لحام السيراميك والمعادن

1. قابلية اللحام

يُعدّ لحام السيراميك بالنحاس أمرًا صعبًا. إذ يتشكل في الغالب على شكل كرة من مادة اللحام على سطح السيراميك، مع ترطيب ضئيل أو معدوم. كما أن معدن الحشو المستخدم في اللحام، والذي يُرطّب السيراميك، يُشكّل بسهولة مركبات هشة متنوعة (مثل الكربيدات والسيليسيدات والمركبات الثلاثية أو متعددة المتغيرات) عند سطح التماس أثناء عملية اللحام. ويؤثر وجود هذه المركبات على الخواص الميكانيكية للوصلة. إضافةً إلى ذلك، ونظرًا للاختلاف الكبير في معاملات التمدد الحراري بين السيراميك والمعدن ومادة اللحام، سيبقى إجهاد متبقٍ في الوصلة بعد تبريدها إلى درجة حرارة الغرفة، مما قد يُسبب تشققها.

يمكن تحسين قابلية ترطيب اللحام على سطح السيراميك عن طريق إضافة عناصر معدنية نشطة إلى اللحام الشائع؛ ويمكن أن يقلل اللحام بدرجة حرارة منخفضة ووقت قصير من تأثير تفاعل السطح البيني؛ ويمكن تقليل الإجهاد الحراري للوصلة عن طريق تصميم شكل وصلة مناسب واستخدام معدن أحادي أو متعدد الطبقات كطبقة وسيطة.

2. اللحام

عادةً ما يتم توصيل السيراميك والمعادن في أفران التفريغ أو أفران الهيدروجين والأرجون. بالإضافة إلى الخصائص العامة، يجب أن تخضع معادن اللحام المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية المفرغة من الهواء لبعض المتطلبات الخاصة. على سبيل المثال، يجب ألا يحتوي اللحام على عناصر تُنتج ضغط بخار عالٍ، وذلك لتجنب حدوث تسرب عازل وتسمم الكاثود في الأجهزة. يُشترط عمومًا ألا يتجاوز ضغط بخار اللحام 10⁻³ باسكال أثناء تشغيل الجهاز، وألا تتجاوز نسبة الشوائب ذات ضغط البخار العالي 0.002% إلى 0.005%. كما يجب ألا تتجاوز نسبة الماء في اللحام 0.001%، وذلك لتجنب بخار الماء المتولد أثناء اللحام في الهيدروجين، والذي قد يتسبب في تناثر معدن اللحام المنصهر. علاوة على ذلك، يجب أن يكون اللحام نظيفًا وخاليًا من أكاسيد السطح.

عند اللحام بالنحاس بعد التمعدن الخزفي، يمكن استخدام النحاس، والنحاس الأساسي، والنحاس الفضي، والنحاس الذهبي، وغيرها من معادن الحشو المستخدمة في اللحام بالنحاس.

للحام المباشر للسيراميك والمعادن، يُنصح باختيار معادن حشو تحتوي على عنصري التيتانيوم والزركونيوم النشطين. تُعدّ معادن الحشو الثنائية، مثل Ti-Cu وTi-Ni، الأكثر شيوعًا، ويمكن استخدامها عند درجة حرارة 1100 درجة مئوية. أما من بين معادن اللحام الثلاثية، فيُعدّ Ag-Cu-Ti(W)(TI) الأكثر استخدامًا، حيث يُمكن استخدامه في اللحام المباشر لمختلف أنواع السيراميك والمعادن. يُمكن استخدام معدن الحشو الثلاثي على شكل رقائق أو مسحوق أو معدن حشو يوتكتيكي من Ag-Cu مع مسحوق التيتانيوم. يتميز معدن الحشو B-ti49be2 بمقاومة تآكل مماثلة للفولاذ المقاوم للصدأ وانخفاض ضغط البخار، مما يجعله خيارًا مفضلًا في وصلات اللحام الفراغي نظرًا لمقاومته للأكسدة والتسرب. في لحام Ti-V-Cr، تكون درجة الانصهار في أدنى مستوياتها (1620 درجة مئوية) عندما تكون نسبة w(V) تساوي 30%، ويمكن لإضافة الكروم أن تُقلل بشكل فعال من نطاق درجة الانصهار. استُخدم لحام B-ti47.5ta5 الخالي من الكروم في اللحام المباشر للألومينا وأكسيد المغنيسيوم، ويمكن أن تعمل وصلته عند درجة حرارة محيطة تصل إلى 1000 درجة مئوية. يوضح الجدول 14 التدفق النشط للوصل المباشر بين السيراميك والمعدن.

