книги / Справочник по пайке

процессе лужения и пайки должно быть пре­ дельно ограниченным. Отклонение температу­

халькогенидов сурьмы и висмута в качестве припоев применяют сплавы, содержащие вис­ мут, свинец, олово, кадмий, сурьму, теллур, алюминий, галлий, индий, серебро. При произ­ водстве терморегулирующих устройств приме­ няют припои и флюсы, приведенные в табл. 3 и 4. Припои № 2 и 3 (табл. 3) используют также для однослойного и двухслойного лужения полу­ проводников. При пайке полупроводников этого типа большинство процессов выполняет­ ся вручную. Для условий массового производ­ ства процесс пайки механизирован.

Полученное таким путем паяное соедине­ ние должно обеспечивать определенное сопро­ тивление контакта площадью 1 см2 Это требова­ ние к качеству пайки ужесточается с уменьшени­ ем высагы ветвей полупроводников (для ветви высотой порядка 2 мм сопротивление контакта площадью 1 см2 не более 1 10"6 Ом • см2). Кроме того, соединение должно быть виброустойчивым, коррозионно-стойким и выдерживать заданное время работы в условиях термоциклирования от 100 °С до 0 °С в течение 10 000 ч, сохраняя требуемые эксплуатационные свойства.

3. Составы припоев для пайки

полупроводников на основе халькогенидов сурьмы и висмута

4. Составы флюсов для пайки

полупроводников на основе халькогенидов сурьмы и висмута

Подготовка поверхности полупровод­ ников типа халькогенидов к облуживанию включает следующие этапы:

- удаление консервирующего слоя пара­ фина обезжириванием в бензине (или четырех­ хлористом углероде) при 90 °С в течение 5 мин и последующая промывка изделия в горячей воде;

- шлифование образцов с двух сторон до оптимальной толщины абразивной пастой М-14 (раствор порошка окиси алюминия дис­ персностью 14 мкм в воде) в течение 5 мин при механизированном производстве. При этом производится снятие дефектных слоев (0,2 0,3 мм), образовавшихся в процессе разрезания полупроводников. При обработке вручную кроме шлифования производится также поли­ рование поверхности образца.

Обезгаживание поверхности полупровод­ ников достигается выдерживанием их в экси­ каторе в течение двух суток.

Хранить подготовленные к облуживанию образцы следует в герметичных сосудах с при­ тертыми пробками.

Облуживание полупроводников. При облуживании вручную используют паяльник с никелевым наконечником; применение медно­ го наконечника недопустимо, так как при взаимодействии полупроводника с медью об­ разуются соединения теллура, обладающие большим электросопротивлением. Механизи­ рованное облуживание производится погруже­ нием деталей (в кассете) в расплав припоя с одновременной активацией поверхности меха­ ническим способом или ультразвуком.

Облуживание и пайка материалов теп­ лообменников. При облуживании меди приме­ няют такие же флюсы и припои, как и при об­ луживании полупроводников ПВДХ-1 и ПВЭХ-1 однослойным и двухслойным спосо­ бами (табл. 5).

При облуживании алюминия в качестве припоев для первого слоя (ультразвуковое лу­ жение) применяют припои на основе цинка, для последующих слоев - припои, используе­ мые в качестве поверхностных слоев для луже­ ния полупроводников; облуживание алюминия, плакированного медью, производят аналогично облуживанию меди.

Технология пайки полупроводников с те­ плообменниками определяется коммутацион­ ным материалом, используемым для изготов­ ления теплообменника (медь или алюминий).

Составы припоев, режимы пайки и свой­ ства паяных соединений полупроводников

ПВДХ-1 и ПВЭХ-1 с теплообменниками, изго­ товленными из меди и алюминия, приведены в табл. 5.

Обработка терморегуляторов после пай­ ки и контроль качества. Для защиты от корро­ зии в результате попадания влаги на изделие после пайки наносят лакокрасочные покрытия.

Качество коммутации терморегуляторов оценивают по электрическим характеристикам и величине тепловых потерь соединения в от­ дельных его элементах (при пайке вручную) и в сборе. Электрическое сопротивление паяных термоэлементов определяют одно- и двухзондовыми методами. Тепловые потери оценива­ ют по термостойкости припоев и по добротно­ сти термоэлемента по методу «заморозки».

