Brasatura di ceramica e metalli: Spiegazioni

1. Caratteristiche della brasatura

La brasatura di ceramica su ceramica o di ceramica su componenti metallici può essere piuttosto impegnativa. La maggior parte dei metalli d'apporto per la brasatura forma forme sferiche sulla superficie della ceramica, con conseguente scarsa o nulla bagnatura.

I metalli d'apporto per la brasatura che possono bagnare la ceramica tendono a formare vari composti fragili all'interfaccia del giunto (come carburi, siliciuri e composti ternari o multicomponenti), che influiscono sulle proprietà meccaniche del giunto.

Inoltre, a causa delle significative differenze nei coefficienti di espansione termica tra ceramica, metalli e metalli d'apporto per la brasatura, sollecitazione residua possono essere presenti nel giunto dopo il raffreddamento dalla temperatura di brasatura alla temperatura ambiente, portando potenzialmente alla fessurazione del giunto.

L'uso di metalli d'apporto attivi per la brasatura, creati aggiungendo elementi metallici reattivi ai metalli d'apporto convenzionali, può migliorare la bagnatura delle superfici ceramiche. L'impiego di brasature a bassa temperatura e di breve durata può ridurre l'impatto delle reazioni di interfaccia.

La progettazione di configurazioni di giunzione adeguate e l'utilizzo di strati metallici singoli o multipli come strati intermedi possono contribuire a ridurre al minimo lo stress termico nella giunzione.

Brasatura dei metalli d'apporto La brasatura della ceramica ai metalli viene tipicamente eseguita in un forno a vuoto, in atmosfera di idrogeno o di argon. I metalli d'apporto per la brasatura di dispositivi elettronici sotto vuoto hanno ulteriori requisiti specifici oltre alle caratteristiche generali.

Ad esempio, il metallo d'apporto non deve contenere elementi che generano elevate pressioni di vapore per evitare problemi quali la perdita dielettrica e l'avvelenamento del catodo nei dispositivi. In genere si specifica che la pressione di vapore del metallo d'apporto durante il funzionamento del dispositivo non deve superare i 10-3Pa e il contenuto di impurità ad alta pressione di vapore deve essere compreso tra 0,002% e 0,005%.

Il contenuto di ossigeno del metallo d'apporto (W(o)) non deve superare 0,001% per evitare la generazione di vapore acqueo durante la brasatura in atmosfera di idrogeno, che potrebbe causare schizzi del metallo d'apporto fuso. Inoltre, il metallo d'apporto deve essere pulito e non deve presentare ossidi superficiali.

Per la brasatura della ceramica dopo la metallizzazione, si possono utilizzare metalli d'apporto in lega come rame (Cu), nichel (Ni), argento-rame (Ag-Cu) e oro-rame (Au-Cu). Per la brasatura diretta della ceramica ai metalli, si possono utilizzare metalli d'apporto contenenti elementi reattivi quali titanio (Ti) e zirconio (Zr).

Tra i metalli d'apporto binari per brasatura, Ti-Cu e Ti-Ni sono comunemente utilizzati e possono essere impiegati entro l'intervallo di 1100℃. Tra i metalli d'apporto ternari per brasatura, Ag-Cu-Ti (con contenuto di (W)Ti inferiore a 5%) è spesso utilizzato per la brasatura diretta di varie ceramiche ai metalli.

Questo sistema ternario può essere utilizzato con lamina, polvere o metallo d'apporto eutettico Ag-Cu combinato con polvere di Ti. Il metallo d'apporto per brasatura B-Ti49Be2 presenta una resistenza alla corrosione simile a quella dell'acciaio inossidabile e una pressione di vapore inferiore, che lo rende una scelta preferibile per le giunzioni sigillate sotto vuoto che richiedono ossidazione e prevenzione delle perdite.

