SU1742269A1 - Method of bonding ceramic material with metals and non-metals - Google Patents

Abstract

Использование: соединение разнородных материалов в электронике и радиотехнике и прецизионном приборостроении. Сущность изобретени : соединение керамики осуществл ют, размеща  между изде- ли мифольгуэвтектического меднотитанового сплава, покрытую слоем металла или сплава из группы: олово, свинец , индий в количестве 5-30% от общей массы припо . Нагрев ведут со скоростью, определеемой соотношением V 1,5P0l5x х 105, где Р - остаточное давление разрежени , мм рт.ст. Повышена экономичность способа, снижены энергозатраты, процесс ведут при более низком вакууме 10 - 10 Па. 1 табл.Use: compound dissimilar materials in electronics and radio engineering and precision instrument making. SUMMARY OF THE INVENTION: Ceramics are bonded by placing a mythological alloyed copper-titanium alloy between the product, covered with a layer of metal or alloy from the group of: tin, lead, and indium in an amount of 5-30% of the total solder mass. Heating is carried out at a rate determined by the ratio V 1.5P0l5x x 105, where P is the residual rarefaction pressure, mm Hg. Increased efficiency of the method, reduced energy consumption, the process is carried out at a lower vacuum of 10 - 10 PA. 1 tab.

Description

Изобретение относитс  к соединению разнородных материалов, в частности к пайке , и может быть использовано в электронной , радиотехнической промышленности и прецизионном приборостроенииThe invention relates to the joining of dissimilar materials, in particular to soldering, and can be used in the electronic, radio engineering and precision instrument making industries.

Известен способ соединени  металла с керамикой путем спаивани  через слои переходных материалов, при котором промежуточные слои выполн ют из тугоплавких окислов со стороны металла, а спаивание осуществл ют при давлении 15-20 кг/см и температуре 1580-1650°С в течение 1-3 мин.The known method of combining metal with ceramics by soldering through layers of transition materials, in which intermediate layers are made of refractory oxides on the metal side, and soldering is carried out at a pressure of 15-20 kg / cm and a temperature of 1580-1650 ° C for 1-3 min

Недостатками способа  вл ютс  высока  температура пайки и необходимость пайки в вакууме не ниже - мм рт.ст.The disadvantages of the method are the high soldering temperature and the need for soldering in vacuum not lower than - mm Hg.

Известен также способ вакуумно-плот- ного соединени  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 плавлени  припо  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.There is also known a method of vacuum-tight joining of ceramics with metal, according to which metal foil with a layer of metallization mass is placed between ceramics and metal, and a metal layer to the surface of ceramics, then heated to the melting point of solder in a protective medium or vacuum. bending strength 1720-3120 kg / cm2, which can withstand many hours of heating to 700 ° C and 15 thermal shocks.

Недостатками способа  вл ютс  высока  температура пайки, необходимость пайки в высоком вакууме или защитной среде, а также сложна  технологи  получени  и нанесени  металлизационной массы.The disadvantages of the method are high soldering temperature, the need for soldering in high vacuum or a protective environment, as well as the complex technology of obtaining and applying a metallization mass.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  способ пайки керамики с металлами и неметаллами, при котором между па емыми поверхност ми деталей размещают слои припо , состо щие из меди, титана и легкоплавкого металла , выбираемого из группы: олово, свинец, индий и их сплавы, причем слой легкоплавкого металла помещают между сло ми меди и титана. Детали поджимают и производ т нагрев выше температуры полного расплавлени  припо  в результате контактных реакций После выдержки, обеспечивающей смачивание па емых поверхностей припоем производ т охлаждение изделий до ком- температуры.The closest to the technical essence of the invention is a method of brazing ceramics with metals and non-metals, in which solder layers consisting of copper, titanium and a low-melting metal selected from the group of: tin, lead, indium and their alloys, the layer of low-melting metal being placed between the layers of copper and titanium. The parts are pressed and heated above the temperature of the complete melting of the solder as a result of contact reactions. After holding, ensuring the wetting of the soldered surfaces with solder, the products are cooled to the temperature.