ПАЙКА ГРАФИТА СО СТАЛЯМИ

Небольшая плотность графита, высокая теплопроводность, близкая к теплопроводно­ сти металлов, а также более высокая термо­ стойкость, чем у большинства керамических материалов, обусловили его применение в раз­ личных отраслях техники. С повышением тем­ пературы до 2000 2500 °С прочность графи­ та возрастает; при этих температурах он имеет наибольший предел прочности из всех извест­ ных материалов. Графит имеет слоистую структуру, что позволяет ему быть хорошим самосмазывающимся материалом, легко обра­ батывается, обладает низкой химической ак­ тивностью ко многим реагентам.

Соединение графита с графитом и метал­ лами вызывается экономическими соображе­ ниями, а также необходимостью реализации положительных свойств графита. Примерами таких конструкций являются длинномерные нагреватели, тигли и лодочки для плавки ме­ таллов, электроды дуговых печей, крупногаба­ ритные аноды ртутных выпрямителей, нагревате­ ли шахтных печей, высокотемпературные тепло­ обменники, тепловыделяющие элементы и др.

Пайка является наиболее технологичным

иэкономически выгодным методом соедине­ ния графитовых материалов, обеспечивающим получение высокопрочных, электропроводных

игерметичных соединений; может применять­ ся капиллярная, контактно-реакционная, диф­ фузионная пайка и пайко-сварка.

Графит удовлетворительно смачивается тугоплавкими металлами (титан, цирконий, кремний, гафний, ванадий, ниобий, вольфрам, молибден), металлами группы железа, алюми­ нием, а также кремнием и бором.

СТАЛЯМИ СО ГРАФИТА ПАЙКА

303

Основной стадией процесса пайки графи­ та с металлами является его пропитка расплав­ ленным припоем. Образующийся при этом металлический каркас определяет прочность паяного соединения.

Трудность соединения графитовых мате­ риалов с металлами обусловлена существен­ ным различием их теплофизических и физико­ механических характеристик: теплопроводно­ сти, модуля упругости, прочности и особенно теплового расширения. Поскольку графит - сравнительно хрупкий и малопрочный матери­ ал, то возможно разрушение графитовой дета­ ли в зоне соединения. Снизить уровень внут­ ренних напряжений в соединении можно при выполнении следующих условий:

-уменьшение температуры пайки;

-подбор материалов, максимально близ­ ких по ТКЛР к графиту в диапазоне температур нагрева;

-применение пластичных припоев или промежуточных прослоек из молибдена, вольфрама, титана, циркония, сплава 29НК, предел упругости которых ниже или близок к пределу прочности при растяжении графитово­ го материала;

-выбор конструкции соединения, при ко­ тором на графит воздействуют только напря­ жения сжатия;

-создание неравномерного температур­ ного поля, при котором металлические детали нагреваются при пайке до более низкой темпе­ ратуры, чем графитовые.

Наиболее характерные конструкции пая­ ных соединений графита с металлами приведе­ ны на рис. 1.

Пайка графита со сталями. Для соеди­ нений графитовых электродов со стальными штангами применяют контактно-реактивную пайку, что позволяет уменьшить величину «огарка» электрода, повысить электропровод­ ность зоны перехода и удешевить способ со­ единения. Глубина проникновения расплава припоя в поры графита и предел прочности паяного соединения при разрыве зависят от давления сжатия (рис. 2). Оптимальная темпе­ ратура контактно-реактивной пайки составляет 1150 1200 °С в атмосфере защитных газов или на воздухе. Использование флюсов не обя­ зательно, так как восстановление окислов ста­ ли осуществляется углеродом графита.

Пайка в воздушной среде целесообразна лишь для деталей большого сечения, так как при нагреве происходит окисление и разрых­ ление графита с потерей прочности.

a) S) в) г) в)

Р и с . 1 . Т и п ы к о н с т р у к ц и й п а я н ы х с о е д и н е н и й

г р а ф и т а с м е т а л л а м и :

а, б, в - стыковые; г - стыковое с заглублением; д - охватывающее

При контактно-реакционной пайке спла­ вов железа с графитом происходит диффузия активных карбидообразующих компонентов сплава в зону спаев с образованием погранич­ ных слоев, обогащенных карбидами этих эле­ ментов.

