瓷封焊料的工艺性对真空灭弧室封接质量的影响
侯曙波郭莉
( 陕西宝光真空电器股份有限公司，宝鸡721006)
[摘要]本文针对一次封排真空灭孤室在生产过程中出现的一次批量较大的慢漏气现象，借助电镜和俄歇能谱现代分析手段，对漏气的真空灭弧室封接截面处进行微观的形貌、成分、结构分析以及对使用不同的瓷封焊料的工艺性能、质量性能进行对比，从钎焊的工艺及金属凝固原理分析研究，得出了目前一次封排工艺中，陶瓷真空灭弧室封接截面的形貌分布特点，慢漏气灭弧室的特征及造成该次慢漏气的主要原因，以及瓷封焊料的工艺性能对灭弧室质量的影响。
[关键词]漏气镀镍层富银带渗透润湿
一、问题的提出
我公司在生产一次真空灭弧室时,在封排后曾出现过加压后批量慢漏气的现象。当时我们立即查找原因,对漏气的灭弧室进行检漏，对其陶瓷封接处进行电镜分析，对瓷封的焊料进行表面清洁分析。采取对一次封排炉进行彻底清洁及空烧再生处理，在工艺上调整一次封排工艺中的升温速率、保温时间、充氮温度，更换不同批次及厂家的金属化瓷件、均压封接环和触头材料等解决措施，但均未从根本上解决慢漏问题。在我们进一步对不同产地的金属化瓷件、陶瓷金属封接处进行形貌分析，优化工艺，甚至改进封接结构的同时，在生产过程中我们发现所使用的瓷封焊料有局部发脆及局部起层现象,经烧氢退火后有的出现气泡。在其它任何条件不变的情况下，更换焊料进行试验，经过批量投料试验，该系列的灭弧室成品率明显上升,达95%以上。批量漏气问题得到了解决，生产恢复正常。
为了验证焊料的质量问题是造成此次产品漏气的主要原因，我们做了大量的分析工作，从陶瓷金属封接截面形貌的微观分析，对不同的瓷封焊料的工艺性能、质量性能进行对比，从钎焊的工艺及金属凝固原理分析研究，得出了目前在一次封排工艺中，陶瓷真空灭弧室封接截面的形貌分布特点，慢漏气灭弧室的特征及主要原因，以及瓷封焊料的工艺性能对灭弧室质量的影响。
二、陶瓷金属封接截面的微观分析
将国内外不同厂家生产的金属化瓷件与用国产焊料HlAguCu28加工的灭弧窒的封接处进行取样。用电镜分析了26个试样的封接处截面形貌及成分，通过比较分析研究，得到以下相关结果。
1.陶瓷金属封接截面的形貌分布
从电镜分析中，我们可以看出，陶瓷金属封接截面，从95瓷到焊缝中央有非常明显的几个区域，经过电镜能谱EDS分析鉴别，它们依次为95氧化铝瓷--金属化Mo-Mn层--富Ag带区--镍和银铜焊料混合区--银铜焊料区。(见图1)
陶瓷金属化上的镀镍层不再以单独形式出现，且出现了富银带的现象。
2.陶瓷金属封接中金属化镍层消失
(1)镍层消失原因
众所周知，HlAgCu28是银铜焊料中最为普遍使用的一种共晶焊料。其熔流点温度为779℃，它能润湿镍、铜及其合金、不锈钢、可伐等多种金属材料。目前，陶瓷真空灭弧室所用瓷件的金属化镀镍层平均厚度仅为5μm左右。陶瓷真空灭弧室在一次封排中，当钎焊温度达到800℃以上时，呈液态状的HlAgCu28焊料能很好地润湿陶瓷金属化的镍层表面并相互作用，使镍层表面发生溶解。由于镀镍层不可能很致密,液态银铜焊料会不断向镍层内部进行扩散渗透，使它与银铜焊料共同组成为一个Ni—Ag—Cu多元体系的固溶体合金溶液。
(2)金属化钼层表面会形成冶金结合组织
当液态银铜焊料扩散到金属化Mo—Ni界面时，同样它也会与固态金属化Mo层表面发生相互作用，一方面会有少量钼溶解，另一方面液态银铜焊料又会在Mo层表面进行扩散，其中铜会优先沿着Mo层表面扩散开来。但银铜焊料对钼润湿性差，故这种扩散是有限的，并且难于向Mo层内部进行渗透。这样，固态金属化Mo层前沿区域内的溶液成分就变成一个由Mo—Ni—Cu—Ag组成的多元体系的合金溶液了。
