真空钎焊的钛与氧化铝陶瓷 陶瓷的连接比金属与金属的连接更困难，因为陶瓷不会被用于钎焊的填充金属润湿。陶瓷的这种不润湿倾向需要进行表面改性以提高陶瓷对钎料金属的润湿。这项工作的重点是使用纯金作为填充金属将氧化铝 (Al2O3) 陶瓷与 Ti 金属连接起来。需要使用纯金，因为当接头组件从钎焊温度冷却到室温时，它释放热应力（通过使纯金钎焊塑性变形），因为它是生物相容的。与使用纯金相关的缺点是，金的高熔点高于 Ti 的同素异形转变，并且钛和金反应并形成一系列金属间化合物 (IMC)，其中一些易碎且可能对性能有害的联合大会。通过了解金属间化合物随温度和时间的反应和生长动力学，可以避免或最小化这些金属间化合物的形成，从而提高接头强度。这是通过电阻加热要钎焊的部件来实现的。快速电脉冲用于加热零件，而不是在炉中使用缓慢加热，为金属间化合物 (IMC) 的形成和生长提供足够的时间。 Ta电极用作加热元件，热蒸发器（JEOL JEE-4X）用于真空环境，大电流数字电源用于电阻加热过程中的电流源以钎焊零件。陶瓷与金属钎焊过程中必须克服的挑战是 (i) 液体钎焊合金对陶瓷的润湿倾向差 (ii) 热膨胀系数 3 陶瓷和金属之间的不匹配导致界面处产生应力以及 (iii) ) 钎料和金属之间的相互作用。

钛是对空气、氮气或氢气非常活泼的金属。在目前的工作中，钎焊是在热蒸发器内的 5 X 10-4 帕斯卡量级的真空中进行的。氧化铝陶瓷在钎焊前通过溅射对金具有良好润湿性的难熔金属薄膜在要制成钎焊接头的区域金属化（初始工作使用 500 nm 厚的 Nb 金属）。纯度为 99.99% 的纯金金属预制棒使用钎焊填充金属。展示了在氦检漏仪上泄漏率约为 1.6 X 10-8 atm-cc/sec 的密封接头。在目前的工作中进行电阻钎焊的优点是钎焊可以以更快的升温速率进行，整个过程不到一分钟即可完成。这很重要，因为 Ti 与金发生反应，导致金和 Ti 之间发生 4 4 种金属间化合物反应，如图 1.2 [1] 中的二元相图所示。其中两种金属间化合物可能很脆，因为它们没有固溶性。脉冲电阻加热的使用限制了熔融金与钛相互作用的时间，因此这些金属间相的生长减少了。形成金属间化合物的问题无法完全避免，但已大大减少。当使用扫描电子显微镜 (SEM) 和扫描透射电子显微镜 (STEM) 分析样品时，观察到 IMC 的形成。对 Ti 表面上的金进行的润湿研究显示了基材材料的反应润湿和溶解。使用快速加热工艺的另一个优点是，Ti 在 883 o C 时会经历从 α 相到 β 相的同素异形转变，并且 β 相中的晶粒生长动力学要快一个数量级 Ti 和 Au 的二元相图 [ 1] 5 比在 alpha 阶段 [2-3]。这会导致最终产品中的晶粒尺寸较大，从而导致钛金属较软，这对器件的性能是不利的。还对不同金属上的金进行了润湿研究，以确定陶瓷金属化的最佳薄膜。 在这两种情况下都需要较低的润湿角，因为较低的润湿角有助于熔融金在要连接的金属之间的扩散和毛细上升。