الجدول 14: معادن الحشو النشطة للحام السيراميكي والمعدني

2. تقنية اللحام بالنحاس

يمكن لحام السيراميك المطلي مسبقًا بالمعدن في بيئة غاز خامل عالي النقاء أو الهيدروجين أو الفراغ. ويُستخدم اللحام الفراغي عمومًا للحام السيراميك مباشرةً دون طلاء معدني.

(1) عملية اللحام الشاملة يمكن تقسيم عملية اللحام الشاملة للسيراميك والمعادن إلى سبع عمليات: تنظيف السطح، وطلاء المعجون، وتغطية سطح السيراميك بالمعدن، وطلاء النيكل، واللحام، وفحص ما بعد اللحام.

يهدف تنظيف الأسطح إلى إزالة بقع الزيت والعرق وطبقة الأكسيد من سطح المعدن الأساسي. تُزال الشحوم من الأجزاء المعدنية واللحام أولًا، ثم تُزال طبقة الأكسيد بالغسل الحمضي أو القلوي، وتُغسل بالماء الجاري وتُجفف. تُعالج الأجزاء ذات المتطلبات العالية حراريًا في فرن تفريغ أو فرن هيدروجين (يمكن أيضًا استخدام طريقة قصف الأيونات) عند درجة حرارة ووقت مناسبين لتنقية سطحها. يجب عدم ملامسة الأجزاء المنظفة لأجسام دهنية أو بأيدي عارية، ويجب وضعها فورًا في المرحلة التالية أو في المجفف، مع الحرص على عدم تعريضها للهواء لفترة طويلة. أما الأجزاء الخزفية، فتُنظف بالأسيتون والموجات فوق الصوتية، وتُغسل بالماء الجاري، ثم تُغلى مرتين بالماء منزوع الأيونات لمدة 15 دقيقة في كل مرة.

يُعدّ طلاء المعجون عمليةً مهمةً في عملية طلاء السيراميك بالمعادن. خلال هذه العملية، يُطبّق المعجون على سطح السيراميك المراد طلائه باستخدام فرشاة أو آلة طلاء بالمعجون. يتراوح سُمك الطلاء عادةً بين 30 و60 ملم. يُحضّر المعجون عادةً من مسحوق معدني نقي (يُضاف إليه أحيانًا أكسيد معدني مناسب) بحجم جسيمات يتراوح بين 1 و5 ميكرومتر، بالإضافة إلى مادة لاصقة عضوية.

تُرسل الأجزاء الخزفية المُلصقة إلى فرن هيدروجين وتُلبّد بالهيدروجين الرطب أو الأمونيا المتشققة عند درجة حرارة تتراوح بين 1300 و1500 درجة مئوية لمدة تتراوح بين 30 و60 دقيقة. أما الأجزاء الخزفية المطلية بالهيدريدات، فتُسخّن إلى حوالي 900 درجة مئوية لتحليل الهيدريدات وتفاعلها مع المعدن النقي أو التيتانيوم (أو الزركونيوم) المتبقي على سطح الخزف، وذلك للحصول على طبقة معدنية على سطح الخزف.

لضمان تشبع طبقة المعدن Mo-Mn باللحام، يجب طلاء طبقة من النيكل بسمك 1.4 إلى 5 ميكرومتر كهربائيًا أو تغطيتها بطبقة من مسحوق النيكل. إذا كانت درجة حرارة اللحام أقل من 1000 درجة مئوية، فيجب تلبيد طبقة النيكل مسبقًا في فرن هيدروجيني. درجة حرارة التلبيد ومدة التلبيد 1000 درجة مئوية لمدة 15 إلى 20 دقيقة.

تُصنع القطع الخزفية المعالجة من أجزاء معدنية، ويتم تجميعها في وحدة واحدة باستخدام قوالب من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الجرافيت والسيراميك. يُلحم المعدن عند نقاط الالتقاء، ويجب الحفاظ على نظافة القطعة طوال عملية التصنيع، ويُمنع لمسها باليدين مباشرة.

يُجرى اللحام بالنحاس في فرن مملوء بالأرجون أو الهيدروجين أو فرن فراغي. وتعتمد درجة حرارة اللحام على معدن الحشو المستخدم. ولمنع تشقق الأجزاء الخزفية، يجب ألا تكون سرعة التبريد عالية جدًا. إضافةً إلى ذلك، يمكن تطبيق ضغط معين أثناء اللحام (حوالي 0.49 إلى 0.98 ميجا باسكال).

