Спай металла со стеклом
Постоянно растущие потребности разных промышленных отраслей и не только, вызывают необходимость в расширении ассортимента электровакуумных и полупроводниковых приборов, улучшения их электрических, светотехнических параметров и эксплуатационных характеристик. Это требует усовершенствования и разработки новых перспективных технологических процессов, материалов и оборудования.
При производстве электровакуумных приборов очень широко используются спаи металла со стеклом. Существует несколько видов спаев. В бусинковых (стержневых) спаях (Рис.1-а), металлический ввод применяется в виде стержня, который обеспечивает электрический контакт с электродами прибора и с элементами электрической схемы. В окошечных (внутренних) спаях (Рис.1-б), металл имеет вид окошечка. В трубчатых (рантовых) спаях (Рис.1-в), металлическая трубка припаивается к стеклянной трубке в торец. И дисковые спаи (Рис.1-г), представляют собой металлическую перегородку в стеклянной трубке.
Рис.1 – спаи металла со стеклом
Несмотря на столь широкое распространение спаев металла со стеклом, в производстве еще недостаточно изучено поведение металла и стекла под влиянием различных факторов. В настоящее время, зачастую, разрабатываются приборы на основании уже существующих. Разработчики отталкиваются от уже существующих узлов. Увеличивают или уменьшают их в размерах, что влечет за собой и изменение технологии изготовления.
В АО «ЦНИИ «Электрон» на производстве изготавливаются все виды спаев металла со стеклом в различных приборах. И в уже отработанной технологии изготовления спаев иногда возникают вопросы, требующие доработки или изменение уже существующей технологии производства.
Ⅰ. Окошечный (внутренний) спай во входных окнах приборов.
Так, например, при производстве корпуса для прибора ФППЗ 4096М было взято за основу входное окно для прибора Лидер (Рис.2). Однако, новое входное окно гораздо больше по размеру и его изготовление требует другой технологии, нежели у нас на производстве. Перед нами встала задача: доработать технологию, чтобы изготовить входные окна больших размеров с вакуумплотным спаем, путем спекания в электрической печи (Рис.3).
Вакуумплотные металлостеклянные входные окна
Печь спекания входных окон
Для начала нужно было изготовить металлические кольца больших размеров. На поверхности металла, предназначенной под спай со стеклом, необходимо создать определенную шероховатость (Ra=1,25÷3,25). Эта шероховатость достигается методом размерно-электрохимической обработкой (РЭХО). Но из-за отсутствия необходимых оправок решили испробовать метод создания шероховатости на металле на электроискровом станке. Необходимая шероховатость была достигнута (Ra=1,45÷2,25), однако при такой обработке на поверхности кольца, идущей под спай со стеклом, остается небольшая риска, где шероховатость значительно меньше (Ra=0,8÷1,1) и следы проточки кольца. Дальше, по технологии, кольца необходимо отжигать во влажном водороде, для создания на поверхности кольца необходимой окисной пленки. Но на нашем предприятии нет печи отжига во влажном водороде таких размеров. Было принято решение отжигать кольца на предприятии «Светлана», что вызвало трудности не только со временем, это увеличило срок изготовления колец, но и при транспортировке кольца насыщались влагой из окружающей среды, что в дальнейшем проявлялось в виде пузырей в спае после спекания (металл начинал газить) и образовании рыжих пятен на поверхности металла в спае. Но проблему удалось решить при помощи изготовления тары с изолированным внутри силикагелем, который впитывал всю влагу и на поверхности колец оставалась окисная пленка без изменения физических и химических свойств.
