لحیم کاری سرامیک

سرامیک ها موادی ترد، شکننده و حساس به تنش های مکانیکی و حرارتی هستند. این مواد در خالت معمول به فلز یا سرامیک دیگر متصل نمی شوند. بنابراین اتصال آن ها باید به گونه ای انجام شود که کمترین آسیب به این قطعات وارد شود. از جمله روش های اتصال سرامیک ها می توان به لحیم کاری، اتصال نفوذی و یا اتصال چسبی اشاره کرد.

گرچه امروزه روش های دیگری فرایندهای دیگری نیز در اتصال سرامیک ها مانند مایکروویو، جوشکاری التراسونیک و جوشکاری اصطکاکی و … کاربرد دارند. از جمله نکاتی که در انتخاب این روش ها باید در نظر گرفت می توان به دما، سهولت در اجرا، کاربرد، هزینه و … اشاره کرد.

لحیم کاری چیست؟

لحیم کاری یکی از روش های اتصال قطعات به یکدیگر است که از طریق ذوب و انجماد یک آلیاژ زود ذوب انجام می شود. در لحیم کاری بر خلاف جوشکاری فلز پایه ذوب نمی شود و فقط فلز لحیم یا پرکننده ذوب می شود.معمولا لحیم کاری سرامیک ها به دو صورت معمولی (Soldering) و سخت (Brazing) انجام می شود که در ادامه به معرفی این دو روش می پردازیم:

لحیم کاری معمولی (Soldering)

در این روش دو قطعه سرامیکی در دمایی حدود 400 درجه سانتیگراد به وسیله ی یک پرکننده ی فلزی به هم اتصال داده می شوند. برای برقراری اتصال از ترکیباتی همانند Cu-Ag، Pb-Agو Sn-Pd استفاده می شود. این مواد قادرند با سطح قطعات سرامیکی واکنش داده و تعادل شیمیایی ایجاد نمایند.

علاوه بر این می توان از برخی روش ها برای بهبود عمل لحیم کاری استفاده نمود؛ به عنوان مثال می توان ابتدا سطح سرامیک را متالیزه کرده و سپس لحیم کاری کرد؛ در این صورت چسبندگی بین آلیاژ و سرامیک افزایش پیدا می کند.

لحیم کاری سخت (Brazing)

این نوع اتصال نسبت به لحیم کاری معمولی کاربرد بیشتری دارد و در دمای حدود 800 درجه سانتیگراد انجام می شود. برای بهبود ترشوندگی در این روش، علاوه بر متالیزه کردن سطح قطعه، از آلیاژ لحیم چندجزیی استفاده می گردد که تحت عنوان عملیات لحیم فلز از آن نام برده می شود. روش لحیم کاری سخت به دو شیوه کلی انجام می پذیرد:

اتصال به وسیله فلزات فعال (مانند آلیاژهای زیرکنیم یا تیتانیوم)

این فلزات تمایل زیادی به برقراری واکنش با اکسیژن دارند، بنابراین عمل اتصال قطعات سرامیکی سریع تر انجام خواهد شد.

اتصال به وسیله فلزات غیرفعال (مانند نقره، مس، طلا، پلاتینیوم)

به طور کلی می توان گفت از آنجا که اتصال نتیجه ی پیوندهای شیمیایی و مکانیکی است، کنترل این پیوندها نقش مهمی در بهبود فرایند لحیم کاری سرامیک ایفا می کند.در هنگام لحیم کاری، ترشوندگی (wetting) موثرترین پارامتری است که در اجرای این فرایند نقش دارد. ترشوندگی در واقع توانایی یک مایع برای برقراری تماس با سطح جامد است.

زمانی که آلیاژ لحیم بین دو سرامیک ذوب می گردد، اتصال ضعیفی بین دو قطعه ایجاد می شود که این اتصال را می توان نتیجه ی ترشوندگی دانست. میزان ترشوندگی به زاویه ای که قطره آلیاژ و سطح قطعه تشکیل می دهند بستگی دارد؛ هر چقدر این زاویه کمتر باشد میزان ترشوندگی قطعه توسط آلیاژ بیشتر است و در نتیجه فرایند لحیم کاری سرامیک بهتر انجام می شود.