根据金属凝固原理，凝固过程是在热力学和动力学条件共同作用下完成的。在降温冷凝结晶过程中，首先在固态金属化Mo层表面交界层开始成核，形成晶间结合或晶内结合的晶粒，而且最初结晶出来的合金成分由熔点较高的金属元素组成。从电镜能谱EDS分析可知，在Mo表层及其邻近区域内形成的合金成分均由Mo—Ni—Cu三种元素组成。它与Mo层间的界面结合是冶金结合，因而具有较高的结合强度和塑性。在应力作用下，不易沿结晶相的晶界产生裂纹。相反，如果金属化的镀镍层很厚(如平均厚度约17μm)，那么,在封接时镀镍层与液态银铜焊料相互作用后不可能完全溶解而消失，这时余下的镍层和金属化Mo之间的界面结合,基本上仍保留其原来的物理结合形式，显然其机械强度远低于冶金结合的强度。在相同应力作用下，有可能沿两界面间的晶界产生微裂纹。可见，镀镍层太厚，对于气密性而言，反而使其可靠程度降低。如果金属化的镀镍层太薄，平均厚度在2um以下，由于金属化Mo层表面及其前沿由Mo—Ni—Cu三种元素组成的体系所形成的晶粒数少、区域小，冶金结合不充分，在冷凝收缩或受力作用时，容易沿晶界产生微裂纹，造成慢漏气。
3.陶瓷金属封接中金属化层附近会形成富银带区域
大量的电镜分析可以清楚地看出：陶瓷金属化镀镍层消失后，会在原镀镍层下部靠近金属化Mo层处形成带状的富Ag区域，我们称它为富银带，富银带的银含量非常高，银含量占98.21%，还有1.79%的铜。
我们通过大量的电镜分析证实：真空灭弧室经加压后，造成漏气的主要原因是在陶瓷金属封接的焊缝中形成一层致密连续的富银带所致，同时产生漏气几率绝大多数都发生在动端的陶瓷金属封接处。
(1)富Ag带的类型
如果形成的富Ag带致密且连成一片，会引起其上下两侧晶界处的强度下降，在应力作用下易产生微裂纹，一经加压后，将使微裂纹扩展造成漏气。见图2。发生漏气的灭弧室动静两端结构不同，封排后动端应力略大于静端。
相反，若形成的富Ag带不是致密连续的，于是由富Ag相和Ni—Ag—Cu相混合组成疏松不连续的结构，由于强度增加了，一般不易在富Ag带侧面上产生裂纹，加压后也不会漏气。见图3、图4。
因此，我们把富Ag带分成为致密连续的富Ag带和疏松不连续的富Ag带两种。前者结构易产生裂纹漏气，后者一般不易产生裂纹和漏气。
(2)富银带形成原因
在钎焊温度下，液态HIAgCu28焊料与固态金属化层间相互作用的结果，形成了新的多元体系的合金溶液，不再是单纯的银铜合金溶液了。在金属化Mo层表面及其邻近处形成的是Mo-Ni—Ag—Cu四元合金体系溶液，而原镀镍层及其邻近区域形成的是Ni—Ag—Cu 三元合金体系溶液，只有焊缝中央区范围内才是银铜合金体系溶液。在降温冷却凝固时，结晶过程是由焊缝边缘向中心区发展的。结晶首先在Mo层表面及其边缘形成晶核，在构成的多元合金体系溶液中，熔点高的金属元素会优先进行成核并长成晶粒，因此，最初结晶出来的晶粒，将是溶液中具有较高结晶温度的金属组份，这些晶粒由MoNiCu相和NiMoCu相混合而成的。与此同时，合金溶液的成分、浓度、密度也会相继发生变化。这样，在靠近陶瓷金属化Mo层一侧尚未凝固的合金溶液中，Ag的百分比含量则大大升高，而Mo、Ni、Cu的百分比含量则显著降低，溶液就会过渡成为Ag的富集区了。