sn; 56 Cu (powder). Table 3 Combination material when soldering the microcircuits with using the gallium pastes Substrate Material film or massive element Material of the micro wire Sitall Cu (δ = 5*10-8 micron) Au (δ = 4*10-8 micron) Oxide tin (δ = 3*10-8 micron) Cu, Al, Ni (d=30÷50 micron) Glass Cu Existing ways of the soldering of a quartz glass (quartz) with metals differ depending on a modular condition of quartz during the soldering. Quartz can be soldered, leading up it before fusion, at high temperature as well as glass or to conduct process at lower temperatures when quartz is in a firm condition. At the soldering of quartz from it оплавлением use transitive glasses with various TFLE which, being alloyed with each other, form gradual transition from metal to quartz so that pressure on separate borders between glasses did not exceed allowable values. As metal to input apply, as a rule, tungsten or molybdenum. This way of the soldering of quartz with metals is labour-consuming, junctions have the significant sizes, mechanical durability and a thermal capacity are insignificant. More progressive consider a way soldering in a metal foil directly in quartz (tape junctions). Thus as metals use tungsten, molybdenum, tantalum, platinum. However the sizes of a foil are limited (width about several millimeters, thickness 0,01 - 0,05 mm). This restriction is connected to big difference TFLE of connected materials. Sometimes simultaneously solder in some single thin inputs. There is a way of the soldering of quartz with the help of active metals. In this case on a surface of quartz the layer of the titan or zirconium is rendered, the soldering is made by the solders containing fusible metals - tin, indium, gallium. As constructional metal use copper, silver, gold.
On a surface of the film of copper put on quartz, nickel or silver (galvanically, metallization, burn in) it is possible to make its soldering with metals low-tin solders with application rosin gumboils. The film of precious metals on quartz is formed on the following technology: on a soldering surface of quartz render a platinum-gold paint, heat up in vacuum up to 550 - 580 °С to reception of metal shine. Then on a surface of quartz render a film fused India at temperature 200 - 250 °С. At the soldering of quartz with copper on quartz preliminary render a layer of the titan from a powder of hydride of the titan for what use paste on amilacetate with the additive биндера. Heating in vacuum (2.6 - 6.5) *10-3 Pa at 1000 - 1050 °С during 15 - 30 minutes. As solder use lead. The soldering is conducted in vacuum (2.6 - 6.5) *10-3 Pa at temperature 750 - 800 °С.
The soldering of quartz directly with the titan or zirconium solder PSR 72 is possible. Thus it is formed strong and heat-resistant junctions. Active metal can be applied as an additive to solder, for example, at the soldering of quartz with an alloy 29NК solder PSR 72. For this purpose a surface of quartz covered with the hydride of the titan forming in vacuum the pure titan. To connection of quartz with an alloy 29NК apply also solder in system Ag-Cu эвтектического structure and the core containing 8 % Ti (mass fractions). Received thus junctions keep vacuum density at repeated heating up to 400 °С. At manufacturing not intense junction quartz with metals with metals use tinny -titanic or lead-titanic solder. For the soldering of quartz successfully use gallium solders (for example, by manufacture of piezoelectric quartz resonators). At the soldering gallium the solders containing indium, tin and copper, heat treatment of these junctions should be carried out in oxigen-contain to an atmosphere at temperature not less than 100 °С. The soldering of the quartz covered with aluminium and copper with an alloy 29NK and a brass to be made by solder of the following structure (mass fractions), %: 75 In; 15,5 Sn; 2,5 Ag; 7 Bi. Temperature of the soldering 370 - 380 °С, endurance - 20 minutes. The soldering was made in vacuum 5*10-6 kPa at pressure of compression of samples 3 MPa. Received thus solder connections have strength at a cut τ cut.= 12 – 15 МPa; can work in conditions of heating (80 - 100 °С) at static pressure 30 MPa, amplitudes of a pulsation of pressure 10-1 – 4,5 MPa and a range of frequencies 20 - 5000 Hz.

