UA148903U

UA148903U - METHOD OF MANUFACTURE OF SOLDERED LOW-STRESSED QUARTZ-ALUMINUM AND SAPPHYRO-ALUMINUM PRODUCTS

Info

Publication number: UA148903U
Application number: UAU202102057U
Authority: UA
Inventors: Віталій Петрович Красовський; Іван Іванович Габ; Тетяна Віталіївна Стецюк
Original assignee: Інститут Проблем Матеріалознавства Ім. І.М. Францевича Нан України
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2021-09-29

Abstract

Спосіб виготовлення паяних малонапружених кварцово-алюмінієвих та сапфіро-алюмінієвих виробів в системах з великою різницею коефіцієнтів теплового розширення, при якому виконують нанесення на алюміній металізаційного шару та з'єднання його з кварцовим склом та сапфіром за допомогою припою, що містить індій. На поверхню кварцової або сапфірової деталі напилюється металізаційна наноплівка титану, товщина якої не перевищує 150 нм, на поверхню алюмінієвої деталі напилюється металізаційний шар міді, товщина якого не перевищує 900-950 нм, а паяння здійснюють у вакуумі з використанням пластичного свинцево-індієвого припою, який має вміст індію 15 мас. %.A method of manufacturing soldered low-stress quartz-aluminum and sapphire-aluminum products in systems with a large difference in thermal expansion coefficients, in which the metallization layer is applied to aluminum and connected to quartz glass and sapphire using solder containing indium. On the surface of the quartz or sapphire part is sprayed metallization nanofilm of titanium, the thickness of which does not exceed 150 nm, on the surface of the aluminum part is sprayed metallization layer of copper, the thickness of which does not exceed 900-950 nm, and soldering is carried out in vacuum using lead has an indium content of 15 wt. %.

Description

Корисна модель належить технології з'єднування паянням скла з металом через проміжний шар, зокрема з'єднання металевих та неметалевих матеріалів з великою різницею термічних коефіцієнтів лінійного розширення, зокрема кварцового скла та сапфіру з алюмінієм та його сплавами з застосуванням покриттів.A useful model belongs to the technology of joining glass to metal by soldering through an intermediate layer, in particular, the joining of metallic and non-metallic materials with a large difference in thermal coefficients of linear expansion, in particular, quartz glass and sapphire with aluminum and its alloys with the use of coatings.

Останнім часом з'являється попит на створення вакуумнощільних малонапружених з'єднань прозорих деталей, зокрема, з кварцового скла або сапфіру з металевими деталями, що виготовлені з алюмінію та його сплавів. Ці з'єднання повинні довгостроково працювати при температурах до 200 "С. Такі з'єднання необхідні для апаратури, в якій велике значення має максимальне зниження механічних напружень в оптичному елементі, які неодмінно виникають в нероз'ємному з'єднанні матеріалів з великою різницею коефіцієнтів теплового розширення (КТР). КТР алюмінію становить 22х105 1/град, сапфіру - 5,5х105 1/град, кварцового скла - 5х106 1Т/град. Для з'єднання таких матеріалів слід використовувати найпластичніші припайні метали або сплави, щоб вони могли релаксувати напруження, які виникають під дією температури в паяному з'єднанні як при його створенні, так і в процесі експлуатації, бо ці напруження, особливо в оптичному елементі виробу, значно погіршують точність вимірювання, що отримані при його використанні.Recently, there has been a demand for creating vacuum-tight, low-stress connections of transparent parts, in particular, of quartz glass or sapphire with metal parts made of aluminum and its alloys. These connections must work for a long time at temperatures up to 200 "C. Such connections are necessary for equipment in which the maximum reduction of mechanical stresses in the optical element is of great importance, which necessarily occur in an inseparable connection of materials with a large difference in coefficients of thermal expansion (KTR). The KTR of aluminum is 22x105 1/degree, sapphire - 5.5x105 1/degree, quartz glass - 5x106 1T/degree. To connect such materials, the most ductile solder metals or alloys should be used so that they can relax stresses , which occur under the influence of temperature in the solder joint both during its creation and during operation, because these stresses, especially in the optical element of the product, significantly impair the accuracy of measurements obtained when using it.