Nel sistema Ti-V-Cr, l'aggiunta di Cr riduce efficacemente l'intervallo di temperatura di fusione, con la temperatura di fusione più bassa raggiunta a 30% W(V). Il metallo d'apporto per brasatura B-Ti47,5Ta5, senza Cr, è stato utilizzato per la brasatura diretta di allumina e magnesia, consentendo alla giunzione di operare a una temperatura ambiente di 1000℃. I riempitivi attivi per la brasatura per l'incollaggio diretto di ceramica e metalli sono mostrati nella Tabella 14.

Tabella 14. Riempitivi attivi per la brasatura della ceramica ai metalli

2. Tecnologia di brasatura

Le ceramiche premetallizzate possono essere brasate in ambienti con gas inerte di elevata purezza, idrogeno o vuoto. Per la brasatura diretta di ceramiche non metallizzate, si consiglia in genere la brasatura sotto vuoto.

(1) Generale Processo di brasatura per ceramica e metalli

(1) Il processo generale di brasatura di ceramica e metalli può essere suddiviso in sette fasi: pulizia della superficie, applicazione della pasta, metallizzazione delle superfici ceramiche, nichelatura, brasatura e ispezione post-brasatura.

La pulizia della superficie viene eseguita per rimuovere le macchie di olio, i segni di sudore e le pellicole di ossido dalla superficie del materiale di base. Le parti metalliche e il materiale di brasatura devono essere sgrassati, quindi sottoposti a incisione acida o a trattamento alcalino per rimuovere le pellicole di ossido, seguito da risciacquo con acqua corrente e asciugatura.

I pezzi di alta qualità devono essere sottoposti a un trattamento termico a temperatura e durata adeguate in un forno a vuoto o a idrogeno (si può usare anche il bombardamento ionico) per purificare la superficie del pezzo.

Le parti pulite non devono entrare in contatto con oggetti oleosi o con le mani nude e devono passare immediatamente al processo successivo o essere collocate in un dispositivo di asciugatura, evitando l'esposizione prolungata all'aria.

Le parti in ceramica devono essere pulite con acetone mediante lavaggio a ultrasuoni, risciacquate con acqua corrente e infine bollite due volte in acqua deionizzata per 15 minuti ogni volta.

L'applicazione della pasta è una fase cruciale della metallizzazione della ceramica. Si tratta di applicare la pasta sulla superficie ceramica da metallizzare utilizzando un pennello o un applicatore di pasta.

Lo spessore del rivestimento è generalmente compreso tra 30-60 micrometri e la pasta è tipicamente composta da polvere di metallo puro con una dimensione delle particelle di circa 1-5 micrometri (a volte con l'aggiunta di ossidi metallici adatti) e da un legante organico.

Le parti in ceramica con pasta applicata vengono quindi poste in un forno a idrogeno e sinterizzate a una temperatura di 1300-1500°C per 30-60 minuti utilizzando idrogeno umido o ammoniaca fusa. Per le ceramiche con idruri applicati, devono essere riscaldate a circa 900°C per decomporre l'idruro e reagire con il metallo puro o il titanio (o lo zirconio) residuo sulla superficie della ceramica per ottenere un rivestimento metallico.

Nel caso dello strato di metallizzazione Mo-Mn, per favorire la bagnatura con il materiale di brasatura, uno strato di nichel di 1,4-5 micrometri di spessore viene elettroplaccato o rivestito con polvere di nichel. Se il temperatura di brasatura è inferiore a 1000°C, lo strato di nichel deve essere sottoposto a pre-sinterizzazione in un forno a idrogeno a una temperatura e un tempo di 1000°C/15-20 minuti.

Le ceramiche trattate sono trattate come parti metalliche e assemblate con stampi in acciaio inossidabile, grafite o ceramica per formare un insieme. Il materiale per la brasatura viene applicato alla giunzione e il pezzo deve essere mantenuto pulito durante l'intera operazione, evitando di toccarlo a mani nude.

La brasatura viene eseguita in un forno a gas argon, a gas idrogeno o sotto vuoto. La temperatura di brasatura dipende dal materiale da brasare e, per evitare la fessurazione della ceramica, la velocità di raffreddamento non deve essere troppo elevata. Inoltre, durante la brasatura è possibile applicare una certa pressione (circa 0,49-0,98MPa).

