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钎焊是连接陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷最常用的方法之一，欲通过熔化焊使金属与陶瓷材料产生接触是不可能的，陶瓷材料也很难被熔化的金属所湿润。因此，为了实现陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间的钎焊，必须使钎料能够与陶瓷表面发生作用。为达到此目的，可采用两种方法：一是在钎料中加入活性元素，使其能够与陶瓷发生作用；二是使陶瓷表面金属化。
1.陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间钎焊存在的问题
1）钎料难以润湿陶瓷。
2）金属基钎料与陶瓷钎焊时产生热应力。
由于金属基钎料与陶瓷的线胀系数相差较大，因此，钎焊时会产生较大的热应力，导致接头性能降低，甚至产生裂纹。
2.解决的措施
（1）采用活性钎料 在钎料中加入能够与陶瓷表面发生化学反应的元素，这种元素叫活性元素。通过钎料中的活性元素与陶瓷表面发生化学反应，从而实现表面的强力结合。
过渡族元素Ti、Zr、Cr、V、Hf、Nb、Ta等，通过化学反应可以在陶瓷表面形成反应层，这种反应层主要由金属与陶瓷的复合物组成，这种复合物在大多数情况下表现为与金属相同的结构，因此，可以被熔化的金属润湿。
1）采用加Ti的活性钎料。
①Ag-Cu-Ti系。经常应用的活性元素是Ti，在Ag、Cu或Ag-Cu的共晶中加入1%～5%的Ti。常用的Ag-Cu-Ti三元系活性钎料是在Ag-Cu二元系钎料的基础上加入活性元素Ti形成的Ag-Cu-Ti三元系活性钎料。
②Ag-Cu-Ti系钎料的改善。钎焊工业纯Ti与Al 2 O 3 陶瓷时，在Al 2 O 3 陶瓷表面涂一层TiH 2 ，可以改善接头强度。用TiH 2 涂覆在陶瓷表面，采用Ag基非活性钎料也可以得到很好的钎焊接头。
③减小脆性的方法。在钎焊Al 2 O 3 陶瓷与Fe-42Ni合金时，为防止活性元素Ti扩散入Fe-42Ni中而产生缺陷，在Fe-42Ni合金表面镀一层5μm厚的Ni、Cu或Ni与Cu的阻挡层。先用有机黏结剂将TiH 2 涂覆在Al 2 O 3 陶瓷表面，再用Ag-Cu-Ti系钎料在850～900℃的氮气中进行钎焊。采用表面镀Ni或Ni与Cu的阻挡层时，Fe向钎缝和Al 2 O 3 陶瓷表面过渡得较少。Fe向钎缝和Al 2 O 3 陶瓷表面过渡得越少，接头强度越高。
2）采用加Zr的活性钎料Ag-Cu-Zr系。试验发现，用Ag-Cu-Zr系钎料在750～950℃的真空中钎焊99.9%纯度的α-Al 2 O 3 陶瓷与Ni-Cr钢和Cu时，结果发现，在陶瓷与钎料的界面上形成了6.0～10.0μm的ZrO 2 层。如果在这种钎料中再加入Sn，则可以使Zr的活性进一步增大，界面反应形成的ZrO 2 层增厚，并使Cu-Zr化合物的比例减小，从而提高了接头强度。在Ag-Cu-Zr系钎料中加入Al也有类似的效果。但Ag-Cu-Zr系钎料的活性不如Ag-Cu-Ti系钎料。
3）采用加Pd的活性钎料Ag-Cu-Pd系。可以用Pd代替Ti作为活性钎料来钎焊陶瓷材料。
4）采用低熔点活性钎料。以Sn或Pb为基的活性钎料，其熔点在300℃以下。由于这些活性元素对氧的亲和力较大，极易被氧化，因此，用这种钎料钎焊时，必须在真空中或纯度很高的保护气体（比如惰性气体）中进行，钎焊温度下真空度一般要高于10 -2 Pa。
在钎料中加入In可以改善钎料的流动性和提高活性元素Ti的活度。用In-Ti、In-Ag-Ti及In-Ag-Cu-Ti钎料，在650～900℃的真空中钎焊AlN和Cu时，对AlN陶瓷具有良好的润湿性，并可提高接头的强度，这是因为Cu向钎缝中扩散形成了In 9 Cu 4 。