离陶瓷金属化Mo层表面稍远的区域合金溶液受此影响小，其组份基本上维持Mo、Ni、Cu三元合金溶液，在相同的凝固温度下，显然这种合金溶液的流动性要差，而Ag的富集区溶液，其表面张力和粘度均较小，流动性好，凝固过程中容易被挤在一起。依据凝固原理，银铜共晶焊料溶液在凝固条件下还有其自身特点，在钎焊接头的固液界面前沿的液相成分中，同样会形成Ag的富集区，结晶后会生长出Ag的光滑支晶来。此外，如果支晶间的溶体和它相邻外界未凝液体彼此相通时，还会发生流动。因此，凝固结晶完成后，就形成了具有一定宽度的富Ag带区域。可见，由HIAgCu28焊料形成的焊缝合金溶液，从液态冷却转变为固态时，由于焊缝的温度不可能完全相同，存在一定的温度梯度，加之，焊缝中合金溶液的成分、浓度、密度的变化，于是结晶时在焊缝中就容易出现组织成分各处有别，形成区域偏析，从而引起富Ag区的形成和发展，最终成为一个富Ag带。
(3)影响富银带类型的因素
影响富银带类型的主要因素是由焊料工艺性能的差别而产生的，这是在生产实践及电镜分析中得到验证的事实。
焊料的工艺性能(如流动温度、对基体金属的润湿性、漫流性等)将直接影响焊缝的形成和钎焊接头的性能。国内不同厂家生产的同类HIAgCu28焊料，由于采用的工艺方法及工艺参数如浇铸的方式方法，碾轧工艺参数及退火工艺等不尽相同，而且生产环境质量状况和管理水平的差异都可影响焊料的工艺性能。陶瓷真空灭弧室采用一次封排工艺时，在相同的钎焊温度下，若选用了工艺性能欠佳的焊料进行钎焊，因其流动性、润湿性、漫流性欠佳，钎焊后在陶瓷金属封接处容易形成致密连续的富Ag带，由此产生裂纹而漏气。
我们用不同厂家生产的H1AgCu28焊料在镀有镍层的1Crl8Ni9Ti不锈钢板上进行润湿性试验，试验表明：不同厂家生产的焊料的工艺不同，润湿性有差别。
另外，我们对使用的不同厂家的焊料进行了常规(焊料的清洁性、溅散性)及杂质含量的检验，经电镜及俄歇能谱仪分析确认，这些技术指标都符合国家标准要求，属合格产品，且
各项指标差异不大，这说明各厂家所选的焊料原材料和生产设备及手段符合基本要求。
但有些焊料在冲制过程中，有局部出现发脆的现象，经电镜观察其形貌，未发现其晶粒度有何差异，说明发脆并不是因晶粒度变大所致。用俄歇碳针分析，发现发脆区与正常区两者间的C、O含量差别很大，前者的含量为后者的3倍以上，将这种焊料经烧氢处理后，其表面会出现气泡现象，气泡被刺破后其坑内表面和外表面的成分差别较大，坑内表面的含Ag量明显减少，下降了大约50%，而C、O含量明显增大。因此，焊料局部区域存在含碳量高导致发脆的现象，这可能由于焊料生产过程中某个环节的外来污染物(如油脂、灰尘等)所致。
三、结论
从以上的分析论述及我们所做的大量封接截面的形貌、各区域的EDS成份分析及焊料润湿性试验中，可以得到的结论：我们目前的一次封排的工艺是比较稳定的，造成这次产品慢漏的原因由于使用的瓷封焊料的工艺性能质量而造成的。若要对焊料的工艺性能优劣进行全面评价，需做更全面、更细致的分析试验。通过这些分析，使我们对现有一次封排工艺所形成的封接形貌有了一个较全面的了解，为我们以后提高产品的质量提供了思路。
参考文献资料：
1. 北京科技大学胡汉起主编《金属凝固原理》,机械工业出版社,1991。
2. 黄运添、郑德修主编《电子材料与工艺学》，西安交通大学出版，1990。
3. 宋余九编《金属的晶界与强度》,西安交通大学出版,1987。
4. 粟祜主编《真空钎焊》,国防工业出版社,1984。