Недостатками известного способа  вл ютс  сложна  технологи  изготовлени  иThe disadvantages of this method are complex manufacturing techniques and

ЁYo

4j4j

JJ

гОgo

ГО ОGO O

оabout

сборки под пайку многослойного припо , необходимость пайки в вакууме 10 - мм рт.ст. или защитной атмосфере инертного газа, что создает определенные трудности, заключающиес  в необходимо- сти примен ть сложную и дорогосто щую высоковакуумную аппаратуру. При более низком вакууме происходит окисление активной составл ющей припо , что не позволит осуществить качественную пайку.assemblies for soldering multilayer solder, the need for soldering in a vacuum of 10 - mm Hg. or a protective atmosphere of an inert gas, which creates certain difficulties, which consist in the need to use complex and expensive high-vacuum apparatus. At a lower vacuum, the active component of the solder is oxidized, which will not allow high-quality soldering.

Целью изобретени   вл етс  повышение экономичности способа путем снижени  -энергозатрат, времени и глубины защитного вакуума до 10 - 10 Па.The aim of the invention is to increase the efficiency of the method by reducing the energy consumption, time and depth of the protective vacuum to 10 - 10 Pa.

Указанна  цель достигаетс  размеще- нием между соедин емыми поверхност ми фольги припо  на основе меди и титана с добавкой легкоплавких металлов из группы олово,свинец, индий и их сплавов, нагрев в вакууме - Па до температуры плав- лени  и охлаждение, причем в качестве припо  используют фольгу меднотитанового эвтектического сплава, которую предварительно покрывают слоем указанного легкоплавкого металла в количестве 5-30% от общей массы припо , а нагрев ведут со скоростью , определ емой соотношениемThis goal is achieved by placing copper and titanium-based solder foil between the joining surfaces with the addition of low-melting metals from the tin, lead, indium and their alloys groups, heating in vacuum — Pa to the melting temperature and cooling, and a copper-titanium eutectic alloy foil is used, which is pre-coated with a layer of the said low-melting metal in an amount of 5-30% of the total solder mass, and the heating is carried out at a rate determined by the ratio

V 1,5Р° 57- Ю5,V 1,5 Р ° 57- Ю5,

где Р - остаточное давление разрежени , мм рт.ст.where P is the residual rarefaction pressure, mm Hg.

Способ позвол ет значительно (50%) сократить затраты на злектроэнергию, не ухудша  качество па ных соединений, и исключить использование дорогосто щей высоковакуумной аппаратуры.The method allows significantly (50%) to reduce the cost of electrical energy without compromising the quality of the solder joints, and to eliminate the use of expensive high-vacuum equipment.

В процессе пайки легкоплавкие компоненты предохран ют активный сплав от окислени  остаточным кислородом, сначала во врем  нагрева под пайку, создава  защитную пленку, затем в момент расплавле- ни  припо , легиру  активный сплав и повыша  стойкость всего припо  к окислению . Это все становитс  возможным при соблюдении нижнего количественного пре- дела состава легкоплавких компонентов и определенной скорости нагрева, завис щей от давлени  остаточных газов в камере. При количестве плакирующих легкоплавких компонентов менее 5% от общей массы припо  и одновременно вакууме, близком к 10 мм рт.ст,, резко возрастает окисление активного сплава еще до момента его расплавлени . Тоже самое происходит при нарушении скоростного соотношени  при нагреве под пайку. При количестве же плакируемых лег- коплавких компонентов более 30% от общей массы припо  возрастает пластичность припо  и снижаетс  прочность спа . Соотношение , определ ющее скорость нагрева в зависимости от величины давлени  вакуума , в камере получено эмпирически из серии экспериментов.During the soldering process, low-melting components protect the active alloy from oxidation by residual oxygen, first, during heating for brazing, creating a protective film, then at the time of soldering, alloy the active alloy and increase the resistance of the whole solder to oxidation. This all becomes possible while observing the lower quantitative limit of the composition of the low-melting components and a certain heating rate, depending on the pressure of the residual gases in the chamber. When the amount of cladding low-melting components is less than 5% of the total mass of solder and at the same time a vacuum close to 10 mm Hg, the oxidation of the active alloy sharply increases even before its melting. The same happens in case of violation of the speed ratio during heating for brazing. When the number of plated low-melting components is more than 30% of the total solder mass, the plasticity of the solder increases and the strength of the spa decreases. The ratio that determines the heating rate depending on the magnitude of the vacuum pressure in the chamber is obtained empirically from a series of experiments.

