세라믹과 금속의 브레이징

1. 납땜성

세라믹과 세라믹, 세라믹과 금속 부품을 브레이징하는 것은 어렵습니다. 대부분의 솔더는 세라믹 표면에 볼을 형성하며, 젖음성이 거의 없거나 전혀 없습니다. 세라믹을 적실 수 있는 브레이징 용가재는 브레이징 중 접합 계면에 다양한 취성 화합물(예: 탄화물, 규화물, 3원 또는 다변량 화합물)을 쉽게 형성합니다. 이러한 화합물의 존재는 접합부의 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 또한, 세라믹, 금속, 솔더 간의 열팽창 계수 차이가 크기 때문에 브레이징 온도가 실온으로 냉각된 후에도 접합부에 잔류 응력이 남아 접합부 균열을 유발할 수 있습니다.

일반 솔더에 활성 금속 원소를 첨가하면 세라믹 표면의 솔더 젖음성을 향상시킬 수 있습니다. 낮은 온도와 짧은 시간의 브레이징은 계면 반응의 영향을 줄일 수 있습니다. 적절한 조인트 형태를 설계하고 단일 또는 다중 층 금속을 중간층으로 사용하면 조인트의 열 응력을 줄일 수 있습니다.

2. 납땜

세라믹과 금속은 일반적으로 진공로 또는 수소 및 아르곤로에서 접합됩니다. 일반적인 특성 외에도 진공 전자 장치용 브레이징 필러 금속은 몇 가지 특별한 요구 사항을 가져야 합니다. 예를 들어, 솔더는 높은 증기압을 생성하는 원소를 포함하지 않아야 하며, 소자의 유전 누설 및 음극 피독을 유발하지 않아야 합니다. 일반적으로 장치가 작동 중일 때 솔더의 증기압은 10-3pa를 초과하지 않아야 하며, 포함된 높은 증기압 불순물은 0.002% ~ 0.005%를 초과하지 않아야 합니다. 솔더의 w(o)는 0.001%를 초과하지 않아야 하며, 수소에서 브레이징하는 동안 생성되는 수증기로 인해 용융 솔더 금속이 튀는 것을 방지해야 합니다. 또한 솔더는 깨끗하고 표면 산화물이 없어야 합니다.

세라믹 금속화 후 브레이징할 때 구리, 베이스, 은구리, 금구리 및 기타 합금 브레이징 필러 금속을 사용할 수 있습니다.

세라믹과 금속의 직접 브레이징을 위해 활성 원소 Ti와 Zr을 포함하는 브레이징 필러 금속을 선택해야 합니다. 이원 필러 금속은 주로 Ti Cu와 Ti Ni이며 1100℃에서 사용할 수 있습니다. 3원 솔더 중 Ag Cu Ti(W)(TI)가 가장 일반적으로 사용되는 솔더이며 다양한 세라믹과 금속의 직접 브레이징에 사용할 수 있습니다. 3원 필러 금속은 호일, 분말 또는 Ti 분말이 포함된 Ag Cu 공융 필러 금속으로 사용할 수 있습니다. B-ti49be2 브레이징 필러 금속은 스테인리스 스틸과 유사한 내식성과 낮은 증기압을 가지고 있습니다. 산화 및 누출 방지 기능이 있는 진공 밀봉 조인트에서 우선적으로 선택될 수 있습니다. ti-v-cr 솔더에서 w(V)가 30%일 때 용융 온도가 가장 낮고(1620℃), Cr을 첨가하면 용융 온도 범위를 효과적으로 줄일 수 있습니다. Cr을 함유하지 않은 B-ti47.5ta5 솔더는 알루미나와 산화마그네슘의 직접 브레이징에 사용되었으며, 접합부는 1000℃의 주변 온도에서 작동할 수 있습니다. 표 14는 세라믹과 금속의 직접 접합을 위한 활성 플럭스를 보여줍니다.

표 14 세라믹 및 금속 브레이징용 활성 브레이징 필러 금속

2. 브레이징 기술

사전 금속화된 세라믹은 고순도 불활성 가스, 수소 또는 진공 환경에서 브레이징될 수 있습니다. 진공 브레이징은 일반적으로 금속화 없이 세라믹을 직접 브레이징하는 데 사용됩니다.

(1) 범용 브레이징 공정 세라믹과 금속의 범용 브레이징 공정은 표면 세척, 페이스트 코팅, 세라믹 표면 금속화, 니켈 도금, 브레이징 및 용접 후 검사의 7가지 공정으로 나눌 수 있습니다.

표면 세척의 목적은 모재 금속 표면의 기름때, 땀때, 산화막을 제거하는 것입니다. 금속 부품과 땜납은 먼저 탈지한 후, 산 또는 알칼리 세척으로 산화막을 제거하고 흐르는 물로 세척한 후 건조합니다. 요구 조건이 높은 부품은 진공로 또는 수소로(이온 충격법도 사용 가능)에서 적절한 온도와 시간 동안 열처리하여 부품 표면을 정화합니다. 세척된 부품은 기름때가 묻은 물체나 맨손에 닿지 않도록 해야 합니다. 세척된 부품은 즉시 다음 공정이나 건조기로 이송해야 하며, 장시간 공기에 노출되어서는 안 됩니다. 세라믹 부품은 아세톤과 초음파 세척 후 흐르는 물로 세척하고, 마지막으로 탈이온수에 15분씩 두 번 끓입니다.