I Введение В данной работе рассмотрены особенности пайки металлов с неметаллическими материалами, а именно пайка полупроводников, пайка графита с металлами, пайка стекла с металлами. Пайку полупроводников используют как при внутреннем монтаже приборов – припайка токоотводов, напайка перехода на кристаллосодержатель, так и при наружном монтаже – припайка внешних выводов, герметизация. Соединение графита с металлами вызывается экономическими соображениями, а также необходимостью реализации положительных свойств графита. Примерами таких конструкций являются длинномерные нагреватели, тигли и лодочки для плавки металлов, электроды дуговых печей, крупногабаритные аноды ртутных выпрямителей, нагреватели шахтных печей, высокотемпературные теплообменники, тепловыделяющие элементы и др. Пайку металла со стеклом применяют при создании разного рода вакуумных приборов (гермовводы, смотровые окна и т.п.), при изготовлении ламп накаливания (от миниатюрных до мощных генераторных), в производстве крупных зеркал оптических приборов, для облицовывания внутренней части труб нефтепроводов и т.д. Расплавленные стёкла хорошо смачивают все металлы при условии наличия на их поверхности адсорбирующего слоя окисла и нагрева до соответствующей температуры. Образование прочного соединения между металлом и стеклом зависит от напряжений в зоне спая, наличия газовых пузырей, процесса электролиза и расстекловывания стекла.
II Пайка полупроводников Поверхность изделия из полупроводника, подлежащую пайке, предварительно облуживают в расплаве припоя с помощью ультразвукового паяльника, способом гальванического покрытия (никелирование, золочение). Пайку производят в печах с контролируемой атмосферой (нейтральной, восстановительной), в вакууме или методом сопротивления предварительно облуженных поверхностей. При соединении изделий с уже готовым переходом требуется строго выдерживать температуру нагрева, для чего применяют терморегуляторы. Пайку тонких электрических выводов можно осуществлять на воздухе микропаяльниками с использованием защитных или активных флюсов (спиртового раствора канифоли, флюса на основе хлористого аммония). После флюсовой пайки изделие промывают деионизированной водой и сушат. В производстве полупроводников операции по сборке изделия под пайку выполняют в сборочных линейках, имеющих контролируемую атмосферу и состоящих из нескольких соединённых между собой скафандров, в которых подаётся воздух или азот определённой температуры и влажности. При пайке полупроводниковых материалов припои должны образовывать электронно-дырочный переход или невыпрямляющий омический контакт. В производстве германиевых и кремниевых приборов в качестве основы применяют алюминий, индий и сплавы на основе олова и свинца. Для создания в месте контакта проводимости электронного типа в основу припоев в качестве примесе й вводят фосфор, мышьяк, сурьму и висмут. Для обеспечения невыпрямляющего омического контакта в основу припоев добавляют бор и галлий. При создании переходов и омических контактов на интерметаллических соединениях применяют олово, висмут, сурьму, цинк, кадмий и др. Составы припоев и режимы пайки германия и кремния приведены в табл. 2. Для пайки полупроводников применяют также припои – пасты на основе галлия. Для обеспечения надёжности смачивания контактной поверхности используют ультразвук. Таблица 1 Составы припоев и режимы пайки германия и кремния Паяемые материалы Состав припоя (массовые доли), % Режимы пайки Применение, особенности процесса Температура, °С Время, мин. Среда Кремний n-типа Pb – 63; Sn – 35,5; Sb – 1,5 720÷730 12÷13 Флюс Pb – 97; Sb – 1,5; Ni – 1,5 Алюминий _ _ Вакуум 6*10-2 Па Кремниевые вентили Силумин Ag – 97; Pb – 2; Sb - 1 Кремний Золото (контактно-реактивная пайка) 420 _ _ Интегральные схемы Арсенид галлия + +никель и кремний + +никель Ga – 39,6; Sn – 4,4; Cu (порошок) -56 100 Нагрев лучом лазера Кремний КЭФ + ковар 29НК Стекло С48 – 1 или «Пирекс» 980 10 Аргон Пайка в два этапа: 1) стекло с коваром; 2)стекло-коваровый узел с кремнием U = 800÷1000В 400÷450 20÷25 Германий + платина Sn – 99; Bi - 1 280 5 Водород _ Состав припоев влияет на электрические параметры паяемых приборов, поэтому при выборе припоев следует учитывать их электрофизические свойства, например электропроводность, температурный коэффициент линейного расширения. Состав припоев, используемых для низкотемпературной пайки полупроводников, приведены в табл. 2.