Відомий спосіб з'єднання кварцового скла з металом (А.с. СССР 695980, МПК СОЗС 27/04, опубл. 05.11.1979), при якому на скло наносять шар металізаційної пасти, що містить гідрид титану, та яку відпалюють у вакуумі при температурі 750 "С з наступним видаленням цього металізаційного покриття. Потім хімічним способом наносять шар нікелю 5-10 мкм завтовшки та шар одного із металів (мідь, срібло, кобальт) або їх сплавів гальванічним способом, а паяння виконують припоєм ПСрМін-49 (49,5 95 Ад, 20,5 ую Мп, 30 95 Іп) з температурою плавлення вище 00 с.There is a known method of joining quartz glass to metal (AS USSR 695980, MPK SOZS 27/04, publ. 05.11.1979), in which a layer of metallizing paste containing titanium hydride is applied to the glass, and which is annealed in a vacuum at at a temperature of 750 "C with the subsequent removal of this metallization coating. Then a layer of nickel 5-10 microns thick and a layer of one of the metals (copper, silver, cobalt) or their alloys are applied by a chemical method, and soldering is performed with PSrMin-49 solder (49, 5 95 Ad, 20.5 uy Mp, 30 95 Ip) with a melting point above 00 s.

Недоліком даного способу є складна та незручна технологія металізації кварцового скла з застосуванням кількох розчинів з багатьма хімічними компонентами та гальванічного процесу нарощування металізаційних шарів, а також використання для паяння припоїв, що містять срібло, які є досить жорсткими для кварцового скла і викликають в ньому досить великі напруження. Крім того даним способом неможливо створити надійне вакуумнощільне з'єднання кварцового скла з металевою деталлю з алюмінію або його сплавів припоями через оксиднуThe disadvantage of this method is the complex and inconvenient technology of metallization of quartz glass with the use of several solutions with many chemical components and the galvanic process of building up metallization layers, as well as the use of silver-containing solders for soldering, which are quite hard for quartz glass and cause rather large tension. In addition, with this method, it is impossible to create a reliable vacuum-tight connection of quartz glass with a metal part made of aluminum or its alloys with solders through oxide

Зо плівку на алюмінії.From film on aluminum.

В іншому відомому способі (патент 05 4930676, МПК В2ЗК 21/00, опубл. 05.06.1990) з'єднання матеріалів з різними коефіцієнтами теплового розширення, наприклад, скла або кераміки з металами в якості припою використовують свіжоприготовлений дріт із чистого індію, а поверхні металевої та неметалевої деталей безпосередньо перед з'єднанням ретельно очищують та знежирюють будь-яким відомим способом. Для отримання з'єднання до деталей прикладають максимальний тиск 15,5х105 Н/м2 протягом 20 с, потім тиск знижують до половини максимального значення, а потім знову застосовують максимальний тиск на протязі приблизно 20 с. Цей цикл повторюється два-три рази. Процес з'єднання може бути виконаний в умовах навколишнього середовища, або в іншій будь-якій атмосфері.In another known method (patent 05 4930676, МПК В2ЗК 21/00, publ. 05.06.1990) of joining materials with different coefficients of thermal expansion, for example, glass or ceramics with metals, freshly prepared pure indium wire is used as solder, and the surfaces metal and non-metal parts immediately before joining are thoroughly cleaned and degreased by any known method. To obtain a connection, a maximum pressure of 15.5x105 N/m2 is applied to the parts for 20 s, then the pressure is reduced to half the maximum value, and then the maximum pressure is applied again for about 20 s. This cycle is repeated two or three times. The connection process can be performed in ambient conditions, or in any other atmosphere.