Далее эти кольца подвергаются спеканию со стеклом. Раньше технология изготовления таких входных окон предполагала спекание через эмаль. Кольца покрывались эмалью, затем отправлялись на спекание. Сейчас нет возможности изготовления таких эмалей из-за отсутствия некоторых компонентов на рынке. Другая технология изготовления таких входных окон производилась через кольца немного другой конфигурации на высокочастотной установке, где стекло лежало на плече кольца. Такой способ также не подходил нам, из-за отсутствия технических оборудования и других требований к конфигурации кольца заказчиком. Так мы пришли к необходимости использовать технологию, которая есть на данный момент с доработкой под конкретную задачу. По режиму для спекания металлостеклянных входных окон (при Т=840 0 С, с выдержкой 30 мин.). Такой режим не подошел нам. Мы подбирали режим спекания, в процессе окисляя кольца, остановились на Т=860 0 С с выдержкой 40 мин. Таким образом мы изготовили входные окна, но при дальнейших испытаниях данные входные окна не выдержали механической нагрузки. Решено было вернуться к обработке метала методом РЭХО. Были спроектированы и изготовлены оправки необходимых размеров. Провели кольца по всему технологическому циклу. В результате чего, после спекания, мы получили входные окна, удовлетворяющие требованиям заказчика, по вакуумной плотности, прошедших необходимое число термоциклов и прошедших проверку на механическую прочность.
Но дальше требовалась обработка поверхности стекла на данном входном окне, к которому предъявляются жесткие требования, такие же, как и к входным окнам значительно меньших размеров. Что повлекло за собой адаптацию технологии шлифовки и полировки под данный размер входных окон. Для установления необходимых и допустимых дефектов был проведен ряд исследований, таких как ориентация кристалла в приборе относительно рабочей зоны, создание имитации корпуса, для выявления влияния пузырей на спай в процессе эксплуатации, что позволило согласовать с заказчиком необходимые и допустимые требования к входным окнам.
Однако, даже в процессе производства уже существующих приборов, по отработанной технологии, могут возникать проблемы в виде различных дефектов. При этом приходиться продолжать изучение поведение различных материалов под влиянием изменения температуры, воздействия механической нагрузки и других факторов. Так, например, ранее нами была проведена большая работа по изучению поведения металлостеклянного спая входных окон при изменении температур от -70 0 С до +60 0 С. Был сделан вывод, что входные окна с наименьшим диаметром выдерживают больше термоциклов, нежели входные окна с большим диаметром.
Так был разработан процесс изготовления входных окон больших диаметров (до 100мм.), что увеличило возможность создания корпусов для новых приборов с большей матрицей.
- Была доработана технология производства изготовления колец размером до 100мм. (внесены изменения в процесс спекания и шлифовки входных окон);
- Были даны рекомендации заказчику по количеству выдерживаемых термоциклов на входные окна больших размеров;
- Сделано подтвержденное заключение заказчику: дефекты, в виде пузырей, образующиеся в спае при спекании не более 1,5мм. не приводят к разрушению на термоциклах.
Ⅱ. Поведение металла и стекла в бусинковых спаях.
Т.к. периодически возникают дефекты в сборках со штампованной ножкой в виде треска, необходимо стало более глубокое изучение такого вида спаев. За основу рассмотрения мы взяли ножку с 6-тью коваровыми выводами, которая изготавливается путем штамповки (Рис.4). В процессе изготовления стекло плавиться в пламени горелки, затем штампуется на прессформе с коваровыми выводами. В данном процессе сложнее поддерживать одинаковую температуру, нежели при спекании входных окон. Т.к. погрешность температуры в печке составляет всего ±5 0 С. А в пламени горелки мы температуру можем определять только на глаз, по цвету стекла и по его физическом состоянию, зная, что в различных частях пламени различные температуры и свойства (Рис.5). Но, стекло и металл могут перегреваться, происходят различные изменения в свойствах металла. Для подтверждения того, что процесс производиться правильно, совместно с отделом 82 и 65, мы провели термоциклирование на ножки 6-ти вводные и 9-ти вводные (Рис.6). После проведения опыта целостность спая сохранилась.
Пайка металла со стеклом
Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.
Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!