Таблица 2 Составы низкотемпературных припоев, применяемых при пайке германия и кремния Содержание (массовые доли), % Тпл, °С Bi Pb Sn Cd 50,1 52,0 56,0 - 24,9 40,0 44,0 36,0 14,2 - - 64,0 10,8 8,0 - - 65,5 91,5 125,0 181,0 В качестве флюсов используют спиртовые и водные растворы хлористого цинка и хлористого аммония или вазелиновой пасты (бескислотные флюсы – раствор канифоли в спирте). При высокотемпературной пайке применяют флюсы на основе буры. Диффузионные процессы между припоем и полупроводником способствуют образованию соединений, увеличивающих переходное сопротивление термоэлемента, поэтому время контакта полупроводника с припоем в процессе лужения и пайки должно быть предельно ограниченным. Отклонение температуры нагрева при пайке не должно превышать 2-3 °С.
III Пайка графита Небольшая плотность графита, высокая теплопроводность, близкая к теплопроводности металлов, а также более высокая термостойкость, чем у большинства керамических материалов, обусловили его применение в различных отраслях техники. С повышением температуры до 2000 – 2500 °С прочность графита возрастает; при этих температурах он имеет наибольший предел прочности из всех известных материалов. Использование графитовых и комбинированных конструкций определяется способом их соединения. Известно механическое крепление, склеивание, сварка и пайка. Пайка является наиболее технологичным и экономически выгодным методом соединения графитовых материалов, обеспечивающим получение высокопрочных, электропроводных и герметичных соединений. Физико-механические свойства графита зависят от вида исходного сырья и параметров технологического процесса его получения. Для соединения графита может применяться капиллярная, контактно-реактивная, диффузионная пайка и пайко-сварка. Графит удовлетворительно смачивается тугоплавкими металлами (титан, цирконий, кремний, гафний, ванадий, ниобий, вольфрам, молибден), металлами группы железа, алюминием, а также кремнием и бором. Основной стадией процесса пайки графита с металлами является его пропитка расплавленным припоем. Образующийся при этом металлический каркас определяет прочность паяного соединения. Трудность соединения графитовых материалов с металлами обусловлена существенным различием их теплофизических и физикомеханических характеристик: теплопроводности, модуля упругости, прочности и особенно теплового расширения. Вследствие различия температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) металлов и графита при пайке возникают значительные внутренние напряжения. Поскольку графит – сравнительно хрупкий и малопрочный материал, то возможно разрушение графитовой детали в зоне соединения. Снизить уровень внутренних напряжений в соединении можно при выполнении следующих условий: · уменьшение температуры пайки; · подбор материалов, максимально близких по ТКЛР к графиту в диапазоне температур нагрева; · применение пластичных припоев или промежуточных прослоек из молибдена, вольфрама, титана, циркония, сплава 29НК, предел упругости которых ниже или близок к пределу прочности при растяжении графитового материала; · выбор конструкции соединения, при котором на графит воздействуют только напряжения сжатия; · создание неравномерного температурного поля, при котором на графит воздействуют только напряжения сжатия; · создание неравномерного температурного поля, при котором металлические детали нагреваются при пайке до более низкой температуры, чем графитовые. Пайка графита со сталями Сталеграфитовые конструкции имеют различное значение: узлы крепления графитовых катодов и анодов к токопроводящим медным или алюминиевым шинам металлургических печей и электролизных ванн для выплавки цветных металлов; торцовые уплотнения, подпятники, радиальные и упорные подшипники аппаратов, работающих в среде жидких углеводородов; теплообменники ядерных реакторов; узлы сочленения камер сгорания и графитовых рулей с металлической арматурой. При контактно-реактивной