Недоліком цього способу є використання в якості припою чистого індію, що обмежує температуру експлуатації цих з'єднань температурою плавлення індію, тобто 156 "С. Крім того процес знежирення поверхонь недостатній для отримання адгезійного з'єднання металів з керамікою або склом - оксидна плівка залишається на поверхні металевої деталі.The disadvantage of this method is the use of pure indium as a solder, which limits the operating temperature of these connections to the melting temperature of indium, i.e. 156 "C. In addition, the surface degreasing process is insufficient to obtain an adhesive connection of metals with ceramics or glass - the oxide film remains on the surface of the metal part.

Аналогом запропонованої корисної моделі є спосіб отримання скло-металевих та кераміко- металевих герметичних з'єднань (патент ЗВ 2065532А, МПК СОЗС 27/00, опубл. 01.07.1981), в якому на метал, зокрема алюміній, після ретельного очищення та травлення азотною кислотою наносять гальванічним способом чи шляхом розпилення металізаційний шар золота завтовшки 2,5 мкм. Потім на поверхні золота розміщують заготовку з чистого індію та нагрівають до 175 "С, доки не буде отримано сплав індію з золотом на межі їх розділу. Після охолодження поверхняAn analogue of the proposed useful model is the method of obtaining glass-metal and ceramic-metal hermetic joints (patent ZV 2065532A, IPC SOZZS 27/00, publ. 01.07.1981), in which the metal, in particular aluminum, after thorough cleaning and etching with nitrogen a metallization layer of gold 2.5 μm thick is applied with acid by galvanic method or by spraying. Then a blank of pure indium is placed on the surface of gold and heated to 175 "C until an alloy of indium and gold is obtained at their interface. After cooling, the surface

БО індію піддається суперочищенню за допомогою плазмового або іонного бомбардування в вакуумі або ультрафіолетового випромінювання, завдяки цьому індій стає дуже липким та має тенденцію прилипати до будь-якої поверхні, якої він торкається. Потім суперчиста поверхня індію притискається до суперчистої (обробленої бомбардуванням електричною плазмою, іонами в вакуумі або ультрафіолетовим світлом) поверхні скла або склокераміки з утворенням герметичного з'єднання.BECAUSE indium is super-refined by plasma or vacuum ion bombardment or UV radiation, this makes indium very sticky and tends to stick to any surface it touches. The super-pure indium surface is then pressed against the super-pure (treated by bombardment with electric plasma, ions in a vacuum, or ultraviolet light) glass or glass-ceramic surface to form a hermetic joint.

Недоліком цього способу є застосування досить складної процедури очищення поверхонь, що з'єднуються, та поверхні індієвого припою, а також обмеження експлуатації таких з'єднань температурою 156 "С.The disadvantage of this method is the use of a rather complicated procedure for cleaning the surfaces to be connected and the surface of the indium solder, as well as limiting the operation of such joints at a temperature of 156 "С.