افزایش ترشوندگی در لحیم کاری سرامیک

به طور کلی دو رویکرد برای افزایش ترشوندگی در هنگام لحیم کاری وجود دارد:

• تغییر ترکیب(اصلاح) آلیاژ لحیم
• عملیات سطح

این روش، خود شامل تکنیک های زیر است:

• متالیزه کردن
• پوشش دادن با فلز

استفاده از فلزات هیدرید(مانند زیرکنیم و تیتانیوم)

هیدرید فلزات و فلزات فعال باعث تشکیل لایه ی واکنشی بین سرامیک و مذاب آلیاژ لحیم می گردند و انرژی سطحی را تا زمانی که ترشوندگی سرامیک توسط آلیاژ صورت گیرد، کاهش می دهند.در بین این تکنیک ها، روش متالیزه کردن بیش از روش های دیگر معمول است که در ادامه به آن می پردازیم:

متالیزه کردن سطح سرامیک

متالیزه کردن سرامیک (Ceramic Metallizing) را می توان یک فرایند رسوب دهی دانست که در آن یک فلز یا آلیاژ بر روی سطح سرامیکی پوشش داده می شود. هدف از این کار افزایش ترشوندگی سطح سرامیک است که باعث ایجاد پیوندهای مستحکم تر، دقت ابعادی بالاتر و کاهش تغییرات ابعادی بستر در هنگام اتصال می شود.

یکی از پرکاربردترین روش ها برای متالیزه کردن سطح قطعه، تکنیک Moly-Manganese نام دارد. در این روش فازهای شیشه ای، با منگنز یا مولیبدن مخلوط می گردند و نقش اصلی را بهبود چسبندگی ایفا می کنند؛ این تکنیک به طور گسترده در صنعت الکترونیک و صنایع الکتریک به کار می رود و برای تولید سرامیک های مورد استفاده در تجهیزات فوق خلا و نیمه هادی ها مناسب است.

طراحی اتصال سرامیک ها

به طور کلی، ضریب انبساط حرارتی (CTE) سرامیک ها از فلزات و همچنین آلیاژها کمتر است. در نتیجه هنگام عملیات سرد کردن، آلیاژ لحیم بیشتر از سرامیک فشرده می شود. برای جلوگیری از بروز این پدیده، بین دو قطعه ی سرامیکی و فلز تعدادی لایه ی واسط قرار می دهند. در نتیجه تنش به وجود آمده در اثر عملیات حرارتی توسط این لایه ها جذب می گردد.

فاکتور دیگری که در لحیم کاری سرامیک باید به آن توجه کرد، ترد بودن قطعه سرامیکی است. بنابراین تغییرات ناگهانی دما و نقاط تیز (sharp) در محل اتصال، می تواند باعث ایجاد تمرکز تنش شده و قطعه سرامیک را دچار ترک خوردگی کند. در نتیجه انتخاب مناسب آلیاژ لحیم و دمای مناسب می تواند در کاهش این تنش ها موثر باشد.از جمله نکاتی که در انتخاب آلیاژ لحیم باید در نظر گرفت، می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قابلیت تحمل دمای بالا
• قابلیت کارکرد در محیط های شیمیایی
• هم خوانی خواص فیزیکی و مکانیکی با قطعه سرامیکی (نظیر ضریب انبساط حرارتی)
• تقویت آلیاژ لحیم با ذرات سرامیکی

در برخی موارد به منظور کاهش ضریب انبساط حرارتی و افزایش استحکام، ذرات سرامیکی را با آلیاژ مخلوط می نمایند. به عنوان مثال افزودن ذرات کاربید سیلیسم (SiC) به آلیاژ لحیم، استحکام اتصال را به طرز چشمگیری افزایش می دهد.