Лента для спаев стекло-металл: ковар 29НК, 27КХ и согласование ТКЛР

Когда нужна лента для спая со стеклом — герметичных вводов, ножек и корпусов вакуумных и полупроводниковых приборов, — прочность и коррозионная стойкость отходят на второй план. Главное здесь одно число: температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР). Металл ленты и стекло при остывании спая должны сжиматься с одной скоростью, иначе на границе рождаются напряжения, и герметичный шов трескается ещё на конвейере.

Почему именно ковар 29НК и 27КХ

Спай стекло-металл — это застывший стеклянный «клей» на металле, работающий на растяжение и сжатие. Стекло почти не тянется: его предел прочности на растяжение всего несколько десятков МПа. Если металл при охлаждении с 800–900 °C (температура спаивания) сожмётся сильнее стекла, он оторвётся от шва и оставит микротрещину; сожмётся слабее — раздавит стекло изнутри. Поэтому ТКЛР металла подбирают так, чтобы кривая его расширения повторяла кривую стекла во всём интервале от комнатной температуры до размягчения.

29НК (ковар) — сплав железа с 29 % никеля и 17 % кобальта. Его ТКЛР в интервале 20–400 °C держится в узком коридоре 4,5–5,2·10⁻⁶ 1/°C — практически как у твёрдых боросиликатных стёкол типа C52 (около 5,0·10⁻⁶). Для сравнения: обычная углеродистая сталь расширяется втрое сильнее, около 12·10⁻⁶ 1/°C, и в паре со стеклом непригодна в принципе. Плотность ковара 8,36 г/см³, а важная деталь — точка Кюри около 435 °C: выше неё сплав теряет магнитные свойства и, что критично, характер кривой расширения меняется, поэтому весь диапазон согласования лежит ниже этой точки.

27КХ близок к ковару по назначению: это тоже железоникелькобальтовый прецизионный сплав с ТКЛР того же порядка, применяемый для спаев с твёрдыми стёклами. Его берут как альтернативу 29НК под конкретную марку стекла или при своей номенклатуре поставки. Оба сплава относятся к прецизионным по ГОСТ 10994-74 — то есть их химсостав и, как следствие, ТКЛР жёстко нормированы, что и позволяет получать повторяемый спай от партии к партии.

Отдельно подчеркнём: несогласование ТКЛР — самая частая причина брака спая. Разница даже в 1·10⁻⁶ 1/°C при перепаде в несколько сотен градусов даёт заметные остаточные напряжения; спай может выдержать сборку, но лопнуть при первом же термоцикле в работе прибора.

Сравнение кандидатов

Видно, что ковар и 27КХ ложатся почти точно на ТКЛР стекла C52, а обычная сталь выпадает из коридора более чем вдвое — именно поэтому в спаях со стеклом сталь не применяют ни при каких условиях.

Толщина и типоразмеры под задачу

Толщину ленты для спая выбирают по геометрии ввода и по тому, сколько тепла шов должен отвести. Тонкие вводы и ножки приборов штампуют из ленты 0,15–0,5 мм; массивные корпуса и фланцы — до 1,0 мм. Слишком толстая деталь остывает неравномерно и создаёт лишние термонапряжения в стекле, слишком тонкая — коробится при спаивании. Ширина типовая — от 5 до 40 мм под конкретный посадочный размер. Прикинуть массу и метраж рулона под партию удобно заранее — см. калькулятор массы и метража; полный диапазон толщин и допусков разобран на странице типоразмеров и допусков.

Состояние поставки

Для спаев заказывают мягкую (отожжённую) ленту, причём отжиг ковара делают в водороде или вакууме — это очищает поверхность от углерода и оксидов, без которых спай не смачивается стеклом. Нагартованная лента здесь неприемлема: наклёп меняет ТКЛР и при спаивании всё равно снимается отжигом, но уже неконтролируемо. Чем отличаются отожжённая, полунагартованная и нагартованная лента — в разделе состояний поставки.

Частые ошибки при выборе

• Берут ковар под любое стекло. 29НК согласован с твёрдыми боросиликатными стёклами (C52 и близкими). Под лёгкоплавкое или платиновое стекло нужен сплав с другим ТКЛР — совпадение марки со стеклом обязательно проверять.
• Игнорируют точку Кюри. Выше ~435 °C кривая расширения ковара ломается; если рабочая температура прибора уходит за неё, согласование, рассчитанное на нижний диапазон, перестаёт работать.
• Заказывают ленту без водородного отжига. Углерод и оксиды на поверхности не дают стеклу смочить металл — спай получается негерметичным даже при идеальном ТКЛР.
• Ставят обычную сталь «для экономии». ТКЛР стали ~12·10⁻⁶ против ~5·10⁻⁶ у стекла — спай трескается сразу при остывании.
• Не контролируют партию по ТКЛР. Отклонение химсостава внутри допуска ГОСТ уже сдвигает ТКЛР; для ответственных приборов состав каждой партии подтверждают сертификатом.

Итого — что заказывать

• Герметичный ввод, ножка вакуумного прибора под стекло C52 → 29НК, мягкая (водородный отжиг), 0,15–0,5 мм, ГОСТ 10994-74.
• Корпус, фланец, массивная деталь спая → 29НК, мягкая, 0,5–1,0 мм, ГОСТ 10994-74.
• Альтернатива ковару под конкретную марку стекла → 27КХ, мягкая, 0,1–1,0 мм, ГОСТ 10994-74.
• Прецизионная лента с нормированным ТКЛР → 29НК по ГОСТ 14082-78 с сертификатом по расширению.

Что почитать дальше

Если задача смежная по прецизионным сплавам, посмотрите ленту для магнитопроводов и реле — там те же прецизионные железоникелевые сплавы, но подобранные по магнитным свойствам. Для термочувствительных узлов пригодится лента для термобиметалла и термостатов, а для герметичных вводов нагревателей — лента для нагревателей. Общий алгоритм подбора — на странице как выбрать ленту.

Справочно: ковар и спай стекло-металл в Википедии, тексты ГОСТов — на портале Росстандарта, а данные по коваровым сплавам — в каталогах производителей прецизионных сплавов (например, Aperam).