книги / Справочник по пайке

Для сплавления слоя стеклянной пасты, наносимой на поверхность металла для предот­ вращения его переокисления, нагрев произво­ дят в муфельных, туннельных и конвейерных печах. Печной нагрев целесообразен для пайки деталей простой конфигурации (глазковых, окошечных спаев, коаксиальных вводов, сжа­ тых спаев, плоских ножек).

Нагрев стекла осуществляется за счет те­ плопроводности металла, нагретого при про­ пускании через него тока. Этот способ нагрева обеспечивает дозирование тепла и не требует высокой квалификации оператора.

Соединение стекла с металлом возможно за счет использования эмали. На соединяемые детали наносят слой эмалиевой пасты и место соединения нагревают до температуры ее плавления. При этом способе соединения уменьшаются внутренние напряжения, переокисление металла и обеспечивается получение разъемных вакуумно-плотных соединений.

После соединения стекла с металлом производят отжиг соединений для снижения внутренних напряжений.

Режим отжига выбирают с учетом ТКЛР соединяемых материалов и конструкции спая. С этой же целью применяют и оптимальный режим отжига или охлаждения для поддержа­ ния одинакового объемного сжатия металла и стекла в процессе охлаждения.

Для соединения стекла с другими материа­ лами применяются галлиевые пасты. В табл. 11 приведены сочетания материалов, для которых получено соединение с применением галлиевого припоя состава (массовые доли), %: 39,6 Ga; 4,4 Sn; 56 Си (порошок).

Существующие способы пайки кварцево­ го стекла (кварца) с металлами различаются в зависимости от агрегатного состояния кварца во время пайки. Кварц можно паять, доводя его до плавления, при высокой температуре, как и стекло, или вести процесс при более низких температурах, когда кварц находится в твердом состоянии.

При пайке кварца с его оплавлением ис­ пользуют переходные стекла с различными

ТКЛР, которые, сплавляясь друг с другом, об­ разуют постепенный переход от металла к кварцу таким образом, чтобы напряжения на отдельных границах между стеклами не пре­ вышали допустимых значений. В качестве ме­ талла для ввода применяют, как правило, вольфрам или молибден. Этот способ пайки кварца с металлами трудоемок, спаи имеют значительные размеры, механическая проч­ ность и теплоемкость невелики.

Более прогрессивным считается способ впаивания металлической фольги непосредст­ венно в кварц (ленточные спаи). При этом в качестве металлов используют вольфрам, мо­ либден, тантал, платину. Однако размеры фольги ограничены (ширина порядка несколь­ ких миллиметров, толщина 0,01 0,05 мм). Это ограничение связано с большой разностью ТКЛР соединяемых материалов. Иногда одно­ временно впаивают несколько одиночных тон­ ких вводов.

Существует способ пайки кварца с помо­ щью активных металлов. В этом случае на по­ верхность кварца наносится слой титана или циркония, пайка производится припоями, со­ держащими легкоплавкие металлы - олово, индий, галлий. В качестве конструкционного металла используют медь, серебро, золото.

По поверхности нанесенной на кварц пленки меди, никеля или серебра (гальваниче­ ски, металлизацией, вжиганием) можно произ­ водить пайку его с металлами малооловянистыми припоями с применением канифольных флюсов.

Пленка благородных металлов на кварце образуется по следующей технологии: на паяемую поверхность кварца наносят платино­ золотую краску, нагревают в вакууме до 550 580 °С до получения металлического блеска. Затем на поверхность кварца наносят пленку расплавленного индия при температуре 200 250 °С. При пайке кварца с медью на кварц предварительно наносят слой титана из порош­ ка гидрида титана, для чего используют пасту на амилацетате с добавкой биндера. Нагрев в вакууме (2,6 ... 6,5) • 10'3 Па при 1000 1050 °С

в течение 15 30 мин. В качестве припоя ис­ пользуют свинец. Пайка ведется в вакууме (2,6 6,5) Ю'3 Па при 750 800 °С.