Оптимальный режим контактно-реакци­ онной пайки графита плотностью 1,6 1,9 г/см3 с низкоуглеродистой сталью следующий: на­ грев со скоростью более 100 °С/мин до 1150 1200 °С, выдержка при этой температуре 1 2 мин, охлаждение в печи или на прессе горя­

чего прессования при отключенном токе, дав­

сталями ограничена их толщинами (не более 15 мм). Оптимальный режим пайки следую­

ления процесса при более низких температу­ рах, формирование шва из более пластичного материала, использование промежуточных компенсационных элементов, снижающих

уровень внутренних напряжений, что особенно важно при пайке графита с коррозионно-стой­ кими и жаростойкими сплавами, имеющими отличные от графита ТКЛР.

В зависимости от назначения изделий для соединения графитовых и стальных материа­ лов применяют низкоили высокотемператур­ ную пайку.

Низкотемпературную пайку используют в основном при изготовлении торцовых уплот­ нений, подпятников, радиальных и упорных подшипников, рабочая температура эксплуата­ ции которых не превышает 200 250 °С. При этой пайке применяют припои на основе олова, свинца, висмута, кадмия и сурьмы. Перечис­ ленные припои не смачивают чистый графит, поэтому они рекомендуются для пайки графи­ та, пропитанного металлами, или графита с предварительно нанесенным покрытием. В ка­ честве покрытий наиболее часто применяют медь и никель. Меднение графита производят в

Высокотемпературную пайку графита со сталью широко используют при изготовлении отдельных узлов ядерных реакторов, а также для соединения графитовых электродов с то­ коведущими элементами, уплотнительных ко­ лец и вкладышей с металлическими обоймами.

При пайке графита с никель-кобальтовым сплавом рекомендуется припой с бблыиим, чем у графита, ТКЛР. После охлаждения металла паяного шва в соединении возникают напря­ жения сжатия, что позволяет использовать более высокий предел прочности графитового материала при сжатии (примерно в 3 раза больший, чем при растяжении).

Зазоры в этом случае рекомендуется на­

никающих в зоне шва.

Составы припоев, режимы пайки и свой­ ства паяных соединений графита с металлами приведены в табл. 6. Характеристикой токове­ дущих конструкций является электропровод­ ность зоны паяного соединения; в случае исполь­ зования припоя состава (массовые доли), %: 80Cu, 10Sn, 1 OTi электропроводность соедине­ ния примерно в 1,5 раза выше, чем при кон­ тактно-реакционной пайке.

Пайка графита с тугоплавкими метал­ лами. В процессе пайки требуется особо чис­ тая среда, так как даже незначительное содер­ жание кислорода, азота, водорода или углерода (до КГ4 %) сопровождается трещинообразованием в тугоплавких металлах.

Широкое применение для соединения ту­ гоплавких металлов с графитом нашли высоко­ температурная пайка в печах с контролируемой атмосферой и пайко-сварка с использованием электронного луча и газоэлектрической дуги. Предотвращение науглероживания и охрупчи­ вания металла достигается предварительным нанесением на соединяемые поверхности по­ крытия из пластичных металлов, не образую­ щих в контакте с графитом сплошных хрупких карбидных диффузионных слоев, а также при­ менением припоев с основой из пластичных металлов, инертных по отношению к графиту, и введением в них карбидообразующих доба­ вок для обеспечения смачиваемости. Металли­ зацию графита производят плазменным или электролитическим способом.

Составы припоев и свойства паяных, со­ единений графита с тугоплавкими металлами приведены в табл. 7. Свойства паяных соеди­ нений графита с молибденом, ниобием, танта­ лом приведены на рис. 3 (температура пайки 940 1000 °С, выдержка 5 10 мин).