إضافةً إلى فحص جودة السطح، تخضع اللحامات الملحومة لاختبارات الصدمات الحرارية والخواص الميكانيكية. كما تخضع أجزاء منع التسرب لأجهزة التفريغ لاختبارات التسرب وفقًا للوائح ذات الصلة.

(2) اللحام المباشر: عند استخدام طريقة اللحام المباشر (طريقة المعدن النشط)، يجب أولاً تنظيف سطح قطعتي السيراميك والمعدن قبل تجميعهما. ولتجنب التشققات الناتجة عن اختلاف معاملات التمدد الحراري لمواد المكونات، يمكن تدوير طبقة عازلة (طبقة أو أكثر من الصفائح المعدنية) بين القطعتين. يُثبّت معدن الحشو بين القطعتين أو يُوضع في الموضع الذي تُملأ فيه الفجوة بمعدن الحشو قدر الإمكان، ثم يُجرى اللحام كما في اللحام الفراغي العادي.

في حال استخدام لحام Ag-Cu-Ti للحام المباشر، يجب اعتماد طريقة اللحام الفراغي. عند وصول درجة الفراغ في الفرن إلى 2.7 × 10⁻³ باسكال، يُبدأ التسخين عند 10⁻³ باسكال، ويمكن رفع درجة الحرارة بسرعة في هذه المرحلة. عند اقتراب درجة الحرارة من نقطة انصهار اللحام، يجب رفعها ببطء لضمان تساوي درجة حرارة جميع أجزاء اللحام. عند انصهار اللحام، تُرفع درجة الحرارة بسرعة إلى درجة حرارة اللحام، ويُفضل تثبيتها لمدة 3 إلى 5 دقائق. أثناء التبريد، يجب تبريد اللحام ببطء قبل الوصول إلى 700 درجة مئوية، ويمكن تبريده بشكل طبيعي مع الفرن بعد ذلك.

عند استخدام لحام التيتانيوم والنحاس النشط مباشرةً، يمكن استخدام رقائق النحاس مع مسحوق التيتانيوم، أو قطع النحاس مع رقائق التيتانيوم، أو طلاء السطح الخزفي بمسحوق التيتانيوم مع رقائق النحاس. قبل اللحام، يجب إزالة الغازات من جميع الأجزاء المعدنية باستخدام التفريغ. يجب أن تتراوح درجة حرارة إزالة الغازات من النحاس الخالي من الأكسجين بين 750 و800 درجة مئوية، بينما يجب إزالة الغازات من التيتانيوم والنيوبيوم والتنتالوم، وما إلى ذلك، عند 900 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة. في هذه المرحلة، يجب ألا تقل درجة التفريغ عن 6.7 × 10⁻³ باسكال. أثناء اللحام، يتم تجميع المكونات المراد لحامها في جهاز التثبيت، ثم تسخينها في فرن التفريغ إلى درجة حرارة تتراوح بين 900 و1120 درجة مئوية، مع تثبيت درجة الحرارة لمدة تتراوح بين دقيقتين و5 دقائق. خلال عملية اللحام بأكملها، يجب ألا تقل درجة التفريغ عن 6.7 × 10⁻³ باسكال.

عملية اللحام بطريقة Ti Ni مشابهة لتلك الخاصة بطريقة Ti Cu، ودرجة حرارة اللحام هي 900 ± 10 ℃.

(3) طريقة اللحام بالأكسيد: تُعدّ طريقة اللحام بالأكسيد طريقةً لتحقيق وصلات موثوقة باستخدام الطور الزجاجي الناتج عن انصهار لحام الأكسيد، والذي يتغلغل في السيراميك ويُبلل سطح المعدن. تُتيح هذه الطريقة وصل السيراميك بالسيراميك، وكذلك السيراميك بالمعادن. تتكون معادن حشو اللحام بالأكسيد بشكل أساسي من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)، وأكسيد الكالسيوم (CaO)، وأكسيد الباريوم (BaO)، وأكسيد المغنيسيوم (MgO). وبإضافة أكسيد البورون (B₂O₃)، وأكسيد الإيتريوم (Y₂O₃)، وأكسيد التنتالوم (Ta₂O₃)، يُمكن الحصول على معادن حشو لحام ذات نقاط انصهار ومعاملات تمدد خطي متنوعة. إضافةً إلى ذلك، يُمكن استخدام معادن حشو اللحام بالفلوريد، التي تتكون بشكل أساسي من فلوريد الكالسيوم (CaF₂) وفلوريد الصوديوم (NaF)، لوصل السيراميك بالمعادن، والحصول على وصلات ذات قوة عالية ومقاومة حرارية عالية.