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.

СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Оценка качества соединений методами разрушающего контроля

Механические испытания сварных и паяных соединений. Механические испытания соединений - эффективные методы контроля и оценки качества сварных и паяных соединений при обработке технологии сборки изделий. Основные методы определения механических свойств …

Оценка качества соединений и приборов методами неразрушающего контроля

Контроль внешним осмотром. Одним из основных средств отбраковки потенциально ненадежных изделий является контроль соединений внешним осмотром. Такой контроль позволяет, например, выявлять следующие дефекты, возникающие при сборке микросхем: отслоение металлизации контактных …

Общие сведения о контроле качества изделий электронного машиностроения

Высокие требования, предъявляемые к электронным приборам, предопределяют использование разнообразных и надежных методов контроля качества сварных и паяных соединений. Большинство известных методов оценки качества сварных и паяных соединений используют при контроле …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.