СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Особенности пайки материалов для электронного машиностроения
Пайка цветных металлов и сплавов. Пайка меди и ее сплавов. Окисная пленка на поверхности меди и ее сплавов (латуней, бронз, медно-никелевых сплавов) легко восстанавливается флюсами, поэтому пайка этих металлов в большинстве случаев не представляет трудностей.
При пайке меди в газовых восстановительных средах следует иметь в виду, что обычная техническая медь подвержена так называемой «водородной болезни», т. е. растрескиванию по границам зерен. Это объясняется тем, что при взаимодействии с медью водород растворяется в ней, восстанавливает закись меди, расположенную по границам зерен, а образующиеся при этом пары воды разрывают металл. В электровакуумной промышленности применяются бескислородная медь марки МБ и медь МВ вакуумной переплавки. Эти марки меди можно паять в восстановительных атмосферах, не опасаясь растрескивания.
По меди припои хорошо растекаются не только в восстановительной среде, но и в вакууме или в инертной атмосфере.
В качестве припоев для пайки меди в электровакуумной промышленности применяются сплавы серебра с медью, не содержащие таких легкоиспаряющихся компонентов, как цинк, кадмий. Наиболее распространен припой ПСр 72.
При необходимости более тщательного обезгаживания электровакуумных приборов температуру при откачке поднимают до 650-700 °С.
В этом случае для пайки применяют золотосодержащие припои (ПЗлН82, ПЗлМН35В и др.), имеющие более низкую упругость паров.
При пайке меди оловянно - свинцовыми припоями и другими легкоплавкими припоями целесообразно применять спиртоканифольные флюсы, остатки которых не вызывают коррозии.
Сложность пайки сплавов на основе меди зависит от свойств легирующих добавок. Наиболее частыми элементами, вводимыми в медь для получения необходимых физико-механических свойств, являются цинк, фосфор, кадмий, алюминий, бериллий, кремний, хром и др. Эти элементы в зависимости от их влияния на процесс пайки можно подразделить на группы. К первой, наиболее распространенной, следует отнести сплавы, содержащие легкоиспаряющиеся элементы - цинк, кадмий, фосфор и др. Пайка таких сплавов затруднена сильным испарением этих элементов, налетами на стенки печей, изменением химического состава паяемых материалов. Поэтому пайка указанных материалов чаще всего осуществляется на воздухе с применением газовых горелок и различных флюсов. В качестве припоев используют серебросодержащие припои (ПСр40, ПСр 45, ПСр 25Ф и др.).
Другие элементы (Si, Al, Be, Cr) образуют на поверхности сплавов прочные пленки окислов. Надежная пайка таких материалов может быть осуществлена только с применением покрытий (например, никелевых).
Пайка никеля и его сплавов. Чистый никель и его сплавы с медью типа «монель» и «константан» имеют на поверхности химически нестойкую окисную пленку, которая легко восстанавливается в газовых средах, удаляется флюсованием и при высокотемпературной пайке в вакууме разлагается на кислород и металл. Поэтому пайка никеля и его сплавов не вызывает затруднений. Обычно для высокотемпературной пайки этих материалов используют припои и газовые среды, применяемые для пайки меди и ее сплавов. Для низкотемпературной пайки никеля пригодны оловянно-свинцовые припои, содержащие 40-50 масс. доли % олова и флюсы, рекомендуемые для пайки сталей.
На сплавах никеля, легированного хромом, алюминием, титаном и другими металлами, образуется комплекс окислов соответствующих металлов. Химическая стойкость окислов при этом возрастает, что влечет за собой ряд затруднений при пайке. Так, при пайке этих материалов в восстановительной и нейтральных средах последние необходимо дополнительно очищать от остатка кислорода и влаги. Для получения качественной пайки никелевые сплавы, легированные алюминием, хромом, титаном, покрывают слоем никеля толщиной 7-10 мкм, который обеспечивает хорошее смачивание паяемых поверхностей в вакууме и нейтральных средах без применения флюсов.
При использовании меди в качестве припоя при пайке никеля следует учитывать, что паяемый металл значительно растворяется в припое и поэтому необходимы строгая дозировка припоя и пайка без перегрева.
Пайка алюминия и его сплавов. Алюминий считается труднопаяемым металлом из-за наличия на нем плотной пленки химически стойкого окисла Al2O3. Окисная пленка Al2O3 имеет температуру плавления 2050 °С и ее не удается разрушить флюсами, применяемыми при пайке меди или сталей. Для осуществления процесса пайки окисную пленку необходимо предварительно удалять и предотвращать ее образование при нагреве. Обычно перед пайкой алюминий травят в щелочах и кислотах, а в процессе пайки применяют высокоактивные флюсы, содержащие хлориды щелочных металлов и фтористые соединения. При пайке электронных приборов такие флюсы не всегда применимы.