Соединение графита с титаном использу­ ется при креплении графитовых колец торцо­ вых уплотнений в титановой обойме и в каче­ стве промежуточного слоя при соединении графита со сталью. В этом случае применяют дуговую пайко-сварку вольфрамовым электро­ дом в защитной атмосфере аргона. Режим пай- ко-сварки титана с силицированным графитом

920 960 J000 fOW Т,°С

Р и с . 3 . С в о й с т в а п а я н ы х с о е д и н е н и й г р а ф и т а

с м е т а л л а м и :

/ - с молибденом; 2 - с ниобием; 3 -с танталом

МАТЕРИАЛОВ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИДРУГИХ ГРАФИТА ПОЛУПРОВОДНИКОВ, ПАЙКА 306

Для улучшения растекания припоя по силицированному графиту необходим предвари­ тельный подогрев до 500 600 °С. Предел прочности соединения при срезе 23 МПа при 20 °С и 3,0 ... 3,5 МПа при 900 °С.

При пайке графита Вар 253-V и титаново­ го сплава ВТ 1-0 необходима металлизация графитового образца алюмокремниевым спла­ вом (массовые доли), %: 85 А1 + 15 Si при 1150 °С в вакууме 13 Па. Пайку металлизиро­ ванного графита производят нагревом плотно поджатых соединяемых элементов при темпе­ ратуре до 900 °С в течение 10 15 с. В каче­ стве припоя служит слой металлизации на по­ верхности графита. Для соединения графита с тугоплавкими металлами применяют элек­ тронно-лучевую пайко-сварку. Способ нашел применение для соединения графитового анода с металлическим токопроводом в химической и электротехнической промышленности; графи­ тового диска с молибденовым цилиндром (де­ таль баллона разрядника). Соединения выдер­ живают 50-кратное термоциклирование от 1300 до 20 °С.

Пайка графита с медью. Трудности при пайке графита с медью связаны с практически отсутствующим химическим взаимодействием между ними и существенным различием физи­ ко-механических свойств.

Пайка этих материалов осуществляется за счет применения промежуточных прослоек и припоев, содержащих металлы, поверхностно­ активные к углероду (титан, цирконий^ никель, коррозионно-стойкая сталь). Составы припоев,

режимы пайки и свойства паяных соединений графита с медью приведены в табл. 8.

Успешно осуществляется контактно-ре­ акционная пайка графита с медью. Пайку гра­ фита с медью припоями на основе меди или серебра можно проводить и на воздухе, ис­ пользуя стандартные флюсы № 200, 201, 209.

Пайка силицированных графитов со

сталью. Составы припоев, режимы пайки и свойства паяных соединений силицированных графитов со сталью приведены в табл. 9. Гра­ фитовые изделия со стальными можно паять с применением стандартных припоев на медной, железной, свинцовой и оловянной основах. Для обеспечения смачиваемости на поверхность графита предварительно наносят силикатную или боросиликатную пленку толщиной 0,1 0,2 мм путем объемной или поверхностной пропитки графита кремнием или его сплавом с бором по следующему режиму: температура

и выдерживают 20 40 мин.

Пайка графита с графитом. Соединение графитовых деталей между собой требуется при создании из них блоков или же при изго­ товлении изделий из графитов с различными физико-механическими свойствами.

Искусственный графит, начиная с 400 °С, легко окисляется, разрыхляется и теряет проч­ ность. Для сохранения его свойств пайку

При пайке металлов со стеклом исполь­ зуют газовый нагрев, индукционный, в печах, сопротивлением.

Газовый нагрев применяют для бусинковых и ленточных спаев, для изготовления Гре­ бешковых и плоских ножек. Эти виды соеди­ нений выполняются при радиационном нагреве горелкой в печах, с помощью простых приспо­ соблений или на универсальных горизонталь­ но-заварочных станках для стеклодувных работ.

Индукционный нагрев целесообразно применять для изготовления рантовых, диско­ вых и других типов соединений. При этом ис­ пользуют генераторы мощностью до 30 кВт и специальное оборудование.

Рис. 5. В лияние тем пературы нагрева на относительное удлинение при пайке со стеклом:

а - металлов; б и в - сплавов

Рис. 6. Влияние тем пературы нагрева на относительное удлинение электровакуумны х стекол