I Введение
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.
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.
II Основная часть
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. Свойства металлов и стёкол, применяемых для спаев, приведены на рис. 1.
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 стекла 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.1 приведены сочетания материалов, для которых получено соединение с применением галлиевого припоя состава (массовые доли), %: 39,6 Ga; 4,4 Sn; 56 Cu (порошок).
Таблица 1
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.
III Список использованной литературы
1. Справочник по пайке / [ Гржимальский Л.Л., Губин А.И., Есенберлин Р.Е. и др.]; Под ред. И.Е. Петрунина.- М.: Машиностроение, 1984.
2. Дубравина А.В. Спаи стекла с металлом и керамикой. М., ЦНИИ «Электротехника», 1979.