Возможна пайка кварца непосредственно с титаном или цирконием припоем ПСр 72. При этом образуются прочные и термостойкие спаи. Активный металл можно применять в качестве присадки к припою, например при пайке кварца со сплавом 29НК припоем ПСр 72. Для этого поверхность кварца покрывали гидридом титана, образующим в вакууме чистый титан. Для соединения кварца с никель-кобальтовым сплавом применяют также припой системы Ag-Cu эвтектического состава и сердечник, содержащий 8 % Ti (массовые доли). Получен­ ные таким образом спаи сохраняют вакуумную плотность при повторном нагреве до 400 °С. При изготовлении ненапряженного спая кварца с металлами используют оловянно-титановый или свинцово-титановый припой.

Для пайки кварца успешно используют галлиевые припои (например, при производст­ ве пьезоэлектрических кварцевых резонато­ ров). При пайке галлиевыми припоями, содер­ жащими индий, олово и медь, термообработку этих спаев следует проводить в кислородосо­ держащей атмосфере при температуре не менее 100 °С.

Пайка кварца, покрытого алюминием и медью с никель-кобальтовым сплавом и лату­ нью, производится припоем следующего со­

выдержка - 20 мин. Пайка производится в ва­ кууме 5 10° Па при давлении сжатия образцов 3 МПа. Полученные таким способом паяные соединения имеют предел прочности при срезе тср = 12 15 МПа; могут работать в условиях нагрева (80 100 °С) при статическом давле­ нии 30 МПа, амплитудах пульсации давления

ПАЙКА СИТАЛЛА, ФЕРРИТА, САПФИРА С МЕТАЛЛАМИ

С и т а л л ы . Составы припоев и режимы пай­ ки ситаллов с металлами приведены в табл. 12. Для изготовления оптических газонаполненных электроразрядных приборов применяют ситалл марки СТЛ-ЗМ. В этих приборах должны оста­ ваться неизменными геометрия конструкции, механическая прочность и вакуумная плотность. На основе определения температурной зависимо­ сти ТКЛР, микротвердосги и структуры показано, что целесообразная температура его пайки,800 900 °С в вакууме 1,3 • 10‘2 Па

Пайку высокопластичным припоем с ад­ гезионно-активными добавками применяют для соединения ситалла с ситаллом, кварцем, стеклом, сплавом 29НК и медью. Герметизированные этим способом пайки приборы работа­ ют в условиях от -5 до +300 °С, стойки к тер­ моудару при -5 +65 °С, виброустой’чивы, надежно работают свыше 10 лет. Известно непосредственное соединение ситаллов с ме­ дью, сталями, сплавами никеля, хрома с желе­ зом и расплавленной стекломассой в процессе прессования изделия и последующего нагрева его для превращения стекла в ситалл (нагрев до

ферриты паяют с титаном, сплавами Фени-46, 29НК, 47НД в среде очищенного аргона или в вакууме 10'2 Па. Скорость нагрева 20 °С/мин. Более быстрый нагрев недопустим, так как приводит к растрескиванию ферритов. Пайку производят по металлизированной никелем поверхности феррита или без предварительно­ го покрытия. Составы припоев, режимы пайки и свойства паяных соединений приведены в табл. 13.

С а п ф и р . Пайка сапфира с титановым спла­ вом ВТ-16 осуществляется припоем ПСр 72 при 840 °С в течение 5 мин в вакууме 1,3 мПа. Паяное соединение подвергается последующе­ му старению при 450 °С в течение 3 ч в вакуу­ ме 13 мПа. Предел прочности паяного соеди­ нения 1270 1300 МПа.

Разработке технологического процесса серийного изготовления прецизионных рези­ стивных сборок на сапфировой подложке по­ священа статья [7].