Так как защитить алюминий от окисления ввиду его активности практически нельзя, а образующуюся окисную пленку удалить без флюса трудно, целесообразно наносить на алюминий слой другого металла, который будет прочно сцепляться с ним, хорошо смачиваться припоями и не требовать применения высокоактивных флюсов. Обычно в качестве таких покрытий используют медь или никель. Медное покрытие прочно сцепляется с алюминием и хорошо смачивается жидкими припоями в восстановительных средах. Однако при нагреве медное покрытие реагирует с алюминием и образует легкоплавкое и хрупкое соединение при температуре 549 °С. Никелевое покрытие, нанесенное из химического раствора, имеет высокую прочность сцепления с алюминием, обладает коррозионной стойкостью и хорошо смачивается жидкими припоями. При малой толщине (до 10 мкм) покрытие недостаточно прочно. Высококачественный спай получается при толщине покрытия, равной 15-17 мкм.
Пайка сталей. Степень сложности пайки сталей в значительной мере определяется их составом. Пайка низкоуглеродистых сталей не вызывает особых трудностей и может быть осуществлена большинством известных способов. Окисная пленка, образующаяся на поверхности этих сталей, химически нестойкая. Она легко восстанавливается в газовых средах и растворяется большинством флюсов, рекомендованных для пайки сталей.
При низкотемпературной пайке применяют оловянно-свинцовые припои: ПОС40, ПОС61. В качестве флюсов могут быть использованы флюсы, активированные хлоридами цинка, олова, меди, кадмия.
Для улучшения качества паяных соединений из низкоуглеродистых сталей соединяемые поверхности деталей иногда предварительно подвергают лужению с применением водных растворов хлористого цинка, после чего тщательно удаляют остатки флюса. Изделия паяют после лужения с флюсами, остатки которых не вызывают существенной коррозии, например со спиртоканифольным флюсом.
Высокотемпературную пайку низкоуглеродистых сталей в электровакуумных приборах выполняют обычно медью, а также золотомедными и золотоникелевыми припоями. Медно-серебряные припои типа ПСр72 плохо смачивают стали. Для повышения смачивающей способности к медно-серебряным припоям добавляют присадки палладия. Пайка осуществляется в печи с восстановительной атмосферой.
Пайка нержавеющих сталей несколько затруднена. В связи с высоким содержанием хрома поверхность этих сталей покрыта химически стойкой окисной пленкой, состоящей в значительной части из трудноудаляемых окислов хрома.
При низкотемпературной пайке нержавеющих сталей оловянносвинцовыми припоями спиртоканифольные флюсы непригодны. Непригодны и спиртоканифольные флюсы с небольшими добавками хлористого цинка и хлористого аммония. Обычно применяются спиртоканифольный флюс с добавкой ортофосфорной кислоты либо высокоактивный флюс, состоящий из 38-40 %-го водного раствора хлористого цинка и насыщенного раствора соляной кислоты. Однако эти флюсы можно применять только при пайке паяльником или газовой горелкой, когда за процессом можно наблюдать визуально и флюс в процессе пайки можно добавлять по мере необходимости.
Пайка нержавеющих сталей облегчается при нанесении на них технологических покрытий, которые без затруднения паяются низкотемпературными и высокотемпературными припоями. В качестве таких покрытий используют медь, никель, серебро.
Пайка активных и тугоплавких металлов. Пайка титана и циркония. Эти металлы используются в основном в конструкциях электровакуумных приборов и поэтому подвергаются только высокотемпературной пайке. Особенностью этих металлов являются их активность по отношению к газам: к кислороду, азоту, водороду и другим, кроме инертных. При взаимодействии с газами эти материалы образуют разнообразные соединения, значительно ухудшающие механические свойства швов. Кроме того, на поверхности таких металлов образуются пленки окислов, нитридов, гидридов, несмачивающихся припоями. Поэтому паять эти металлы следует в вакууме не ниже 510-5 мм рт. ст. (6,6510-3 Па ) или в среде особо чистых аргона или гелия.
Другая особенность пайки титана и циркония состоит в том, что они вступают в реакцию с подавляющим большинством металлов, содержащихся в припоях (серебро, золото, медь, никель), образуя с ними нежелательные соединения, ухудшающие свойства паяных швов. Эти соединения уменьшают прочность спаев и значительно понижают допустимую температуру последующих нагревов паяных соединений.
Повышение механических свойств паяных соединений этих металлов достигается предварительным покрытием их поверхности слоем другого металла. С помощью такого слоя предотвращаются непосредственный контакт паяемого металла и припоя во время пайки и, следовательно, возможность образования нежелательных соединений. В качестве покрытий на титане под пайку припоями на серебряной основе чаще всего рекомендуется использовать серебро, медь, рений, а на цирконии - никель. Основное требование к этим покрытиям - прочное сцепление с титаном и цирконием.
Детали с нанесенным покрытием могут быть спаяны припоями, смачивающими эти покрытия.
Пайка молибдена и вольфрама. Эти материалы имеют высокую температуру плавления и используются в катодных узлах электровакуумных приборов, обеспечивая их работу при температуре выше 1000 °С.
Основные затруднения при пайке этих металлов возникают из-за большого их сродства с кислородом, а также склонности к охрупчиванию при нагреве до высоких температур. По этим причинам пайку молибдена и вольфрама необходимо производить в глубоком вакууме или среде аргона, тщательно очищенном от кислорода и паров воды.