пайке сплавов железа с графитом происходит диффузия активных карбидообразующих компонентов сплава в зону спаев с образованием пограничных слоев, обогащенных карбидами этих элементов. Оптимальный режим контактно-реактивной пайки графита плотностью 1,6 – 1,9 г/см3 с низкоуглеродистой сталью следующий: нагрев со скоростью более 100 °С/мин до 1150÷1200 °С, выдержка при этой температуре 1-2 мин, охлаждение в печи или на прессе горячего прессования при отключенном токе, давление сжатия (1,5÷1,7)*107 Па. Пайка графита с высоколегированными сталями ограничена их толщинами (не более 15 мм). Оптимальный режим пайки следующий: температура нагрева 1270÷1350 °С, выдержка 2 – 10 мин в вакууме 13,3 – 1,33 Па или в атмосфере защитных газов. В зависимости от назначения изделий для соединения графитовых и стальных материалов применяют низко- или высокотемпературную пайку. Низкотемпературную пайку используют в основном при изготовлении торцовых уплотнений, подпятников, радиальных и упорных подшипников, рабочая температура эксплуатации которых не превышает 200÷250 °С. При этой пайке применяют припои на основе олова, свинца, висмута, кадмия и сурьмы. Перечисленные припои не смачивают чистый графит, поэтому они рекомендуются для пайки графита с предварительно нанесённым покрытием. В качестве покрытий наиболее часто применяют медь и никель. Высокотемпературную пайку графита со сталью широко используют при изготовлении отдельных узлов ядерных реакторов, а также для соединения графитовых электродов с токоведущими элементами, уплотнительных колец и вкладышей с металлическими обоймами. В процессе пайки графита с тугоплавкими металлами требуется особо чистая среда, так как даже незначительное содержание кислорода, азота, водорода или углерода (до 10-4 %) сопровождается трещинообразованием в тугоплавком металле. Широкое применение для соединения тугоплавких металлов с графитом нашли высокотемпературная пайка в печах с контролируемой атмосферой и пайко-сварка с использованием электронного луча и газоэлектрической дуги. Предотвращение науглероживания и охрупчивания металла достигается предварительным нанесением на соединяемые поверхности покрытия из пластичных металлов, не образующих в контакте с графитом сплошных хрупких карбидных диффузионных слоёв, а также применением припоев с основой из пластичных металлов, инертных по отношению к графиту, и введением в них карбидообразующих добавок для обеспечения смачиваемости.
Пайка графита с медью Соединения графита с медью применяют при производстве щёток электрических двигателей, токосъемных устройств и других изделий. Трудности при пайке графита с медью связаны с практически отсутствующим химическим взаимодействием между ними и существенным различием физико-механических свойств.
Пайка этих материалов осуществляется за счет применения промежуточных прослоек и припоев, содержащих металлы, поверхностно- активные к углероду (титан, цирконий, никель, нержавеющая сталь). Успешно осуществляется контактно-реактивная пайка графита с медью. Пайку графита с медью припоями на основе меди или серебра можно проводить и на воздухе, используя стандартные флюсы № 200, 201, 209. Пайка графита с графитом Соединение графитовых деталей между собой требуется при создании из них блоков или же при изготовлении изделий из графитов с различными физико-механическими свойствами. Искусственный графит начиная с 400 °С легко окисляется, разрыхляется и теряет прочность. Для сохранения его свойств пайку осуществляют в вакууме или нейтральных средах (аргоне, гелии, азоте и др.). Углеграфитовые материалы паяют с применением карбидообразующих припоев (титана, циркония, тантала или ниобия) за счет образования эвтектики MeC – C. Силицированный графит обладает высокой жаростойкостью, химической стойкостью по отношению к расплавленным металлам и другим агрессивным средам. Из него изготавливают термопары погружения, роликовые конвейеры обжиговых печей.