Расплавленные стекла хорошо смачивают все металлы при условии наличия на их поверхности адсорбирующего слоя окисла и нагрева до соответствующей температуры. Образование прочного соединения между металлом и стеклом зависит от напряжений в зоне спая, наличия газовых пузырей, процесса электролиза и расстекловывания стекла. Спаи металла со стеклом могут быть согласованными и несогласованными. Согласованные спаи образуются между стеклом и металлом с равными или близкими TKЛP во всем интервале температур от 20 °С до температуры пайки. Несогласованные спаи образуются между стеклом и металлом с резко различными ТКЛР. Обеспечение прочности в этом случае достигается конструктивными решениями металлической детали, которая должна свободно деформироваться вслед за деформацией стекла.
При выборе металла для соединения со стеклом помимо значений ТКЛР (в зависимости от типа спая и его конструкции) важную роль играют температура плавления, упругость паров в вакууме, газовыделение, электро- и теплопроводность, магнитные свойства, химическая стойкость, механические свойства, обрабатываемость резанием и давлением, возможность сварки и пайки, наличие аллотропических изменений и др. Необходимость обеспечения постоянных электрических параметров в приборах, как условие их надежности и долговечности, выдвигает требования к структуре металла в рабочем интервале температур. Свойства металлов и стекол, применяемых для спаев, приведены на рис. 5, 6.
Рис. 5. Влияние температуры нагрева на относительное удлинение при пайке со стеклом:
а - металлов; б и в - сплавов
Рис. 6. Влияние температуры нагрева на относительное удлинение электровакуумных стекол
При пайке металлов со стеклом используют газовый нагрев, индукционный, в печах, сопротивлением.
Газовый нагрев применяют для бусинковых и ленточных спаев, для изготовления гребешковых и плоских ножек. Эти виды соединений выполняются при радиационном нагреве горелкой в печах, с помощью простых приспособлений или на универсальных горизонтально-заварочных станках для стеклодувных работ.
Индукционный нагрев целесообразно применять для изготовления рантовых, дисковых и других типов соединений. При этом используют генераторы мощностью до 30 кВт и специальное оборудование.
Для сплавления слоя стеклянной пасты, наносимой на поверхность металла для предотвращения его переокисления, нагрев производят в муфельных, туннельных и конвейерных печах. Печной нагрев целесообразен для пайки деталей простой конфигурации (глазковых, окошенных спаев, коаксиальных вводов, сжатых спаев, плоских ножек).
Нагрев стекла осуществляется за счет теплопроводности металла, нагретого при пропускании 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 поддержания одинакового объемного сжатия металла и стекла в процессе охлаждения.
Для соединения стекла с другими материалами 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 Cu (порошок).
11. Сочетание материалов при пайке микросхем с применением галлиевых паст![Сочетание материалов при пайке микросхем с применением галлиевых паст]()
Существующие способы пайки кварцевого 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 используют переходные стекла с различными ТКЛР, которые, сплавляясь друг с другом, образуют постепенный переход от металла к кварцу таким образом, чтобы напряжения на отдельных границах между стеклами не превышали допустимых значений. В качестве металла для ввода применяют, как правило, вольфрам или молибден. Этот способ пайки кварца с металлами трудоемок, спаи имеют значительные размеры, механическая прочность и теплоемкость невелики.
Более прогрессивным считается способ впаивания металлической фольги непосредственно в кварц (ленточные спаи). При этом в качестве металлов используют вольфрам, молибден, тантал, платину. Однако размеры фольги ограничены (ширина порядка нескольких миллиметров, толщина 0,01 . 0,05 мм). Это ограничение связано с большой разностью ТКЛР соединяемых материалов. Иногда одновременно впаивают несколько одиночных тонких вводов.
Существует способ пайки кварца с помощью активных металлов. В этом случае на поверхность кварца наносится слой титана или циркония, пайка производится припоями, содержащими легкоплавкие металлы - олово, индий, галлий. В качестве конструкционного металла используют медь, серебро, золото.