Пример. При изготовлении вакуумной камеры прецизионного прибора соедин ют при помощи пайки две керамические полусферы , изготовленные из керамики А 995. По стыку полусфер размещают трехслойный припой, состо щий из меднотитановой фольги эвтектического состава толщиной 0,15 мм, котора  плакирована легкоплавким металлом оловом, индием или свинцом, или их сплавами. Толщина плакирующего сло  выбираетс  такой, чтобы получить соотношение компонентов 95-70% CuTi и 5-30% легкоплавкой составл ющей. Собранный дл  пайки узел помещают внутри цилиндрического нагревател  в рабочем объеме вакуумной технологической установки (ВУП-4). Пайку провод т при давлении - рт.ст. Из этих условий по указанной формуле вычисл ют минимальную скорость нагрева па емого узла. Принимают скорость подъема температуры на 10% выше вычисленной . Температуру измен ют хромель- алюминиевой термопарой. В качестве индикатора температуры примен ют цифровой прибор Щ 68000.Example. In the manufacture of a vacuum chamber of a precision instrument, two ceramic hemispheres made of A 995 ceramic are connected by soldering. , or their alloys. The thickness of the cladding layer is chosen such that a ratio of components of 95-70% CuTi to 5-30% of the low-melting component is obtained. The assembly assembled for soldering is placed inside a cylindrical heater in the working volume of the vacuum processing unit (VUP-4). Soldering is carried out at a pressure of - Hg. From these conditions, the minimum heating rate of the fallen node is calculated using the formula indicated. Take the rate of temperature rise 10% higher than calculated. The temperature is changed by a chromel-aluminum thermocouple. A digital device, Sch 68000, is used as a temperature indicator.

Результаты различных вариантов пайки сведены в таблицу. Здесь же даны результаты испытаний па ных соединений на прочность . Термоциклирование производ т по режиму: (+200) - (-79)°С, при этом трещины в керамике и па ном шве отсутствуют, вакуумна  плотность соединени  не измен етс  по сравнению с первоначальной.The results of the various options for soldering are tabulated. Here are the results of tests of paired joints for strength. Thermal cycling is carried out according to the mode: (+200) - (-79) ° C, while there are no cracks in the ceramics and the weld joint, the vacuum density of the joint does not change as compared to the initial one.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Способ пайки керамики с металлами и неметаллами, включающий размещение между соедин емыми поверхност ми фольги припо  на основе меди, титана с добавкой легкоплавких металлов из группы: олово, свинец, индий и их сплавов, нагрев в вакууме до температуры плавлени  припо  и охлаждение, отличающийс  тем, что, с целью повышени  экономичности способа путем снижени  энергозатрат, времени и глубины защитного вакуума до - Па, в качестве припо  используют фольгу эвтектического сплава медь - титан, которую предварительно покрывают слоем легкоплавкого металла в количестве 5-30% от общей массы припо , а нагрев ведут со скоростью, определ емой из соотношени A method of brazing ceramics with metals and non-metals, including the placement of copper-based solder, titanium with the addition of low-melting metals from the group: tin, lead, indium and their alloys between the joined surfaces, heating in vacuum to the melting temperature of the solder and cooling, characterized by that, in order to increase the efficiency of the method by reducing the energy consumption, time and depth of the protective vacuum up to - Pa, a copper-titanium eutectic alloy foil is used as a solder, which is pre-coated with a light-melt layer metal in an amount of 5-30% of the total mass of solder, and the heating is carried out at a rate determined from the ratio V 1,5Р°|57 Ю5,V 1,5 Р ° | 57 Ю5, где Р - остаточное давление разрежени , мм рт.ст.where P is the residual rarefaction pressure, mm Hg.