5）含铪（Hf）的镍基高温活性钎料。工程陶瓷的熔化温度很高，多应用于高温环境，钎料（绝大部分是银基）的熔点一般较低，一般不能超过400～500℃，不能适应高温工作环境。为了提高陶瓷和陶瓷-高温合金钎焊接头的使用温度，必须大幅度提高钎料的熔化温度，同时还要具备耐腐蚀、抗氧化以及与高温合金之间的冶金相容性。最近，我国研制出了一种含铪（Hf）的镍基高温活性钎料。这种钎料中的铪能够与镍形成熔点为1152℃、1202℃和1132℃的三种Ni-Hf共晶。
（2）对陶瓷表面的预金属化 陶瓷表面的预金属化，不仅可以改善非活性钎料对陶瓷的润湿性，而且，还可以用于高温钎焊时保护陶瓷不发生分解，从而防止产生空洞。以性能较好的Si 3 N 4 陶瓷为例，在真空中（10 -3 Pa）1100℃以上就要发生分解，而产生空洞。用耐热钎料对Si 3 N 4 陶瓷进行钎焊时，钎焊温度都较高，Si 3 N 4 陶瓷很容易发生分解。为了解决这一问题，可以在Si 3 N 4 陶瓷表面进行预涂层或改变钎焊气氛来实现。比如，用Ag-Cu-In-Ti系活性钎料在133.3×10 -5 Pa的高真空中、900℃下将陶瓷预涂覆10min后，再用Pd-Ni-Ti钎料在1250℃下钎焊时，就可以有效地防止Si 3 N 4 陶瓷发生分解。
（3）减少热应力对陶瓷与金属钎焊质量的不利影响
1）采用中间层。由于陶瓷与金属的线胀系数不同，因而在钎焊接头中产生热应力，尤其是在界面上的陶瓷边沿会产生高应力。为了解决这个问题，可以通过使用塑性材料或线胀系数适合陶瓷的材料作为中间层材料或两种以上的中间层材料来降低应力，但这样也使接头性能复杂化。
2）改进接头形式。将陶瓷与金属的连接面由平面改为圆弧面（陶瓷为凸面，金属为凹面）。
1.对钎料的要求
由于陶瓷与金属的钎焊应当在氢气炉或者真空炉中进行，当用金属化法对陶瓷制真空电子器件进行钎焊时，对钎料有如下要求：
1）钎料中不能含饱和蒸气压高的合金元素，如Zn、Cd和Mg等，以免在钎焊过程中污染电子器件或造成电介质漏电。
2）钎料中氧的质量分数不能超过0.001%，以免在氢气中钎焊时形成水汽。
2.钎料
（1）金属钎料 陶瓷金属化后再进行钎焊，用得最多的钎料是BAg72Cu，也可以选用其他钎料。表2-24给出了陶瓷与金属钎焊时常用的钎料，它们是未加活性元素的钎料。陶瓷直接钎焊时，应该选择含有活性元素的活性钎料。表2-29给出了直接钎焊陶瓷的高温活性钎料。其二元钎料以Ti-Cu、Ti-Ni为主，这类钎料的蒸气压较低，700℃时小于1.33×10 -3 Pa，可以在1200～1800℃条件下使用。三元系钎料为Ti-Cu-Be或Ti-V-Cr，其中49Ti-49Cu-2Be具有与不锈钢相近的耐蚀性，而且，蒸气压较低，可以在防泄漏及防氧化的真空密封接头中使用。不含Cr的Ti-Zr-Ta系钎料，可以成功地直接钎焊MgO和Al 2 O 3 陶瓷，其接头可以工作在温度高于1000℃的条件下。国内生产的Ag-Cu-Ti系钎料，可以直接钎焊陶瓷与无氧铜，其抗剪强度可达到70MPa。
表2-29 直接钎焊陶瓷的高温活性钎料
（2）氧化物钎料 玻璃体法采用的钎料是利用毛细现象来实现钎焊的，这种方法不加金属钎料，而加无机钎料，如氧化物、氟化物的钎料。氧化物钎料熔化后形成的玻璃相不仅能向陶瓷渗透，而且能润湿金属表面，最后达到钎焊的目的，表2-30给出了用于陶瓷钎焊的玻璃体法氧化物钎料配方。
表2-30 用于陶瓷钎焊的玻璃体法氧化物钎料配方
注：括号中的数据为参考温度。
调整钎料配方可以得到不同熔点和不同线胀系数的钎料，以适应不同陶瓷和金属的钎焊，这种钎料实际上是渗透到陶瓷晶粒间空隙的黏结相（如Al 2 O 3 、Y 2 O 3 、MgO等）以及杂质SiO 2 。钎焊在超过1530℃的高温下（约相当于Y-Si-Al-O-N的共晶点）进行，不需加压，通常用氮气保护。由于玻璃体固化后韧性极低，无法承受陶瓷的收缩，只能依靠调配其成分使其线胀系数尽可能与陶瓷的线胀系数相近。因此，这种方法的实际应用是比较困难的。