В основу корисної моделі спосіб виготовлення паяних малонапружених кварцово- бо алюмінієвих та сапфіро-алюмінієвих виробів поставлена задача, забезпечити виготовлення вакуумнощільних виробів з кварцового скла або сапфіру з металевими деталями, що виготовлені з алюмінію та його сплавів, з практично ненапруженим оптичним елементом (кварцове скло, сапфір), які здатні довготривало працювати в умовах циклічної зміни температур від -50 "С до 200 "С. Вона досягається тим, що в способі виготовлення паяних малонапружених кварцово-алюмінієвих та сапфіро-алюмінієвих виробів в системах з великою різницею КТР на поверхню кварцової або сапфірової деталі напилюється металізаційна наноплівка титану, товщина якої не перевищує 150 нм, на поверхню алюмінієвої деталі напилюється металізаційний шар міді, товщина якого не перевищує 900-950 нм, а паяння здійснюють з використанням пластичного свинцево-індієвого припою, який має вміст індію 15 мас. до з температурою плавлення 560-580 "С.The basis of the useful model is the method of manufacturing soldered low-stress quartz-aluminum and sapphire-aluminum products. The task is to ensure the manufacture of vacuum-tight products from quartz glass or sapphire with metal parts made of aluminum and its alloys, with a virtually stress-free optical element (quartz glass, sapphire), which are able to work for a long time in conditions of cyclic temperature changes from -50 "C to 200 "C. It is achieved by the fact that in the method of manufacturing soldered low-stress quartz-aluminum and sapphire-aluminum products in systems with a large difference in KTR, a metallization nanofilm of titanium, the thickness of which does not exceed 150 nm, is sprayed on the surface of a quartz or sapphire part, a metallization layer of copper is sprayed on the surface of an aluminum part , the thickness of which does not exceed 900-950 nm, and soldering is carried out using plastic lead-indium solder, which has an indium content of 15 wt. to with a melting point of 560-580 "С.

Суть корисної моделі полягає в тому, що спосіб виготовлення паяних малонапружених кварцово-алюмінієвих та сапфіро-алюмінієвих виробів в системах з великою різницею коефіцієнтів теплового розширення, включає нанесення на алюміній металізаційного шару та з'єднання його з кварцовим склом та сапфіром за допомогою припою, що містить індій, при цьому на поверхню кварцової або сапфірової деталі напилюється металізаційна наноплівка титану, товщина якої не перевищує 150 нм, на поверхню алюмінієвої деталі напилюється металізаційний шар міді, товщина якого не перевищує 900-950 нм, а паяння здійснюють у вакуумі з використанням пластичного свинцево-індієвого припою, який має вміст індію 15 мас. 95.The essence of the useful model is that the method of manufacturing soldered low-stress quartz-aluminum and sapphire-aluminum products in systems with a large difference in thermal expansion coefficients involves applying a metallization layer to aluminum and connecting it to quartz glass and sapphire using solder, which contains indium, while a metallization nanofilm of titanium, the thickness of which does not exceed 150 nm, is sprayed onto the surface of a quartz or sapphire part, a metallization layer of copper, the thickness of which does not exceed 900-950 nm, is sprayed onto the surface of an aluminum part, and soldering is carried out in a vacuum using plastic lead - indium solder, which has an indium content of 15 wt. 95.

Алюміній, його сплави, сапфір та кварцове скло погано змочуються припойними розплавами, тому перед паянням попередньо необхідно нанести металізаційний шар на алюмінієву, кварцову та сапфірові деталі. Електронно-променевим способом на металеву деталь, що виготовлена зі сплавів алюмінію АДІ та АМц, наносять металізаційну плівку міді товщина якої не перевищує 900-950 нм, а на кварцову або сапфірову деталі наносять металізаційну плівку титану товщина якої не перевищує 150 нм. Мідь та титан є адгезійно- активними елементами до матеріалів поверхонь, на які вони нанесені, що забезпечує розтікання свинцево-індієвого припою при отриманні нероз'ємного з'єднання. Для паяння був вибраний пластичний легкоплавкий свинцево-індієвий припій (75 95 РБЬ, 25 95 Іп), оскільки сам індій не може забезпечити нагрівання з'єднання вище за 156 "С, а більш тугоплавкі свинець таAluminum, its alloys, sapphire and quartz glass are poorly wetted by solder melts, so before soldering it is necessary to first apply a metallization layer on aluminum, quartz and sapphire parts. Using the electron beam method, a copper metallization film with a thickness of no more than 900-950 nm is applied to a metal part made of ADI and AMc aluminum alloys, and a titanium metallization film with a thickness of no more than 150 nm is applied to quartz or sapphire parts. Copper and titanium are adhesion-active elements to the materials of the surfaces on which they are applied, which ensures the spreading of the lead-indium solder when obtaining an inseparable connection. A plastic low-melting lead-indium solder (75 95 Рб, 25 95 Ип) was chosen for soldering, since indium itself cannot provide heating of the connection above 156 "C, and more refractory lead and

Зо олово самі по собі є достатньо жорсткими та створюють значні напруження в оптичному елементі, зокрема, в кварцовому склі.The tin itself is quite rigid and creates significant stresses in the optical element, in particular, in the quartz glass.