По поверхности нанесенной на кварц пленки меди, никеля или серебра (гальванически, металлизацией, вжиганием) можно производить 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 порошка 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 используют свинец. Пайка ведется в вакууме (2,6 . 6,5) 10 -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). Полученные 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 производстве пьезоэлектрических кварцевых резонаторов). При пайке галлиевыми припоями, содержащими индий, олово и медь, термообработку этих спаев следует проводить в кислородосодержащей атмосфере при температуре не менее 100 °С.
Пайка кварца, покрытого алюминием и медью с никель-кобальтовым сплавом и латунью, производится припоем следующего состава (массовые доли), %: 75 In; 15,5 Sn; 2,5 Ag; 7 Bi. Температура пайки 370 . 380 °С, выдержка - 20 мин. Пайка производится в вакууме 5 * 10 -3 Па при давлении сжатия образцов 3 МПа. Полученные таким способом паяные соединения имеют предел прочности при срезе τср = 12 . 15 МПа; могут работать в условиях нагрева (80 . 100 °С) при статическом давлении 30 МПа, амплитудах пульсации давления 10 -1 . 4,5 МПа и диапазоне частот 20 . 5000 Гц.
Усовершенствование и разработка новых перспективных технологических процессов
Способ получения паяного соединения металла со стеклом
Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться, в частности, при изготовлении изделий электровакуумного производства (ЭВП) типа баллонов из стеклянного цилиндра, спаянных с металлическими деталями. В таких изделиях помимо прочности спаи должны обладать герметичностью, что во многом определяется отсутствием пузырей в стекле спаянного соединения.
Технологически применяют различные приемы подготовки деталей под спайку, однако проблема остается и в производстве наблюдается технологический брак.
За прототип взят способ получения паяного соединения металла со стеклом (SU 1587023, МПК 6 C 03 C 27/02, 23.08.90), при котором задача обеспечения теплового режима удаления газов, растворенных в металле, непосредственно перед нагревом под спайку, решается посредством предварительной термообработки металлической детали при температуре выше температуры спаивания, что приводит к частичному снижению количества пузырей в стекле спая.
Недостатками прототипа являются отсутствие условий удаления газов из стекла при предварительной термообработке, а также отсутствие критериев степени охлаждения после предварительной термообработки и степени предварительного подогрева и нагрева под спайку конкретных пар (металл - стекло). Возможность дополнительного газоотделения из стекла при охлаждении после высокотемпературного нагрева описана, например, в книге Лебединского М.А. (Электровакуумные материалы. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1956, 336 с.).
Задача изобретения - обеспечить снижение количества пузырей в стекле спая.
Поставленная задача достигается снижением газосодержания в металле и стекле непосредственно перед спаиванием деталей и оптимизацией режимов предварительного подогрева и нагрева под спайку.
Для реализации способа выполняют следующие операции.
1. Подготавливают сборку деталей в манипуляторе. 2. Включают подачу защитного газа. 3. Нагревают металлическую деталь до температуры предварительного подогрева и от нее подогревают стеклянную деталь. 4. Охлаждают детали до потери ими красного свечения. 5. Нагревают детали и формируют спай. 6. Выдерживают необходимое время и охлаждают спай в потоке защитного газа.
Изобретение поясняется схемой (фиг. 1). Режимы нагрева под спайку металла со стеклом по прототипу (а) и по предлагаемому изобретению (б) и фотографией пузырей (фиг. 2).
Способ проверен практически при изготовлении изделий электровакуумного производства.
