金基焊料的典型应用分析及其可替代材料

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:张振霞

  在电真空行业中,广泛采用的焊料有铜基焊料和银基焊料。金基焊料由于其价格较高,使用成本昂贵,应用受到了很大的限制。但在实际工作中,有时金基焊料仍是一种必要的选择,比如,要求焊料的熔化温度在900~1000 ℃温度内,且焊料的蒸气压较低时。本文的主要目的是讨论金基焊的典型应用、优缺点和可替代焊料。

1、常用金基焊料

  目前,在电真空焊接中,较常用的几种金基焊料有以下几种:

(1) Au-Cu焊料

  金和铜能形成无限固溶体,所以塑性很好。按照不同的配比,可以制成不同熔、流点的焊料。常用的几种Au-Cu焊料见表1,其中Au-Cu(65)和Au-Cu(50)可作为瓷封焊料进行陶瓷-金属焊接。

表1  几种常用的Au-Cu焊料

几种常用的Au-Cu焊料

(2) Au-Ni焊料

  Au-Ni (17.5) 亦可形成无限固溶体,故塑性好,且是共晶焊料, 熔点、流点一致。此外, Au-Ni(17.5) 对焊接接头的间隙要求不严格,可以简化零件的装配 。

  Au-Cu的相图如图1 所示,Au-Ni的相图如图2 所示,其中ORDER指有序固溶体。

Au-Cu相图Au-Ni相图

图1  Au-Cu相图  图2  Au-Ni相图

2、金基焊料的典型应用

2.1、在阶梯焊中的应用

  在实际工作中,有许多复杂的焊接结构常常需要进行多次焊接。这时,就需要在不同的温区内选择几种不同焊料,从而实现阶梯焊接。①高温温区( > 1000 ℃) 。无氧铜焊料熔化温度为1083 ℃,是这个温区的最佳焊料,它具有很好的焊接强度和塑性,既可焊接各种金属,也可以封焊接陶瓷;缺点是因为焊接温度较高,对零件的配合和电镀的质量要求较高。②中温温区(900~1000℃) 。上述四种规格的金基焊料都属于这个温区中的焊料,其中Au-Cu(65)和Au-Cu(50)可作为瓷封焊料焊接陶瓷;缺点是焊料价格贵,成本高。③ 低温温区( < 800℃) 。

  这个温区的可选焊料主要有Ag-Cu(含Cu28%) 和Ag-Cu-In(75-10-15)。缺点是蒸气压较高,不能满足对绝缘和耐压要求较高的特殊场合的使用。根据实际焊接结构的需要,从上面三个温区中分别选择一种焊料,也可以从其中任两个温区中选择焊料。例如: ①高温温区选择Cu 焊接陶瓷,中温温区选择金基焊料进行焊接,低温温区选择Ag-Cu(28) 。②如果与陶瓷焊接零件为无氧铜,可以直接从中温温区选择Au-Cu (65) ,然后再在中温温区选择Au-Ni ,同样可以实现阶梯焊。

  如果焊接结构为无氧铜与陶瓷焊接,也可以多次采用Ag-Cu (28) 焊料,进行多次焊接。这是因为焊料熔化过程中会与母材中的无氧铜发生熔炼,从而形成含铜略高于共晶点的新焊料层。在后续再用Ag-Cu(28) 焊接时,通过合理的控制焊接温度,前次的焊料一般不会熔化。但是,通过这种方法实现的阶梯焊,只能应用在对耐压绝缘性要求不高的焊接部位,且焊接材料为无氧铜,同时对焊接工艺的控制要求比较严格。因此,这种方法的应用有很大的局限性。

  通过以上分析,可以看到:在实现复杂阶梯焊接时,金基焊料使我们有更大的选择余地。

2.2、在一些特殊场合的应用

(1) 陶瓷耐压绝缘性要求较高的情况

  真空电子器件要求焊料中不能含有蒸气压高的元素。如果焊料的蒸气压过高,则在器件的制造和使用过程中,会由于温度升高而蒸发。蒸发物沉积到陶瓷上,使陶瓷的绝缘性变差,沉积到阴极上,会使阴极中毒。在一些特殊的部位,如电子枪、钛泵及能量输出窗,可用金基焊料替代银基焊料。如果单纯考虑焊料成本的因素,撇弃金基焊料,采用焊料成本相对较低的的银基焊料,常常会因为焊料蒸散,造成部件的绝缘性变差,乃至失效,从而返修。

  表2为几种常见焊料的蒸气压。由表2 可以看到,在727℃时,Ag-Cu(28)焊料的蒸气压要比Cu和Au-Cu(20)高好几个数量级。当整管真空排气至450~500 ℃加之阴极分解时,该区域的温度将接近600~700 ℃。因此,银蒸气的影响不可忽视。事实证明,在这些关键部位,用金基焊料替代银基焊料所带来的焊料成本增加要远远小于器件因性能不达标而带来的返修成本。

表2  几种常见焊料的蒸气压(727 ℃)

几种常见焊料的蒸气压

(2) 作为能量输出窗的焊接焊料

  在一些平均功率和峰值功率都较高的速调管管型的研制过程中,金基焊料作为输出窗的焊接焊料也得到了一些应用。在本文的四种金基焊料中,Au-Cu(65)和Au-Cu (50) 可以作为瓷封焊料。首先与无氧铜焊料比,它们具有焊接温度低的优点,可以减少高温变形。其次与Ag-Cu (28) 焊料相比,它们具有以下几个优点: ① 采用Au-Cu (65) 和Au-Cu(50) 焊料可以避免采用Ag-Cu(28) 焊料产生的银蒸气对输出窗片的污染; ②因为Ag-Cu (28) 焊料易流散,采用Au-Cu (65) 和Au-Cu (50) 焊料焊接的输出窗不易在窗框上造成焊料流散,从而保证输出窗获得更好的能量输出特性; ③输出窗片与窗框焊接时采用Au-Cu (65) 和Au-Cu (50) 焊料,而总焊时采用Ag-Cu (28) ,可实现阶梯焊接。

3、金基焊料的可替代焊料

  由于金基焊料的成本高,对金基焊料的可替代焊料也有许多研究。

  (1) Cu-Ge系的价格较低,727 ℃时,Cu-Ge (12) 的蒸气压约为1.7 ×10 - 6Pa ,可以部分替代金基焊料。但Cu-Ge 系焊料较脆且硬,结晶粗大,需进一步改良。

  (2) 在Ag-Cu (28) 基础焊料中,添加低蒸气压的合金元素,可以衍生出一批银基焊料,如: Ag-Cu-Sn ,Ag-Cu-Ti ,Ag-Cu-Si 等,可以在一定程度上降低蒸气压 。

4、结束语

  金基焊料虽然价格贵,成本高,但由于其具有较低的蒸气压,流散性和浸润性好等特点,仍是900~1000 ℃温区一个较好的焊料选择。

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