Спосіб з'єднання шляхом паяння виконується наступним чином: між металізованими деталями розміщують пластину свинцево-індієвого припою завтовшки 0,3-0,5 мкм, потім на деталі зверху кладуть вантаж, який забезпечує навантаження до 0,01 МПа, після цього деталі разом з вантажем розміщують в спеціальній графітовій оснастці та всю цю зборку завантажують у вакуумну піч, яку нагрівають до температури 560-580 "С та витримують протягом 15 хв при цій температурі.The method of connection by soldering is performed as follows: a plate of lead-indium solder with a thickness of 0.3-0.5 μm is placed between the metallized parts, then a load is placed on top of the parts, which provides a load of up to 0.01 MPa, after that the parts together with the load is placed in a special graphite equipment and this entire assembly is loaded into a vacuum furnace, which is heated to a temperature of 560-580 "C and held for 15 minutes at this temperature.

Контроль залишкових напружень в оптичних елементах виробів проводять за допомогою полярископа-поляриметра, який фіксує різницю ходу звичайного та поляризованого променів у склі в залежності від кольорової картинки в ньому. Сильнонапружене скло має жовтий колір з різницею ходу променів 325 нм, зовсім ненапружене скло - пурпурно-фіолетовий, а малонапружене скло - червоний з різницею ходу променів до 25 нм.Control of residual stress in the optical elements of products is carried out with the help of a polariscope-polarimeter, which records the difference in the path of ordinary and polarized rays in the glass, depending on the color image in it. Highly strained glass has a yellow color with a beam path difference of 325 nm, completely unstrained glass is purple-violet, and low strained glass is red with a beam path difference of up to 25 nm.

Завдяки заявленому способу забезпечується герметичне з'єднання алюмінієвого сплаву з оксидними матеріалами при температурах паяння 560-580 "С і низькі залишкові напруги в паяльному швіThanks to the claimed method, a hermetic connection of aluminum alloy with oxide materials is ensured at soldering temperatures of 560-580 "C and low residual stresses in the solder joint

Технічним результатом корисної моделі є: - використання методу електронно-променевого випаровування металів в вакуумі гарантує чисті ювенільні поверхні металевих покриттів, які напиляються, що дозволяє забезпечувати добрий контакт припою та покриття. - використання адгезійно-активних компонентів металізаційних покриттів і для алюмінієвої деталі (мідь), і оксидних матеріалів (титан) на відміну від індію, який не є адгезійно-активним до скла (відсутність хімічної взаємодії між індієм і склом), що гарантує герметичність з'єднання. - технологічний процес не потребує використання тиску для з'єднання деталей та дорогих дорогоцінних металів (золота) в якості металізаційного покриття.The technical result of the useful model is: - the use of the method of electron-beam evaporation of metals in a vacuum guarantees clean juvenile surfaces of metal coatings that are sprayed, which allows to ensure good contact of the solder and the coating. - the use of adhesive-active components of metallization coatings for both aluminum parts (copper) and oxide materials (titanium), unlike indium, which is not adhesive-active to glass (lack of chemical interaction between indium and glass), which guarantees tightness from unity - the technological process does not require the use of pressure to connect parts and expensive precious metals (gold) as a metallization coating.

Здійснення способу ілюструється наступним прикладом.The implementation of the method is illustrated by the following example.