ПАЙКА МЕТАЛЛА С КЕРАМИКОЙ

Известны и нашли широкое применение в производстве следующие виды пайки [8]:

-пайка металла с металлизированной керамикой (аналогично пайке металлов);

-активная пайка с использованием тита­ на и циркония в качестве компонентов припоя;

тпайка стеклоприпоем (глазурью);

-пайка по металлизированному слою;

-пайка неметаллизированной керамики под давлением.

Простейшие типы соединений керамики с металлами приведены на рис. 7.

П а й к а м е т а л л и з и р о в а н н о й к е р а м и к и .

В состав металлизационного покрытия, нано­ симого на керамику, входят: порошок молиб­ дена или вольфрама в количестве 75 95 % (по массе) и активные добавки марганца, крем­ ния титана (гидрида титана), железа, борида молибдена, ферросилиция, стекла и др. Выбор добавок определяется химсоставом керамиче­ ского материала и температурой спекания по­ крытия. в процессе которого происходит за­ крепление слоя металлизации на поверхности керамической детали. Составы применяемых для металлизации керамики паст приведены в табл. 14.

Компоненты паст перед приготовлением паст тщательно измельчают в ацетоне или эти­ ловом спирте. Для приготовления металлиза­ ционных паст используют раствор коллокси­ лина в изоамил-ацетате. Рецептура металлиза­ ционных паст из расчета на 300 г порошка приведена в табл. 15.

После нанесения паст детали поступают на вжигание. Температура вжигания для кера­ мических материалов, содержащих стекло (6 20 %), 1250 1450 °С. С уменьшением содер­ жания стекла температура вжигания может

После закрепления первого слоя порош­ ковым или гальваническим методом наносится второй слой (никеля, железа, меди). Состав и режим работы ванны для химического никели­

Перед никелированием детали травят в смеси соляной и азотной кислот в течение 4 8 с и промывают в проточной воде.

Сборка металлокерамических узлов осу­ ществляется при плотной посадке манжет на цилиндрические керамические детали с приме­ нением рычажных или винтовых процессов. При этом натяг манжеты на керамику не дол­ жен превышать 0,1 0,15 мм во избежание скола керамики и металлизационного слоя.

При сборке под пайку сущест венное значе­ ние имеет размещение припоя (рис. 8 и рис. 9). Режимы пайки металлокерамических узлов приведены на рис. 10. Пайку осуществляют в печах с защитной атмосферой. Рекомендуемое время выдержки и температура пайки металли­ зированной керамики с металлом приведены в табл. 16.

Для металлокерамических узлов (МКУ), изготовленных с применением пайки, особое значение имеет сохранение вакуумной плотно­ сти в условиях эксплуатации и хранения. Ваку­ умную плотность изделий контролируют мето­ дом испытания на термостойкость, по величи­ не которой оценивают технологическую и экс­ плуатационную надежность конструкций.

Правильно Неправильно

1

— 1

1 $

Рис. 8. Расположение припоя

Рис. 9. Потолочное (верхнее) закрепление припоя в телескопических соединениях керам ики с м еталлам и:

1 - керамика; 2 - фольга припоя; 3 - манжета; 4 - припой

Вопросам конструирования МКУ посвя­ щены работы [8, 9]. Исследованию термостой­ кости применительно к изделиям с различной конструкцией спая посвящена работа [10], в которой приведена оценка термостойкости трех вариантов МКУ с торцовым некомпенси­ рованным спаем, телескопическим и Т-образ- ным (рис. 11). Материал манжет - ковар 29НК, керамика ВК94-1, металлизированная молиб­ дено-марганцевым покрытием с гидридом ти­ тана (Mo-Mn-Ti Н2). В качестве второго слоя

ЛМ 4890. Термостойкость исследовалась путем нагрева и охлаждения в среде азота по режиму 50 - 600 - 50 °С. После каждого цикла нагреваохлаждения производилась проверка узлов на вакуумную плотность гелиевым течеискателем ПТН-10. Из исследованных трех типов конст­ рукций паяного соединения наибольшей тер­ мостойкостью обладают МКУ с Т-образной конструкцией спая (рис. 11, в), наименьшей - с телескопической (рис. 11,6).