1.金属与陶瓷之间钎焊的注意事项
（1）合理选择金属与陶瓷之间的匹配 选择线胀系数相近的金属与陶瓷匹配，如钛与镁橄榄石陶瓷和镍与95%Al 2 O 3 陶瓷的钎焊，它们在800℃之内的线胀系数基本一致。还可以利用金属的塑性变形来降低钎焊接头的残余应力，如无氧铜与95%Al 2 O 3 陶瓷之间的钎焊。虽然金属与陶瓷之间的线胀系数相差较大，但是，由于可以利用无氧铜良好的塑性和延展性来降低钎焊接头的应力，仍可得到优质的钎焊接头。选择高强度、高热导率陶瓷，如BeO、AlN等，也可以降低钎焊接头的应力，改善钎焊接头性能。图2-18给出了金属与陶瓷钎焊结构的应用实例。
（2）利用金属件的弹性变形来降低钎焊应力利用薄壁金属零件的弹性变形，设计出绕形结构以释放应力，如图2-19所示。
（3）避免应力集中 陶瓷零件应避免尖角厚度的突变，尽量采用圆形或者圆弧过渡。
图2-18 金属与陶瓷钎焊结构的应用实例
图2-19 绕形结构
（4）合理地选择钎料 选择屈服强度低和塑性好的钎料，如Ag-Cu共晶、纯Ag、纯Cu、纯Au等，以最大限度地释放应力。由于这些纯金属价格昂贵，因此钎料应尽可能地薄及选择适当的焊脚长度，一般以0.3～0.6mm为宜。
2.陶瓷-金属钎焊工艺
（1）陶瓷金属化钎焊工艺 以Mo-Mn陶瓷金属化钎焊为例，钎焊步骤如下：
1）零件的清洗。陶瓷零件可以在超声波清洗机中用清洗液清洗，然后用离子水清洗后烘干。金属零件要经过碱洗或者酸洗，以去除其表面的油污和氧化膜等，并用清水清洗和烘干。
2）涂膏。涂抹已经调配好的Mo-Mn膏剂（粉末粒度1～5μm），用毛刷涂抹到需要金属化的陶瓷表面上，涂层厚度为30～60μm。
3）陶瓷金属化。将涂抹好的陶瓷件放入氢气炉中，在1300～1500℃的温度下保温0.5～1h。
4）镀镍。金属化层是Mo-Mn层，难以被钎料润湿，必须镀上一层4～5μm厚的镍。
5）装配。将处理好的金属和陶瓷或者陶瓷与陶瓷的待钎焊面夹上钎料。
6）钎焊。将装配好的工件置入氢气炉或者真空炉中进行钎焊，钎焊温度由钎料决定，并选择合适的加热和冷却速度。
7）出炉检验。按要求进行检验。
（2）活性钎焊加工工艺 以活性金属Ag-Cu-Ti系钎料的钎焊为例，钎焊步骤如下：
1）零件的清洗。陶瓷零件可以在超声波清洗机中用清洗液清洗，然后用离子水清洗后烘干。金属零件要经过碱洗或者酸洗以去除其表面的油污和氧化膜等，并用清水清洗和烘干。
2）制膏。用纯度大于99.7%、粒度为270～360号筛的钛粉，加入质量分数约为钛粉1/2的硝酸棉溶液及少量草酸二乙酯稀释，调成糊状。
3）涂膏。用毛刷将活性金属Ti钎料的膏剂均匀涂抹到陶瓷被钎焊表面上，涂层厚度为25～40μm。
4）装配。将晾凉膏剂后的陶瓷件之间或者与处理好的金属待钎焊面之间夹上Ag-Cu系钎料（如AgCu28）。
5）钎焊。在真空炉中钎焊，真空度为5×10 -3 Pa时，逐渐缓慢升温到780℃，使钎料熔化，然后再升温到820～840℃，保温3～5min（温度过高或者保温时间过长都会使活性元素与陶瓷反应过于强烈，引起组织疏松）后缓慢冷却。必须注意加热和冷却速度，以免因为加热和冷却太快而形成裂纹。
6）出炉检验。按要求进行检验。
在用Ag-Cu-Ti钎料钎焊Si 3 N 4 陶瓷和Cu的接头时，Cu表面粗糙度和钎焊中的加压对剪切功和抗剪强度有影响。Cu表面越光滑，剪切功和抗剪强度越高；施加不大压力（2.5kPa）就可以明显提高接头的抗剪强度。原因是施加不大压力可使先熔化的Ag钎料被挤出，剩余的钎缝中的富Cu相较多，Cu比Ag软更易变形，有利于减缓接头应力；若施加太大压力，大量钎料被挤出，活性元素Ti量减少，使之不易润湿陶瓷，因此，强度降低。