IV Пайка стекла и металлов Спаи металла со стеклом могут быть согласованными и несогласованными. Согласованные спаи образуются между стеклом и металлом с равными или близкими температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР) во всём интервале температур от 20 °С до температуры пайки. Несогласованные спаи образуются между стеклом и металлом с резко различными ТКЛР. Обеспечение прочности в этом случае достигается конструктивными решениями металлической детали, которая должна свободно деформироваться вслед за деформацией стекла. При выборе металла для соединения со стеклом помимо ТКЛР (в зависимости от типа спая и его конструкции) важную роль играют такие его свойства, как температура плавления, упругость паров в вакууме, газовыделение, электро- и теплопроводность, магнитные свойства, химическая стойкость, механические свойства, обрабатываемость резанием и давлением, возможность сварки и пайки, наличие аллотропических изменений и др. Необходимость обеспечения постоянных электрических параметров в приборах как условие их надежности и долговечности выдвигает требования к структуре металла в рабочем интервале температур. При пайке металла со стеклом используют газовый нагрев, индукционный, в печах, сопротивлением. Газовый нагрев применяют для бусинковых и ленточных спаев, для изготовления гребешковых и плоских ножек. Эти виды соединений выполняются при радиационном нагреве горелкой в печах, с помощью простых приспособлений или на универсальных горизонтально-заварочных станках для стеклодувных работ. Индукционный нагрев целесообразно применять для изготовления рантовых, дисковых и других типов соединений. При этом используют генераторы мощностью до 30 кВт и специальное оборудование. Для сплавления слоя стеклянной пасты, наносимой на поверхность металла для предотвращения его переокисления, нагрев производят в муфельных , туннельных и конвейерных печах. Печной нагрев целесообразен для пайки деталей простой конфигурации (глазковых, окошечных спаев, коаксиальных вводов, сжатых спаев, плоских ножек). Нагрев секла осуществляется за счет теплопроводности металла, нагретого при пропускании через него тока. Этот способ нагрева обеспечивает дозирование тепла и не требует высокой квалификации оператора. Соединение стекла с металлом возможно за счет использования эмали. На соединяемые детали наносят слой эмалиевой пасты и место соединения нагревают до температуры её плавления. При этом способе соединения уменьшаются внутренние напряжения, переокисление металла и обеспечивается получение разъемных вакуумно-плотных соединений. После соединения стекла с металлом производят отжиг соединений для снижения внутренних напряжений. Режим отжига выбирают с учетом ТКЛР соединяемых материалов и конструкции спая. С этой же целью применяют и оптимальный режим отжига или охлаждения для поддержания одинакового объёмного сжатия металла и стекла в процессе охлаждения. Для соединения стекла с другими материалами применяются галлиевые пасты. В табл.3 приведены сочетания материалов, для которых получено соединение с применением галлиевого припоя состава (массовые доли), %: 39,6 Ga; 4,4 Sn; 56 Cu (порошок). Таблица 3 Сочетание материалов при пайке микросхем с применением галлиевых паст Подложка Материал плёнки или массивного элемента Материал микропровода Ситалл Cu (δ = 5*10-8 мкм) Au (δ = 4*10-8 мкм) Окись олова (δ = 3*10-8 мкм) Cu, Al, Ni (d=30÷50 мкм) Стекло Cu Существующие способы пайки кварцевого стекла (кварца) с металлами различаются в зависимости от агрегатного состояния кварца во время пайки. Кварц можно паять, доводя его до плавления, при высокой температуре как и стекло или вести процесс при