Рис. 10. Реж имы пайки м еталлокерам ических узлов медью и медно-серебряной эвтектикой:

1 - 3 - изделия простой формы размером до 100 мм, манжеты медные (/) и коваровые (2,3); 4 , 5 - изделия сложной формы или размером до 250 мм

Рис. 11. Конструкции спаев

металлокерамнческнх узлов:

а- торцовый некомпенсированный;

б- телескопический; в -Т-образный

Как следует из проведенных исследова­ ний, термостойкость паяных соединений кера­ мики ВК94-1 с коваром 29НК, выполненных медью для диаметров до 25 мм, существенно зависит как от конструкции паяного соедине­ ния, так и от геометрии спаев.

ПАЙКА У ГЛ ЕРО Д -У ГЛ ЕРО Д И С ТЫ Х

КО М П О ЗИ Ц И О Н Н Ы Х М А ТЕРИ А Л О В

Углерод-углеродистые композиционные материалы (УУКМ) обладают высокой термо­ стойкостью (порядка 2000 К), что позволяет использовать их в энергетическом и химиче­ ском машиностроении. Перспективна высоко­ температурная пайка этих материалов для по­ лучения соединений с металлами. При пайке целесообразно применять припои на основе сплавов молибдена, ниобия, титана с темпера­ турой плавления до 2500 К.

При разработке паяных соединений УУКМ

сметаллами важно учитывать существенное от­ личие теплофизических характеристик металлов: теплопроводности, модуля упругости, прочности, коэффициента линейного расширения. Послед­ ний, например для материала КУП-ВИ-БС, очень

мал, приблизительно равен 6 Ю-6 1/К во всем интервале температур 293 ... 2273 К [11].

Металлизационное покрытое - металл

Молибден-марган- цевое покрытие (МоМп) без второго слоя - ковар

МоМп + второй слой Fe - ковар

МоМп + Ni - ковар

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Аникин Л. Т., Дергунова В. С., Кравецкий Г. А. Пайка и сварка графита. М.: Ме­ таллургия, 1978. 136 с.

2.Бережной А. И. Ситаллы и фотоситаллы. М.: Машиностроение, 1980. 348 с.

3.Курносов А. И., Юдин В. В. Техноло­ гия производства приборов и интегральных микросхем. М.: Высшая школа, 1979. 367 с.

4.Любимов М. Л. Спаи металла со стек­ лом. М.: Энергия, 1968. 280 с.

5.Маслов А. А. Технология и конструк­ ции полупроводниковых приборов. М.: Энер­ гия, 1970. 296 с.

6.Нагорный В. Г., Котосонов А. С.,

Островский В. С. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. М.: Металлур­ гия, 1975.334 с.

7.Зенин В. В., Знаменский О. В., Клычев А. И. Пайка кристаллов с пленочными резисторами на теплоотводы / В сб.: Сварка и пайка в производстве аппаратуры и приборов. Пенза: 1992.

8.Ерошев В. К., Козлов Ю. А., Павло­ ва В. Д. Конструирование и технология изготов­ ления паяных металлокерамических узлов. Ч. 1: Свойства материалов и технология изготовления металлокерамических узлов. М., 1988.

9.Ерошев В. К., Козлов Ю. А., Павло­ ва В. Д. Конструирование и технология изго­ товления паяных металлокерамических узлов.

Ч.2: Расчет и конструирование металлокера­ мических узлов. М., 1988.

10.Прибылов Ю. И., Титов В. И., Чер­ нов С. В. Исследования термостойкости ме­ таллокерам ических узлов с различной конст­ рукцией спая / В сб.: Роль процессов пайки в создании новой техники. М., 1996. Ч. II. С. 22.