Для высокотемпературной пайки тугоплавких металлов применяют в качестве припоев чистые металлы: тантал, ниобий, никель, медь и их сплавы. Для улучшения смачивания вольфрама и молибдена расплавленными припоями иногда их предварительно покрывают никелем или медью. Толщина никелевого слоя не должна быть больше 3 мкм, медного - 3-4 мкм; при большей толщине возможно отслаивание покрытия. Для улучшения сцепления покрытия с тугоплавким металлом производят термообработку в вакууме.
При использовании в качестве припоя чистой меди следует учитывать, что она плохо смачивает и растекается по поверхности молибдена и вольфрама. Для улучшения смачивающей способности медь легируют кобальтом, железом, марганцем, никелем, палладием. Количество легирующих добавок в медных припоях не должно превышать 4-5 масс. доли %. Увеличение содержания добавок в припое приводит к снижению механических свойств паяного соединения.
Пайка металла с керамикой. Керамика широко применяется при изготовлении электронных приборов в качестве изолирующего материала. Керамический материал обладает следующими свойствами: имеет
относительно высокую механическую и электрическую прочность, низкие диэлектрические потери при высокой температуре, обладает термостойкостью, вакуумной плотностью, способностью образовывать вакуумно-плотные соединения с металлами.
Керамический материал состоит из зерен окислов алюминия или циркония (основа), которые соединены между собой стеклофазой, представляющей собой другие окислы, имеющие более низкую температуру размягчения, чем основа.
При соединении керамики с металлами применяют в основном два метода: пайку с использованием металлизационного покрытия керамики и пайку без нанесения металлопокрытий.
В электровакуумном производстве наибольшее распространение нашла технология с использованием предварительно нанесенного покрытия. Для этого на поверхность керамики наносят пасту из порошков тугоплавких металлов и вжигают их. В результате вжигания на поверхности керамической детали получается шероховатое металлическое покрытие, которое смачивается высокотемпературными припоями. Обычно используется молибдено - марганцевая паста, состоящая из 80 масс. доли % молибдена и 20 масс. доли % марганца. Металлизационная паста, нанесенная на керамику, вжигается в смеси азота и водорода (3:1) при температуре 1300-1600 °С, в результате спекания образуется прочное соединение между керамикой и металлическим слоем. В качестве припоев для пайки керамики с металлом обычно используются серебро, медь, медно-серебряные и золотоникелевые сплавы (ПСр 72, ПЗлМн 35, ПЗлМ37, ПЗлМ35, ПЗлН82.5).
Перед пайкой припоями ПСр72, ПЗлМ37, ПЗлМ35 на молибденомарганцевый слой гальванически наносится никель толщиной 2-3 мкм, который улучшает растекаемость припоев по металлизированной поверхности.
Остальные припои удовлетворительно смачивают металлизированную поверхность керамики и хорошо заполняют зазоры между соединяемыми деталями без дополнительного покрытия.
Нагрев под пайку рекомендуется осуществлять в среде сухого водорода или смеси азот-водород.
Металлические детали, подлежащие пайке с керамикой, изготавливаются чаще всего из ковара (сплав железо-никель-кобальт) или из меди. Все применяемые металлические материалы хорошо смачиваются перечисленными припоями и поэтому не требуют специальной подготовки.
Пайку металлокерамических узлов производят в печах, обеспечивающих медленный (не более 10-15 °С/мин) и равномерный нагрев, а также достаточно точный контроль температур. Скорость охлаждения узлов после пайки не должна превышать 10-15 °С/мин. Выдержка при температуре пайки обычно не превышает 5 минут.
В отличие от пайки по металлизации второй метод соединения керамики с металлами называют активным или непосредственным. Известно, что такие металлы, как титан и цирконий, при высокотемпературном нагреве активно взаимодействуют не только с газами и металлами, но и со многими химическими соединениями, входящими в состав керамики; в результате появляется возможность получать паяные соединения металла с керамикой без ее металлизации.
При пайке активный металл в зону соединения может вноситься либо в виде порошка чистого титана или циркония, либо в составе припоя. Иногда соединяемая с керамикой деталь изготавливается из титана или циркония, которые служат поставщиками активного металла в припой, который растворяет их в процессе пайки.
Для пайки с титаном применяется бериллиевая и алюмооксидная керамика различных марок. В качестве припоя чаще всего используется сплав ПСр 72. применяются также чистые медь и никель, которые в процессе нагрева под пайку образуют с титаном низкоплавкие соединения, смачивающие керамику, а также медно-титановые и никель-титановые сплавы в виде порошков или биметаллов.
Условием получения высококачественного соединения «титан-керамика» является, возможно, более плотное прилегание титановой детали к керамической в момент пайки.
Пайка металлокерамических соединений должна осуществляться в печах с разрежением не ниже 10-4 мм. рт. ст. (1,3310-2 Па). Подъем температуры пайки должен производиться со скоростью не более 15-20 °С/мин. Максимальная температура пайки на 20-40 °С выше температуры расплавления припоя или образования самого низкоплавкого соединения с активным металлом. Скорость охлаждения после пайки должна быть не более 10 °С/мин.