Эффективность предложенного способа спайки, т.е. режимов подогрева и нагрева молибдена и стекла, проверяли в сравнении по количеству пузырей в паяном соединении "под стеклом", натекающем на лезвие кольцевой детали-колпачка. Сравнивали влияние на отклик (число пузырей) шести факторов, обуславливающих подготовку деталей (колпачок и цилиндр из стекла) под спайку и режимы спайки. Выполнен активный эксперимент путем планирования эксперимента в виде ДФЭ2 7-4 , т.е. 8 опытов (2 3 ), где каждый из семи факторов варьировался на двух уровнях, не повторяясь в каждом опыте. Количество пузырей как сумму подсчитывали на наружном пояске спая (фиг. 2) и внутреннем. Осмотр выполняли визуально при увеличении 15 на стереоскопическом микроскопе МБС-2. Подсчитывали количество пузырей в 5-ти спаях каждого опыта, находили среднее значение и среднеквадратичное отклонение. Путем математической обработки результатов оценивали: воспроизводимость опытов по критерию Кохрена (подтверждается), значимость коэффициентов предполагаемой математической модели по критерию Стьюдента, адекватность модели подтвердили по критерию Фишера.
В результате найдена ДСГФ (действительно существенная группа факторов) по влиянию в совокупности на отклик (число пузырей): фактор X3 - способ подогрева молибдена и стекла и X4 - температура нагрева перед натеканием стекла на лезвие колпачка. Уравнение регрессии имеет вид: Y (число пузырей) = 6,58+3,98X3 + 3,21X4.
Варьирование этих факторов выполнено на уровнях, показанных в таблице.
Остальные пять факторов не входят в математическую модель, т.к. значения их коэффициентов незначимы. Это: влажность воздуха; способ обработки поверхности лезвия (резцом или с дополнительной электрополировкой); направление подачи защитного газа аргона в рабочий объем, где нагревается сборка (снизу или снизу и сверху); встряхивание сборки после прогрева (или без встряхивания); осушка аргона или без осушки.
Интерпретация модели показывает, что пузырей в спае меньше, если подогрев (X3) выполнять на нижнем уровне, то же и нагрев (X4) на нижнем уровне, тогда Y стремится к нулю.
Это и подтверждает эффективность предлагаемого способа.
Технический результат реализации предлагаемого способа заключается в возможности сокращения технологического брака по пузырям в спае изделий электровакуумного производства и экономии дефицитного и дорогого металла и стекла. Практически невозможно обеспечить спайку изделий целой промышленной партии непосредственно сразу после возгонки металлических деталей. Они какое-то время хранятся в цеховых условиях, на их поверхности неизбежно адсорбируются газы, влага. То же происходит и на поверхности стеклянных деталей. Нагрев же под спайку без предварительного удаления проникающих в металл и стекло газов приводит к их растворению и выделению при последующем охлаждении, формированию зародышей пузырей на поверхности металлической детали и росту пузыря в стекле.
Превышение температуры подогрева tп над Tн является как бы тренировкой растворимости газов, но и их эффективного удаления за счет охлаждения после подогрева и дополнительной возгонки.
Предлагаемый способ способствует и повышению надежности изделий ЭВП за счет меньшего объема остаточных газов в металле и стекле, которые при эксплуатации могут скапливаться в коллекторах структуры, повышая внутреннее давление и напряжения в материале.
Надежность изделий повышается также за счет снижения рекристаллизации металла, т.к. сокращается число повторной спайки с целью устранения пузырей в спае.
1. Способ получения паяного соединения металла со стеклом, включающий подготовку деталей и их сборку, предварительный подогрев металлической детали до температуры, превышающей температуру нагрева под спайку, ее охлаждение, последующий нагрев деталей в среде защитного газа до температуры спайки, выполнение спайки путем формирования спая натеканием размягченного стекла на металлическую деталь и выдержки деталей при температуре спайки, охлаждение деталей, отличающийся тем, что предварительный подогрев производят после сборки, при этом осуществляют одновременно подогрев стеклянной детали от нагретой металлической детали, а охлаждают детали после предварительного подогрева в потоке защитного газа до потери ими красного свечения.
Читайте также: