DE2906802C2

DE2906802C2 - Process for the pretreatment of light metals before soldering

Info

Publication number: DE2906802C2
Application number: DE19792906802
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8755 Alzenau Koehler
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1979-02-22
Filing date: 1979-02-22
Publication date: 1986-07-03
Also published as: DE2906802A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung von Leichtmetalloberflächen vor dem Löten (die üblicherweise mit einer Oxidschicht bedeckt sind), insbesondere von Aluminium, Titan, Magnesium, Beryllium und deren Legierungen, durch Aufbringen metallischer Schichten. Das erfindungsgemäße Verfahren i.»l besonders vorteilhaft beim Weichlöten dieser Metalle.The invention relates to a method for pretreating light metal surfaces before soldering (which is usually are covered with an oxide layer), in particular of aluminum, titanium, magnesium, beryllium and their Alloys, by applying metallic layers. The method according to the invention is particularly advantageous when soft soldering these metals.

Zum Hartlöten von Leichtmetallen ist die Verwendung von Spezial-Loten bekannt. Durch Anwendung sehr aggressiver Flußmittel wird dabei die oxidische Oberfläche angeätzt, so daß eine Lotbenetzung stattfinden kann. Das Weichlöten bereitet in den meisten Fällen jedoch größte Schwierigkeiten und ist bei Magnesium und seinen Legierungen sowie bei AI-Gußlegierungen bisher überhaupt nicht oder nur unter Verwendung von Spezialverfahren (Ultraschall, Reiblöten) möglich. Bekannte aggressive Aluminium-Weichlot-Flußmittel können in der Elektronik-Industrie beispielsweise nicht verwendet werden.The use of special solders is known for brazing light metals. By application a lot If the flux is aggressive, the oxidic surface is etched so that solder wetting can take place. That However, soldering causes the greatest difficulties in most cases and is with magnesium and its Alloys and Al cast alloys so far not at all or only with the use of special processes (Ultrasound, friction soldering) possible. Well-known aggressive aluminum soft solder fluxes can be used in the electronics industry for example, cannot be used.

Es ist bekannt, auf Aluminiumoberflächen metallische Schichten, wie Nickel, Kupfer, Silber, Zinn oder Zink, zur Verbesserung der Lötfähigkeit galvanisch abzuscheiden, doch sind diese Schichten nicht genügend haftfest.It is known to use metallic layers such as nickel, copper, silver, tin or zinc on aluminum surfaces Electroplating to improve the soldering ability, but these layers are not sufficiently adhesive.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, dünne Nickeloder Nickellegierungsschichten, wie z. B. Nickel-Palladiumschichten, auf die zu lötende Unterlage aufzubringen, insbesondere durch Aufdampfen oder Aufsputtern. Diese Verfahren haben aber gewisse Nachteile, da Nickel, vor allem in Dampfform, toxisch wirkt.It has also been proposed to use thin layers of nickel or nickel alloy, e.g. B. Nickel-palladium layers, to be applied to the base to be soldered, in particular by vapor deposition or sputtering. These Processes have certain disadvantages, however, since nickel, especially in vapor form, has a toxic effect.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Vorbehandlung von Leichtmetalloberflächen vor dem Löten zu finden, insbesondere von Aluminium, Titan, Magnesium, Beryllium und deren Legierungen, damit sie sich insbesondere mit normalen Weichloten unter Einsatz der hierfür üblichen Weichlot-Flußmittel fehlerfrei und haftfest löten lassen. Dabei sollten keine toxisch wirkenden Materialien Verwendung finden.The object of the present invention was therefore to provide a process for the pretreatment of light metal surfaces to be found before soldering, especially of aluminum, titanium, magnesium, beryllium and their alloys, so that they can be used in particular with normal soft solders using the soft solder fluxes customary for this purpose Have it soldered without errors and firmly in place. No toxic materials should be used.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf die zu lötende Oberfläche eine Schicht aus einer Palladium-Legierung mit Kobalt und/oder Eisen aufgebracht wird. Vorzugsweise enthalten diese Legierungen 20 bis 70% Kobalt und/oder Eisen und werden in einer Dicke von 0,05 bis 15 μπι aufgebracht.According to the invention this object is achieved in that on the surface to be soldered a layer of a Palladium alloy with cobalt and / or iron is applied. These alloys preferably contain 20 up to 70% cobalt and / or iron and are applied in a thickness of 0.05 to 15 μm.