Dopo la brasatura, le parti saldate devono essere sottoposte a un'ispezione della qualità superficiale e a test di shock termico e prestazioni meccaniche. Anche i componenti di tenuta utilizzati nei dispositivi per il vuoto devono essere sottoposti a test di tenuta secondo le normative vigenti.

(2) Brasatura diretta

Durante la brasatura diretta (metodo del metallo attivo), i pezzi in ceramica e metallo da brasare vengono prima sottoposti a pulizia superficiale e poi assemblati.

Per prevenire le fessurazioni dovute ai diversi coefficienti di espansione termica, uno strato tampone rotante (uno o più strati) può essere utilizzato per evitare la formazione di fessure. lamiere di metallo) possono essere collocati tra i giunti. Quando possibile, il materiale di brasatura dovrebbe essere posizionato tra i due pezzi o negli spazi riempiti di materiale di brasatura, e quindi brasato come nella brasatura sotto vuoto convenzionale.

Quando si utilizza il materiale di brasatura Ag-Cu-Ti per la brasatura diretta, si deve utilizzare il metodo di brasatura sotto vuoto. Il riscaldamento deve iniziare quando il grado di vuoto nel forno raggiunge 2,7×10-3Pa.

A questo punto è possibile applicare un riscaldamento rapido; tuttavia, quando la temperatura si avvicina al punto di fusione del materiale da brasare, è necessario riscaldare lentamente per garantire una distribuzione uniforme della temperatura in tutte le parti del giunto.

Una volta fuso il materiale di brasatura, la temperatura deve essere portata rapidamente alla temperatura di brasatura, con un tempo di mantenimento di 3-5 minuti. Durante il raffreddamento, prima di raggiungere i 700°C si deve effettuare un raffreddamento lento, mentre dopo i 700°C si può consentire un raffreddamento naturale.

Per la brasatura diretta con materiale di brasatura attivo Ti-Cu, il materiale di brasatura può assumere la forma di una lamina di Cu con polvere di Ti o di un componente di Cu con lamina di Ti, oppure la polvere di Ti può essere applicata alla superficie ceramica seguita dall'aggiunta della lamina di Cu.

Tutte le parti metalliche devono essere degassate sotto vuoto; la temperatura di degassificazione per il rame privo di ossigeno è di 750-800°C, mentre per Ti, Nb, Ta, ecc. la temperatura di degassificazione deve essere di 900°C per 15 minuti. Il grado di vuoto in questa fase non deve essere inferiore a 6,7×10^-3Pa.

Durante la brasatura, i componenti da brasare devono essere assemblati in un dispositivo e riscaldati in un forno a vuoto a una temperatura compresa tra 900-1120°C, con un tempo di mantenimento di 2-5 minuti. Durante l'intero processo di brasatura, la pressione del vuoto non deve essere inferiore a 6,7×10^-3Pa.

Il processo di brasatura con il metodo Ti-Ni è simile a quello con il metodo Ti-Cu, con una temperatura di brasatura di 900±10°C.

(3) Metodo di brasatura all'ossido

Il metodo di brasatura all'ossido utilizza un materiale di brasatura all'ossido che, una volta fuso, forma una fase vetrosa che gli consente di infiltrarsi nella ceramica e di bagnare la superficie del metallo, ottenendo così connessioni affidabili. Questo metodo può essere utilizzato per unire ceramica a ceramica o ceramica a metallo.

I componenti principali dei materiali per brasatura all'ossido sono Al₂O₃, CaO, BaO, MgO, e l'aggiunta di B₂O₃, Y2O3, Ta₂O₃ecc. possono produrre materiali per brasatura con diversi punti di fusione e coefficienti di espansione lineare.

Inoltre, i materiali per brasatura al fluoro composti principalmente da CaF₂ e NaF possono essere utilizzati anche per unire ceramiche e metalli, ottenendo giunti ad alta resistenza e termoresistenti.