Приклад 1. Паяний кварцово-алюмінієвий вузол геологічного устаткування складається з тубуса 3, виготовленого з алюмінієвого сплаву АМу, до торця якого припаяний диск з кварцового скла 1 (Фіг.-). Електронно-променевим способом наносять на торець тубуса металізаційний шар міді 4 завтовшки 900 нм, а на плоску поверхню кварцового диску по колу - бо металізаційне кільце титанової наноплівки 2 завтовшки 150 нм, зовнішній та внутрішній діаметри якого співпадають з зовнішнім та внутрішнім діаметрами торця алюмінієвого тубуса.Example 1. The soldered quartz-aluminum node of the geological equipment consists of a tube 3 made of aluminum alloy АМу, to the end of which a disc of quartz glass 1 is soldered (Fig.-). A metallization layer of copper 4 with a thickness of 900 nm is applied to the end of the tube by the electron beam method, and a metallization ring of titanium nanofilm 2 with a thickness of 150 nm is applied to the flat surface of the quartz disk in a circle, the outer and inner diameters of which coincide with the outer and inner diameters of the end of the aluminum tube.

Свинцево-індієвий припій 5 у вигляді кільця завтовшки 0,5 мм, зовнішній та внутрішній діаметри якого відповідають торцю тубуса, закладають між деталями, що з'єднуються. Паяння виконують у вакуумі 2-3х103 Па при температурі 560 "С протягом 15 хв. Паяний вузол є вакуумнощільним, витримує більш ніж 100 термоциклів за режимом -20-200 "С. Кварцова деталь є мало напруженою, різниця ходу звичайного та поляризованого променів в ній складає 25 нм.Lead-indium solder 5 in the form of a ring with a thickness of 0.5 mm, the outer and inner diameters of which correspond to the end of the tube, is placed between the parts to be connected. Soldering is performed in a vacuum of 2-3x103 Pa at a temperature of 560 "C for 15 minutes. The soldered assembly is vacuum-tight and can withstand more than 100 thermocycles at -20-200 "C. The quartz part has little tension, the difference in the course of normal and polarized rays in it is 25 nm.

Наведений спосіб виготовлення паяних малонапружених кварцово-алюмінієвих та сапфіро- алюмінієвих виробів дає змогу отримувати вакуумнощільні спаї за допомогою пластичного свинцево-індієвого припою, який має температуру плавлення 560-580 "С. Даний спосіб може бути застосований при виготовленні геологічної апаратури, яка працює при температурах -20- 200"С за принципом гаммакаротажу, де велике значення має максимальне зниження механічних напружень в оптичному елементі, які неодмінно виникають в нероз'ємному з'єднанні матеріалів з великою різницею КТР.The given method of manufacturing soldered low-stress quartz-aluminum and sapphire-aluminum products makes it possible to obtain vacuum-tight joints with the help of plastic lead-indium solder, which has a melting temperature of 560-580 "C. This method can be used in the manufacture of geological equipment that works at temperatures -20- 200"C according to the principle of gamma logging, where the maximum reduction of mechanical stresses in the optical element, which necessarily arise in the inseparable connection of materials with a large difference in CTR, is of great importance.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA The method of manufacturing soldered low-stress quartz-aluminum and sapphire-aluminum products in systems with a large difference in thermal expansion coefficients, in which a metallization layer is applied to aluminum and connected to quartz glass and sapphire using solder containing indium, which differs in that a metallization nanofilm of titanium, the thickness of which does not exceed 150 nm, is sprayed on the surface of a quartz or sapphire part, a metallization layer of copper is sprayed on the surface of an aluminum part, the thickness of which does not exceed 900-950 nm, and soldering is carried out in a vacuum using plastic lead - indium solder, which has an indium content of 15 wt. 95.: Shche - chen men k Y ikh GTU UKY PMM IIM S solenya rya in xx v y . in Ok o in MY ze o ovifovknkyuuyuuvo vv ofov oon ooo nyk ovo doro, Our shi our: B I 5 x KM : KH nu z sce i pn: shi nn sn zve