페이스트 코팅은 세라믹 금속화의 중요한 공정입니다. 코팅 시에는 브러시나 페이스트 코팅기를 사용하여 금속화될 세라믹 표면에 도포합니다. 코팅 두께는 일반적으로 30~60mm입니다. 페이스트는 일반적으로 입자 크기가 약 1~5㎛인 순수 금속 분말(때로는 적절한 금속 산화물이 첨가됨)과 유기 접착제로 제조됩니다.

페이스트 처리된 세라믹 부품은 수소로에 넣어 습식 수소 또는 분해 암모니아를 사용하여 1300 ~ 1500℃에서 30 ~ 60분 동안 소결합니다. 수소화물로 코팅된 세라믹 부품의 경우, 약 900℃로 가열하여 수소화물을 분해하고 세라믹 표면에 남아 있는 순수 금속 또는 티타늄(또는 지르코늄)과 반응시켜 세라믹 표면에 금속 코팅을 형성합니다.

MoMn 금속화층의 경우, 솔더와 접촉하기 위해 1.4~5um 두께의 니켈층을 전기도금하거나 니켈 분말 층으로 코팅해야 합니다. 브레이징 온도가 1000℃ 미만인 경우, 니켈층을 수소로에서 예비 소결해야 합니다. 소결 온도와 시간은 1000℃/15~20분입니다.

처리된 세라믹은 금속 부품으로, 스테인리스강 또는 흑연과 세라믹 몰드를 사용하여 하나의 덩어리로 조립해야 합니다. 접합부에는 납땜을 해야 하며, 작업 중 작업물을 깨끗하게 유지해야 하며 맨손으로 만져서는 안 됩니다.

브레이징은 아르곤, 수소 또는 진공로에서 진행됩니다. 브레이징 온도는 브레이징 용가재에 따라 달라집니다. 세라믹 부품의 균열을 방지하기 위해 냉각 속도가 너무 빠르지 않아야 합니다. 또한, 브레이징은 일정 압력(약 0.49~0.98MPa)을 가할 수도 있습니다.

표면 품질 검사 외에도, 브레이징 용접부는 열충격 및 기계적 특성 검사를 받아야 합니다. 진공 장치용 밀봉 부품은 관련 규정에 따라 누출 시험을 거쳐야 합니다.

(2) 직접 브레이징(활성 금속법) 시, 세라믹 및 금속 용접부 표면을 먼저 세척한 후 조립합니다. 구성 재료의 열팽창 계수 차이로 인한 균열을 방지하기 위해, 완충층(한 겹 이상의 금속판)을 용접부 사이에 회전시켜 배치할 수 있습니다. 브레이징 용가재는 두 용접부 사이에 고정하거나, 브레이징 용가재로 틈새를 최대한 메운 위치에 놓은 후, 일반 진공 브레이징과 같은 방식으로 브레이징합니다.

Ag Cu Ti 솔더를 직접 브레이징에 사용하는 경우 진공 브레이징 방법을 채택해야 합니다. 노 내 진공도가 2.7×10-3pa에 도달하면 가열을 시작하고 이때 온도가 빠르게 상승할 수 있습니다. 온도가 솔더의 녹는점에 가까워지면 온도를 천천히 올려 용접부의 모든 부분이 균일하게 되도록 합니다. 솔더가 녹으면 온도를 브레이징 온도까지 빠르게 올리고 유지 시간은 3~5분입니다. 냉각 시에는 700℃ 이전에는 천천히 냉각하고, 700℃ 이후에는 노에서 자연 냉각할 수 있습니다.

Ti Cu 활성 솔더를 직접 브레이징할 경우, 솔더는 Cu 호일에 Ti 분말을 더하거나 Cu 부품에 Ti 호일을 더하거나, 세라믹 표면에 Ti 분말과 Cu 호일을 코팅할 수 있습니다. 브레이징 전에 모든 금속 부품은 진공 탈기해야 합니다. 무산소 구리의 탈기 온도는 750 ~ 800℃이며, Ti, Nb, Ta 등은 900℃에서 15분간 탈기해야 합니다. 이때 진공도는 6.7 × 10-3Pa 이상이어야 합니다. 브레이징 시에는 용접할 부품을 고정구에 조립하고 진공로에서 900 ~ 1120℃로 가열한 후 2 ~ 5분간 유지해야 합니다. 전체 브레이징 공정 동안 진공도는 6.7 × 10-3Pa 이상이어야 합니다.

Ti Ni 방식의 브레이징 공정은 Ti Cu 방식과 유사하며 브레이징 온도는 900 ± 10 ℃이다.

(3) 산화물 브레이징법 산화물 브레이징법은 산화물 땜납이 용융되어 형성된 유리상이 세라믹스에 침투하여 금속 표면을 적셔주어 신뢰성 있는 접합을 실현하는 방법입니다. 세라믹과 세라믹스, 세라믹과 금속을 접합할 수 있습니다. 산화물 브레이징 용가재는 주로 Al₂O₃, CaO₃, BaO₃, MgO로 구성되어 있습니다. 여기에 B₂O₃, Y₂O₃, Ta₂O₃를 첨가하면 다양한 융점과 선팽창 계수를 갖는 브레이징 용가재를 얻을 수 있습니다. 또한, CaF₂와 NaF를 주성분으로 하는 불소 브레이징 용가재를 사용하여 세라믹스와 금속을 접합하여 고강도, 고내열성을 갖는 접합부를 얻을 수 있습니다.