ЛЕКЦИЯСПАИМЕТАЛЛАСКЕРАМИКОЙ (Лекции по спецтехнологиям)

МГТУ им.Н.Э.Баумана. Кафедра МТ-11 «Электронное машиностроение»Курс лекций «Технология производства изделий электронной техники». Преподаватель Бычков С.П.ЛЕКЦИЯСПАИ МЕТАЛЛА С КЕРАМИКОЙ.Керамикаэтотвердоехрупкоенеорганическоевещество,получаемоевысокотемпературным спеканием минералов, силикатов, карбидов, оксидов металлов и другихсоединений. Любая керамика одновременно включает в себя три фазы: кристаллическую,стекловидную (аморфную) и газовую.Кристаллическая фаза (например, структура Al2O3) определяет основные физикохимические свойства и особенности рассматриваемой керамики.Стекловидная фаза (как правило, состоит из диоксида кремния SiO2) оказывает заметноевлияние на свариваемость с металлами, способствует спеканию керамики и при небольшомпроцентном содержании (от 1 до 10%, максимально 15%) повышает ее механическую прочность.Повышенное содержание стекловидной фазы ухудшает диэлектрические и термомеханическиесвойства керамики.Газовая фаза имеет место вследствие наличия пор в керамике, образующихся приприготовлении керамической массы и ее формовании, содержащих летучи компоненты,выделяющиеся в процессе обжига.Преимущества керамики по сравнению со стеклом:-более высокая механическая прочность и термостойкость;-малые диэлектрические потери при высоких частотах и высокое пробивное напряжение;-устойчивость к действию излучений, в т.ч.

α-излучения, нейтронных потоков и γ-лучей;-более полное обезгаживание при вакуумной обработке прибора;-возможность изготовления керамики с любым требуемым коэффициентом термическогорасширения (КТР);-устойчивость к длительному воздействию влаги и химически активных веществ (разрушаюткерамику только плавиковая кислота, расплавы щелочей и щелочные карбонаты).Керамические и металлокерамические детали и соединения в электровакуумномпроизводстве применяются в качестве:-изоляторов, разделяющих электроды;-оболочек электронных металлокерамических ламп (например, СВЧ-приборов);-вакуум-плотных вводов приборов;-выходных устройств мощных СВЧ-приборов (в виде диэлектрических окон, служащих длявывода в волноводный тракт генерируемой прибором энергии электромагнитного поля).При конструировании приборов с использованием керамики следует предусматривать защитукерамических деталей от бомбардировки рассеянными электронами, иначе возможновозникновение вторичной электронной эмиссии,в результате чего керамическая детальзаряжается до положительного потенциала близлежащего электрода.

При этом под действиемэлектронной и ионной бомбардировки оксиды, входящие в состав керамики, интенсивноразлагаются, и она становится источником интенсивного газовыделения (особенно кислорода).Технологический процесс изготовления керамических деталей заключается впоследовательном проведении следующих операций:-синтезирование и диспергирование керамических порошков;-формование керамических деталей из порошков (прессование и спекание, литье, прессовкаштамповка и др.), при этом для всех методов рекомендуется проведение предварительноговакуумирования керамической массы для удаления воздушных пузырьков и повышения вакуумнойплотности, механических и изоляционных свойств керамики;-отжиг формованных керамических изделий:а) предварительный – производится до температуры 900÷1000°C (при температурах до 300°Cпроисходит выгорание органической связки, удаление механически связанной и гигроскопичной1МГТУ им.Н.Э.Баумана.

Кафедра МТ-11 «Электронное машиностроение»Курс лекций «Технология производства изделий электронной техники». Преподаватель Бычков С.П.воды, а также горючих примесей углерода, серы и их летучих соединений, в интервале температур300÷600°C - удаление кристаллизационной и химически связанной воды, окончательноевыжигание остатков органической связки, разложение карбонатов и сульфатов с образованиемоксидов и выделением газообразных продуктов, в интервале температур 600÷1000°C – полноеудаление углерода и спекание керамики в результате плавления легкоплавких примесей (флюсов,плавней) и растворения в них тугоплавких компонентов керамической массы);б) окончательный - производится, в зависимости от состава керамики, при температурах1300÷1750°C, при окончательном отжиге изменяется структура керамической массы, образуютсякристаллическая и стекловидная фазы, мелкие кристаллы объединяются в крупные агрегаты,происходит уплотнение (усадка) керамики (следует отметить, что даже незначительныеотклонения от оптимальных режимов окончательного отжига резко ухудшают свойства керамики);-механическая обработка (шлифование с использованием алмазных кругов);-окислительный обжиг перед монтажом в прибор (в воздушной среде при температуре800÷1000°C в течение двух часов).Подбор материалов пары «металл-керамика» проводят по КТР и конструкции спая.Общим правилом для образования прочных соединений является подбор материалов сблизкими КТР в интервале температур от комнатных до температуры спаивания, то есть.получение согласованных спаев.Наиболее простым и отработанным способом получения несогласованных спаев металла икерамики при несовпадении их КТР является получение «лезвийных» спаев – спаев керамическойдетали с металлической диафрагмой, имеющей малую толщину (примерно 0,1-0,5мм), чтопозволяет выравнивать сжатие металлической и керамической детали за счет деформации этоготонкого «лезвия» при остывании спая.В охватываемых спаях, где металл находится внутри керамики, КТР металла должен бытьниже КТР керамики, в этом случае в керамике в области спая образуются сжимающие напряжения(менее опасные для керамики, чем напряжения растяжения).

В охватывающих спаях, где металлохватывает керамику, КТР металла должен быть из этих же соображений больше КТР керамики.При большой разности КТР рекомендуется коническая конструкция охватывающего спая, вэтом случае различное тепловое расширение металла и керамики компенсируется перемещениемметаллической детали, что позволяет сохранить требуемый зазор для припоя.В случаях, когда керамику нужно соединить с массивной металлической деталью, фланцыследует выполнять с сильфонами (гофрами) или мембранами, которые гасят возникающие приизменениях температуры напряжения.Возможно использование мягких и эластичных металлов и сплавов (например, меди) дляполучения несогласованных спаев за счет пластической деформации этих металлов под действиемвозникающих напряжений.Вакуумно-плотные спаи металла с керамикой получают различными способами,основными являются следующие:-пайкой металла и предварительно металлизированной керамики твердыми припоями(пассивная технология);-пайкой активного металла и неметаллизированной керамики твердыми припоями (активнаятехнология);-диффузионной сваркой металла и керамики.Основными операциями пассивной технологии являются: подготовка керамики,приготовление и нанесение пасты на керамические детали, вжигание металлизирующего покрытияв керамику, нанесение металлизационных гальванических слоев, подготовка металла и, наконец,собственно пайка.2МГТУ им.Н.Э.Баумана.

Кафедра МТ-11 «Электронное машиностроение»Курс лекций «Технология производства изделий электронной техники». Преподаватель Бычков С.П.Подготовка керамики заключается в промывке в специальных растворах и обезжиривании(например, в трихлорэтилене) с последующим прокаливанием при температуре до 200°C.Наиболее пригодной для данного способа спаивания считается стеатитовая керамика, так какона содержит избыток кислотных оксидов, которые способствуют повышению прочностисцепления металла с поверхностью керамики.Нанесение металлизационной пасты на керамику происходит путем пульверизации, намазки,окунания, с помощью металлизационных лент, шелкографией:-при нанесении пасты путем пульверизации или намазки толщина покрытия составляет 3085мкм, регулируют толщину изменяя вязкость пасты, ее количество, скорость вращения детали,при этом не подлежащие покрытию пастой места изолируются (например, хлорвиниловой лентойили специальными оправками);-при нанесении пасты с помощью металлизационной ленты поверхность керамики переднанесением смачивается для лучшей адгезии растворителем (например, бензолом или спиртом), врезультате чего лента прилипает к керамике и легко отделяется после высыхания растворителя отполиэтиленовой подложки, на которой она находилась;-нанесение пасты шелкографией производится чаще всего на плоские поверхности(например, платы микросхем) выдавливанием на керамическую плату через фольговый илисетчатый капроновый трафарет с помощью резиновой или полиуретановой соскабливающейлопатки-ракеля, который давит на пасту и гонит ее перед собой, заставляя заполнять отверстия натрафарете, причем достаточное давление возникает уже при скорости ракеля 200мм/сек.Металлы, применяемые для предварительной металлизации керамики, должны иметьхорошую смачиваемость припоем и не растворяться в серебряном припое.

Чаще всего дляметаллизации используют порошок молибдена (т.н. молибденовая технология) или смесьпорошков молибдена и марганца (т.н. молибдено-марганцовая технология). Применение смесипорошков молибдена и марганца более целесообразно, так как марганец имеет повышеннуюокислительную способность, что позволяет на 40÷100°C снизить оптимальную температуруспекания в атмосфере увлажненного водорода и применять для изготовления спаев не толькостеатитовую керамику, имеющую избыток свободных кислотных оксидов, но и форстеритовую,алюмооксидную и алюмосиликатную. Основной недостаток молибдено-марганцевой металлизации– испарение марганца при высоких температурах прибора в процессе его эксплуатации, чтоприводит к отравлению катодов.Вжигание металлизирующего покрытия в керамику производят в защитной атмосфере(например, в водороде) в печах (для молибдено-марганцовых паст – при температурах1250÷1400°C, с увеличением содержания Al2O3 в керамике - при 1500÷1600°C, выбраннаяоптимальная температура должна поддерживаться с точностью ±5°C).После этого производится нанесение металлизационного слоя из никеля или железагальваническим или химическим способом при толщине никеля 3-5мкм, железа – 7-10мкм.Никелевое покрытие (в отличие от молибдена) хорошо смачивается расплавленным серебрянымприпоем и улучшает его растекание по поверхности спая; при пайке без никелирования сереброрастекается плохо, не заполняет щели и неровности, спай получается негерметичным имеханически непрочным.Подготовку металлических деталей проводят так же, как подготовку металлических деталейперед спаиванием со стеклом.

Обычно применяют детали, изготовленные из меди, ковара,молибдена, вольфрама, железоникелевых сплавов и др. Для предотвращения межкристаллитногопроникновения серебряного припоя в ковар и сплавы типа «фени» детали меднят до толщины 2530мкм и спекают полученный слой меди в водороде при 850÷900°C.Пайку металла и металлизированной керамики осуществляют в печах с защитнойатмосферой. Скорость нагрева для тонкостенных изделий не превышает 20°C/мин, для3МГТУ им.Н.Э.Баумана. Кафедра МТ-11 «Электронное машиностроение»Курс лекций «Технология производства изделий электронной техники». Преподаватель Бычков С.П.крупногабаритных (100÷250мм) - 10°C/мин. Время выдержки стремятся сократить до 0,5÷2,0мин,чтобы избежать растворения металлизационного слоя припоем.