более низких температурах, когда кварц находится в твёрдом состоянии. При пайке кварца с его оплавлением используют переходные стекла с различными ТКЛР, которые, сплавляясь друг с другом, образуют постепенный переход от металла к кварцу таким образом, чтобы напряжения на отдельных границах между стёклами не превышали допустимых значений. В качестве металла для ввода применяют, как правило, вольфрам или молибден. Этот способ пайки кварца с металлами трудоёмок, спаи имеют значительные размеры, механическая прочность и теплоёмкость невелики. Более прогрессивными считается способ впаивания металлической фольги непосредственно в кварц (ленточные спаи). При этом в качестве металлов используют вольфрам, молибден, тантал, платину. Однако размеры фольги ограниченны (ширина порядка нескольких миллиметров, толщина 0,01÷0,05 мм). Это ограничение связано с большой разностью ТКЛР соединяемых материалов. Иногда одновременно впаивают несколько одиночных тонких вводов. Существует способ пайки кварца с помощью активных металлов. В этом случае на поверхность кварца наносится слой титана или циркония, пайка производится припоями, содержащими легкоплавкие металлы – олово, индий, галлий. В качестве конструкционного металла используют медь, серебро, золото. По поверхности нанесённой на кварц плёнки меди, никеля или серебра (гальванически, металлизацией, вжиганием) можно производить пайку его с металлами малооловянистыми припоями с применением канифольных флюсов.
Плёнка благородных металлов на кварце образуется по следующей технологии: на паяемую поверхность кварца наносят платино-золотую краску, нагревают в вакууме до 550÷580 °С до получения металлического блеска. Затем на поверхность кварца наносят плёнку расплавленного индия при температуре 200÷250 °С. При пайке кварца с медью на кварц предварительно наносят слой титана из порошка гидрида титана, для чего используют пасту на амилацетате с добавкой биндера. Нагрев в вакууме (2,6÷6,5)*10-3 Па при 1000÷1050 °С в течение 15÷30 мин. В качестве припоя используют свинец. Пайка ведётся в вакууме (2,6÷6,5)*10-3 Па при температуре 750÷800 °С.
Возможна пайка кварца непосредственно с титаном или цирконием припоем ПСр 72. При этом образуется прочные и термостойкие спаи. Активный металл можно применять в качестве присадки к припою, например, при пайке кварца со сплавом 29НК припоем ПСр 72. Для этого поверхность кварца покрывали гидридом титана, образующим в вакууме чистый титан. Для соединения кварца со сплавом 29НК применяют также припой в системе Ag-Cu эвтектического состава и сердечник, содержащий 8% Ti (массовые доли). Полученные таким образом спаи сохраняют вакуумную плотность при повторном нагреве до 400 °С. При изготовлении ненапряженного спая кварца с металлами с металлами используют оловянно-титановый или свинцово-титановый припой. Для пайки кварца успешно используют галлиевые припои (например, при производстве пьезоэлектрических кварцевых резонаторов). При пайке галлиевыми припоями, содержащими индий, олово и медь, термообработку этих спаев следует проводить в кислородосодержащей атмосфере при температуре не менее 100 °С. Пайка кварца, покрытого алюминием и медью со сплавом 29НК и латунью, производиться припоем следующего состава (массовые доли), %: 75 In; 15,5 Sn; 2,5 Ag; 7 Bi. Температура пайки 370÷380 °С, выдержка – 20 минут. Пайка производилась в вакууме 5*10-6 кПа при давлении сжатия образцов 3 МПа. Полученные таким образом паяные соединения имеют предел прочности при срезе τсреза=12÷15 МПа; могут работать в условиях нагрева ( 80÷100 °С ) при статическом давлении 30 МПа, амплитудах пульсации давления 10-1÷4,5 МПа и диапазоне частот 20÷5000 Гц.