11.Чикунов М. И., Семенченко М. В., Карташов Н. Г. Технологические особенности получения герметичного соединения углерод­ ных материалов с металлами методом высоко­ температурной пайки / В сб.: Новые энерго- и материалосберегающие технологии пайки в на­ родном хозяйстве. Тез. докл. Всесоюзн. науч.- техн. совещания. Смоленск, 1991. С. 83 - 88.

Прочность соединений встык определяется

где F - площадь поперечного сечения паяемого элемента; ст'р - предел прочности паяного шва

при растяжении (или сжатии).

Прочность косых швов можно рассчитать по аналогичной формуле

где F' - площадь шва; т'ср - предел прочности

паяного стыкового шва при срезе.

Соединения внахлестку при пайке обес­ печивают равнопрочность соединения и паяе­ мого материала; длину нахлестки находят из

где т'ср - предел прочности при срезе паяных

внахлестку швов; b - ширина соединяемых элементов; / - протяженность паяного шва:

На рис. 1 приведены зависимости проч­ ности паяных соединений из разных марок сталей от длины нахлестки. Пайка производи­ лась медно-цинковым припоем Л63.

Всоединениях полос с элементами угол­ кового профиля протяженность шва зависит от соотношений толщин сочленяемых элементов.

Втелескопических трубчатых конст­ рукциях длина нахлестки при растягивающих силах определяется из соотношения:

где R - радиус трубы.

Паяные швы в соединениях втавр редко работают на растяжение, чаще - на срез в кон­ струкциях, испытывающих изгибающие мо­ менты. Напряжение среза

ции всего сечения; 8 - толщина вертикального листа, равная протяженности шва; S - статиче­ ский момент площади пояса относительно цен­ тра тяжести сечения.

В большинстве случаев напряжения сре­ за в поясных швах при поперечном изгибе незначительны и намного ниже допускаемых при срезе.

КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Концентрация напряжений в соедине­ ниях, паянных встык. Соединения, паянные встык, работают под нагрузкой аналогично сварным с мягкой прослойкой. Предел текуче­ сти паяного шва - мягкой прослойки - меньше предела текучести паяемого материала соеди­ няемых частей; модуль упругости паяного шва £ ' меньше модуля упругости паяемого материала Е (в мягких прослойках при сварке, как правило, £ ' мало отличается от Е).

При работе соединения встык в пределах упругих деформаций прослойка испытывает упрочнение. В результате взаимодействия пая­ емого материала с припоем повышаются проч­ ностные свойства шва, в частности возрастает предел текучести. Продольные деформации в паяемом материале е. = a . / Е (стг нормальные напряжения) вызывают поперечное сужение,

равное |ier; продольные деформации в про­ слойке е'г = о : /Е' обусловливают поперечное

сужение прослойки цб'2 > це, (ц - коэффици­

ент Пуассона).

В паяных соединениях стержней круглого поперечного сечения в результате неодинако­ вого поперечного сужения стержня и прослой­ ки на границе в стержне возникают напряже­ ния сжатия. Кольцевая прослойка подвергается равномерному растяжению по радиальным направлениям при напряжениях

Рис. 2. Паяное соединение встык с мягкой прослойкой:

схеманагружения; б- поле напряжений в прослойке

В прослойке образуются также напряже­ ния растяжения в окружном направлении а, = стг

Таким образом, в пределах упругих де­ формаций в кольцевой прослойке реализуется трехосное растяжение, связывающее незначи­ тельную концентрацию напряжений, так как стг и а, значительно меньше с г, но их возникнове­ ние способствует повышению предела текуче­ сти и понижению пластичности прослойки.

В пластическом состоянии поле напряже­ ний в мягкой прослойке толщиной 8 показано на рис. 2. Предел текучести прослойки при одноосном напряженном состоянии обозначим стт. Из теории пластичности известно, что наи­ большие напряжения возникают в прослойке на контактных поверхностях. Если допустить, что модули упругости прослойки £ ' и паяемого

где R - радиус стержня цилиндрической фор­ мы; 8 - ширина шва; г - радиус, определяющий положение точки в сечении.