Diese Oberzüge zeigen überraschenderweise eine sehr gute Haftung auf dem Leichtmetall, insbesondere wenn sie durch Aufdampfen im Vakuum oder durch einen Sputterprozeß aufgebracht wurden. Die Haftung der aufgesputterten Metallatome ist dabei größer als bei einer normalen Hochvakuumbedampfung.Surprisingly, these covers show very good adhesion to the light metal, especially when they were applied by vapor deposition in a vacuum or by a sputtering process. The liability of the sputtered Metal atoms are larger than with normal high vacuum evaporation.

Eine noch bessere Haftung der Auflage auf den zu belötenden Leichtmetalloberflächen wird durch einen vorhergehenden Ionenbeschuß (Glimmentladung) erzielt, wodurch die oxidische Oberfläche zum Teil aufgerauht oder auch sogar abgetragen wird, so daß das Oberzugsmetall sich an das reine Grur.d-Metaü anlagern, kann.An even better adhesion of the support on the light metal surfaces to be soldered is achieved by a previous ion bombardment (glow discharge) achieved, which roughened the oxidic surface in part or even is removed so that the coating metal can attach to the pure Grur.d-Metaü.

Es gibt jedoch auch Leichtmetall-Legierungen, z. B. solche, die Zink und/oder Kadmium enthalten, bei denen dieser Legierungspartner bereits bei der durch den Ionenbeschuß entstehenden Wärme an die Oberfläche diffundiert und sogar teilweise abdampft. Hier ist eine derartige Vorbehandlung ungeeignet. Gut bewährt haben sich bei solchen Leichtmetallegierungen dünne, durch Sputtern aufgebrachte Hart-Zwischenschichten aus Chrom, Titan, Magnesium oder Aluminium in einer Stärke von vorzugsweise 0,02 bis 0,2 um. Besonders bewährt haben sich Titanschichten bei Magnesium oder Magnesiumlegierungen zur Erhöhung der Haftfestigkeit; derartige Zwischenschichen aus Chrom, Titan, Magnesium oder Aluminium sind auch bei nicht zinkhaltigen Leichtmetallegierungen zur Erhöhung der Haftfestigkeit oft von Vorteil. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Palladium-Kobalt- oder Palladium-Eisen-Legierungsauflagen ist deren hohe Kratzfestigkeit, die erheblich höher ist als die der einzelnen Komponenten. Aluminium-Folien oder -Bleche, die mit einer etwa 2 μπι dicken Auflage aus Pd 50Co versehen sind, können deshalb ohne besondere Vorsicht hantiert und gelagert werden. Beryllium-Scheiben können nach Aufbringen der Palladium-Legierung auch nach längerer Lagerung noch ohne Schwierigkeit gelötet werden.However, there are also light metal alloys, e.g. B. those containing zinc and / or cadmium, in which this alloy partner already rises to the surface with the heat generated by the ion bombardment diffuses and even partially evaporates. Such a pretreatment is unsuitable here. Have proven well With such light metal alloys, thin hard intermediate layers applied by sputtering are found Chromium, titanium, magnesium or aluminum in a thickness of preferably 0.02 to 0.2 µm. Particularly proven have titanium layers in magnesium or magnesium alloys to increase the adhesive strength; such Intermediate layers made of chrome, titanium, magnesium or aluminum are also found in light metal alloys that do not contain zinc often an advantage to increase the adhesive strength. Another advantage of the palladium-cobalt according to the invention or palladium-iron alloy coatings are their high scratch resistance, which is considerably higher than that of the individual components. Aluminum foils or sheets with an approximately 2 μm thick layer of Pd 50Co, can therefore be handled and stored without special care. Beryllium discs After the palladium alloy has been applied, they can still be soldered without difficulty even after long periods of storage will.

Folgende Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:The following examples are intended to explain the process according to the invention in more detail:

1. Abschnitte einer Aluminiumfolie von 20 μπι Dicke wurden in einer Sputteranlage herkömmlicher Bauart (Dioden-Sysem) auf den Substrat-Teller aufgelegt. Der Rezipient wurde auf einem Druck von 6 ■ 10"⁶ Torr evakuiert, dann wurde Argon eingelassen und so reguliert, daß bei laufender Pumpe und strömendem Gas der Druck 8 · 10"³ Torr betrug. Zunächst wurde ♦ die Folie durch »Sputter-Ätzen« (Ionenbeschuß) 5 min vorgereinigt. Anschließend erhielt die Folie unter einem Target aus Pd50% Co eine Auflage aus einer 0,1 μπι dicken PdSOCo-Schicht. Diese so behandelten Al-Folien ließen sich mit Weichlot fehlerfrei löten.1. Sections of an aluminum foil of 20 μm thickness were placed on the substrate plate in a sputtering system of conventional design (diode system). The recipient was evacuated to a pressure of 6 × 10 " ⁶ Torr, then argon was admitted and regulated so that the pressure was 8 × 10" ³ Torr with the pump running and the gas flowing. First, ♦ the foil was pre-cleaned for 5 minutes by »sputter-etching« (ion bombardment). The film was then given a layer of 0.1 μm thick PdSOCo layer under a target made of Pd50% Co. These Al foils treated in this way could be soldered without defects using soft solder.

