Two-step Brazing技巧——间接钎焊法

由于陶瓷材料主要含有离子键或共价键，表现出非常稳定的电子配位，因而较难被金属键的金属钎料润湿。因此在钎焊时需要对陶瓷表面进行预金属化而使陶瓷表面的性质发生改变，而后再用一般的钎料进行陶瓷与金属的钎焊连接，这就是陶瓷与金属的间接钎焊法。

20世纪30年代发展起来的用于电子电力工业中氧化铝陶瓷封接的烧结金属粉末法（W法或Mo_- Mn法），现在仍然在陶瓷连接中有应用。但近年来又发展了一些新的预金属化方法，如PVD技术沉积金属层、热喷涂法、CVD法以及离子注入等方法。

1.烧结金属粉末法（W或Mo-Mn法）^[8]

烧结金属粉末法（Mo-Mn法）的一般工艺过程包括：

1）零件的表面清洗和准备。清洗可除去零件表面的油污、汗迹、氧化膜等，清洗后的零件不能再用手摸或长期暴露在大气中，应立即进入下一个工序或放入干燥器内保存。陶瓷件用洗净剂超声清洗后，再用流水冲洗；最后用去离子水煮沸两次，每次15min，烘干后备用。

2）涂膏。膏剂多由纯金属粉末加适量的金属氧化物组成，粉末粒度一般为1～5μm。用有机黏结剂硝棉溶液调成一定黏度的膏，涂敷时将膏剂用手工或机械方法涂敷在陶瓷件表面上，涂层厚度一般为30～60μm。国内常用的Al₂O₃陶瓷Mo-Mn法金属化配方及规范见表14-9。

3）陶瓷件表面金属化。将涂好膏的陶瓷件装入氢炉或真空炉中进行烧结。在氢气炉中烧结时，金属化气氛用H₂或N₂、H₂混合气，其中需含微量氧化性气体，如空气或水汽。用空气时，应使其占总气体量的0.25%～1%；用水气时，使气体露点控制在0～30℃。为防止在升温过程中MoO₃挥发和金属化表层金属被氧化，通常在高于1000℃时通湿氢，在其余时间通干氢。烧结温度一般为1300～1500℃，保温时间为30～60min。在进行陶瓷金属化过程中，为了防止由于热冲击造成陶瓷的炸裂，要适当降低升温与降温速度。在实际操作中，其由陶瓷件大小、厚薄以及装舟量来决定。在卧式炉中，金属化温度为1500℃时，需要用0.5h进行预热或降温，对于厚大陶瓷件，还需要适当延长时间。烧结后的金属化层连续致密，无斑点、裂纹、起泡、氧化、粘砂等缺欠。

4）镀镍。金属化层多为Mo-Mn层，较难被钎料润湿，因此一般还必须在金属化层上再电镀4～5μm的镍层或涂敷一层镍粉。若钎焊温度低于1000℃，镍层要在氢气炉中经过1000℃、15～20min的预烧结。

5）装配。金属化后的陶瓷件与处理好的金属件，用不锈钢或石墨、陶瓷模具装配成组件，并在钎缝处装上钎料。在整个装配操作过程中，不得用手直接触摸零件，以免再次污染。

6）钎焊。钎焊通常在氩气或氢气保护炉中进行，也可以在真空炉中进行。钎焊温度视钎料而定，升温和降温速度不得过快，以防止陶瓷件破裂。(www.xing528.com)

7）检验。真空器件用的封接件钎焊后要进行检漏，漏气率Q≤10^-11Pa·m³/s。有特殊要求时，还需进行热冲击、烘烤和强度检测。

表14-9 常用Mo-Mn法金属化配方及规范^[8] Table 14-9 Conventional metallizing compositions and procedures for Mo-Mn process[8]

① 指CaCO₃。

2.其他表面金属化方法

参考文献[9]用低压等离子喷涂方法在Si₃N₄陶瓷表面喷涂两层Al。喷涂第一层时，将陶瓷预热到略高于Al的熔点温度，以获得较强的Al对Si₃N₄陶瓷的吸附。在此条件下喷涂的Al层不可能太厚，一般不超过2μm。在第一层基础上再喷涂一层200μm的Al层。热喷涂后的Si₃N₄陶瓷（试样尺寸为13mm×16mm×20mm）直接以Al涂层为钎料在700℃×0.9ks、加压0.5MPa的条件下钎焊，接头的平均抗弯强度（强度试样尺寸为3mm×4mm×40mm，四点弯曲试验）达到340MPa，比直接用Al片在同样条件下钎焊的接头强度（230MPa）高许多。分析认为，在以上试验条件下，热喷涂不会影响陶瓷性能；而且热喷涂可以去掉陶瓷表面和Al表面的氧化膜，使金属Al直接与Si₃N₄陶瓷接触；并且在比Al熔点稍高的温度下就可以形成AlN，使界面结合强度提高，接头基本断在Al层中。

参考文献[10]认为，活性钎料中的活性元素（如Ti）一般会使钎料变硬、变脆，而且接头中也会出现脆性相。为克服这些缺点，用离子源（Met-al Vapour Vacuum Arc Ion Source，简称MEVVA）直接注入活性元素Ti到陶瓷（如Al₂O₃陶瓷）中，使陶瓷形成可以被一般钎料润湿的合适表面。以高纯Al₂O₃为母材、MEVVA离子源的发射电压为40kV，离子注入剂量范围为2×10¹⁶～3.1×10¹⁷个/cm²时，Ti的注入深度可达50～100nm。经过离子注入后的陶瓷表面，显著改善了非活性钎料的润湿性：用Ag-Cu钎料钎焊，其润湿程度可以达到与活性钎料相同的程度。离子注入改善陶瓷表面润湿性的原因主要有三点：一是氧化铝表面更金属化，导电性提高并呈现金属光泽，减少了陶瓷与金属间的电子不连续性；二是离子注入在陶瓷表面产生缺欠，使陶瓷的表面能提高，从而促进润湿；三是表面形成了改善导电性及促进润湿的新相。

陶瓷表面的预金属化，不仅可以用于改善非活性钎料对陶瓷的润湿性，而且还可以用于高温钎焊时保护陶瓷不发生分解产生孔洞。以性能较好的Si₃N₄陶瓷为例，真空中（10^-3Pa）1100℃以上，Si₃N₄陶瓷就要发生分解，产生孔洞。用耐热钎料进行钎焊时，钎焊温度都较高，Si₃N₄很容易分解。解决陶瓷高温下容易分解的问题，可以通过将Si₃N₄陶瓷表面进行预涂层或改变钎焊气氛来实现。文献[11]用AgCuInTi钎料在1.33×10^-3Pa的真空中、900℃下将陶瓷涂敷10min后，再用Pd-Ni-Ti钎料在1250℃下钎焊时就可以有效地防止Si₃N₄陶瓷的分解。经过预涂敷的接头，四点抗弯强度室温下可达163MPa，700℃时还可以保持105MPa；在空气中900℃下暴露100h后，室温抗弯强度还可以达到121MPa，而无预涂敷的接头室温抗弯强度只有62MPa。在金属化过程中，金属与陶瓷之间可以形成一层厚实致密的反应层，不仅可以保护陶瓷，而且还可以减少Si扩散进入钎缝形成脆性硅化物的程度。