Наибольшие напряжения возникают при г = 0, т.е.

мулами (10) и (11), невозможно. Задолго до образования в сечении полной текучести на­ пряжения ст. достигают значений, при которых происходит разрушение стержня, т.е. пласти­ ческий характер разрушений невозможен. Раз­ рушение прослойки хрупкое. Аналогичное яв­ ление наблюдается в стержнях с поперечными сечениями некруглой формы.

Характер работы паяной прослойки при модуле упругости £', приближающемся к весь­ ма малой величине, отличается от рассмотрен­ ного при £ '« £.

Однако и в этом случае текучесть на кон­ тактных поверхностях возможна лишь при весьма больших значениях а г, ведущих к раз­ рушению стержней.

Таким образом, при всех значениях £', отличных от £, мягкие прослойки при пайке встык разрушаются хрупко.

Концентрация напряжений в соедине­ ниях внахлестку. Концентрация напряжений вследствие неравномерной работы спая по дли­ не. Распределение касательных напряжений q по длине нахлестки в направлении действия сил происходит неравномерно и почти аналогично распределению напряжений в сварных фланго­ вых швах. Для соединения двух изделий с рав­ ными площадями поперечных сечений £ (рис. 3)

наибольшее значение q на единицу длины пая­ ного шва в концевых точках определяется сле­ дующим уравнением:

а Р ( l + ch aA

( 12)

9"“ " Т [ sha/ У

р .__

Рис. 4. Паяное соединение внахлестку

где G - модуль упругости паяного шва при сдвиге; b - ширина образца; £ - модуль упру­ гости паяемого материала при растяжении; 50 - толщина мягкой прослойки (шва).

Если из условия статической равнопрочности паяного шва и паяемого материала при­ нять / = 25 и F = ЪЬ (8 - толщина образца), то

Коэффициент концентрации напряжений в паяном шве

Если модуль упругости мягкой прослойки медно-цинкового припоя Л63 принять равным 98 000 МПа, модуль сдвига G = 39 200 МПа, модуль упругости стали £ = 196 000 МПа, то G /Е = 0,4. Чем меньше отношение G /£ , тем меньше коэффициент концентрации.

Выравнивание касательных напряжений и устранение концентрации напряжений воз­ можно лишь при очень больших пластических деформациях; при малых пластических дефор­ мациях концентрация напряжений в паяных соединениях возникает и монотонно снижается в процессе деформирования.

Образование пластических деформаций в соединениях внахлестку сопровождается сни­ жением коэффициентов концентрации напря­ жений в крайних точках соединений и вырав­ ниванием эпюры распределения q (см. рис. 3) по длине соединения, что характерно для пая­ ных швов.

Концентрация напряжений, вызванная изгибом элементов. Соединения, паянные вна­ хлестку, как и сварные (точечные и роли­ ковые), имеют эксцентриситеты, вызывающие

где а 0 - напряжение в элементах от растяги­ вающих сил; /„ - длина нахлестки; 5 - толщина элементов.

Значения напряжений изгиба зависят от величины нахлестки и толщин элементов: чем больше нахлестка и тоньше соединяемые эле­ менты, тем меньше напряжения изгиба.

Теоретический коэффициент концентрации

* т= 1 + стиМ>

При 6 -> 0 а и -» 0; Kr = 1; при больших толщинах сти возрастают, КТ = 4.

ПРОЧНОСТЬ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Прочность паяных соединений зависит от свойств паяемого и присадочного металлов, флюсующих сред, режима пайки. Взаимодей­ ствуя с соединяемыми металлами, припой не должен образовывать хрупких фаз.

Рис. 5. Зависимость предела прочности паяных соединений:

а - от ширины зазора; б - от площади шва