2. »Beryllium-Fenster« für Röntgenröhren müssen in entsprechend gearbeitete Rohrstücke, z. B. aus Vacon-Metall, hart eingelötet werden. Bei dieser Lötung verhindern die oxidischen Metalloberflächen eine Lötung. Man kann das Oxid mechanisch sofort vor der Durchführung des Lötprozesses entfernen, besser geeignet ist aber eine erfindungsgemäße Beschichtung.2. "Beryllium windows" for X-ray tubes must be cut into appropriately machined pipe sections, e.g. B. made of Vacon metal, be soldered in hard. During this soldering, the oxidic metal surfaces prevent one Soldering. The oxide can be removed mechanically immediately before the soldering process is carried out, better however, a coating according to the invention is suitable.

Hierzu wurden die nur am Rand zu lötenden Scheiben in der Mitte mit einem Drehteil abgedeckt. Dann wurden diese Scheiben in der erwähnten Sputteranlage auf den Substrat-Teller gelegt. Der Rezipient wurde bis 6 · 10"⁶ Torr evakuiert, anschließend mit Argon ein Arbeitsdruck von 1 · 10~² Torr eingestellt. Durch Sputter-Ätzen wurde die Oxidschicht von den Beryllium-Scheiben entfernt. Dann erhielten die Scheiben eine Randbeschichtung mit einer 2 um dicken Pd50Co-Auflage unter einem Pd50% Co-Target. Der beschichtete Streifen war etwa 2 mm breit. Diese so beschichteten Be-Bleche ließen sich auch nach einer mehrmonatigen Lagerung noch fehlerfrei mit Hartlot (z. B. 65% Ag, 20% Cu, 15% Pd) bei ca. 900° C in Rohrstutzen aus Vacon durch induktive Erwärmung im Vakuum einleiten. Das Lot verlief gleichmäßig, die Lötung war vakuumdicht.
3. Aluminiumbleche wurden in einer Aufdampfanlage herkömmlicht« Bauart an einem Drehteller in 200 mm Abstand von den Verdampfern montiert. Nach dem Evakuieren erfolgte bei einem Druck von ca. 1 · 10"² Torr eine Vorreinigung der AI-Oberflächen durch eine Glimmentladung. Der Rezipient wurde dann auf einen Druck von 5-10"⁵ Torr evakuiert. Aus einem Verdampfer wurde zunächst Chrom abgedampft (sublimiert) bei ca. 1150° C bis zu einer Schichtdicke von ca. 0,1 μΐη. Anschließend wurde bei gleichem Vakuum aus einem 2. Verdampfer bei ca. 1250 bis 1300° C eine Legierung aus Pd50% Fe verdampft, so daß eine Auflage von ca. 1 μπι Dicke auf den Blechen entstand. Der Drehteller mit den Blechen rotierte bei dem Glimmprozeß ebenso wie bei den Bedampfungen.For this purpose, the disks, which only need to be soldered at the edge, were covered in the middle with a turned part. These wafers were then placed on the substrate plate in the sputtering system mentioned. The recipient was evacuated to 6 x 10 ^"6 torr, then set a working pressure of 1 x 10 ^-2 Torr with argon. The oxide layer of the beryllium disks was removed by sputter etching Then, the discs were given an edge coating with a 2 microns. thick Pd50Co overlay under a Pd50% Co target. The coated strip was about 2 mm wide. These Be sheets coated in this way could still be flawless with hard solder (e.g. 65% Ag, 20% Cu , 15% Pd) into pipe sockets made of Vacon by inductive heating in a vacuum at about 900 ° C. The solder ran evenly, the soldering was vacuum-tight.
3. Aluminum sheets were mounted in a conventional type of evaporation system on a turntable at a distance of 200 mm from the evaporators. After evacuation, the Al surfaces were pre-cleaned by a glow discharge at a pressure of about 1 × 10 " ² ^{Torr. The recipient was then evacuated to a pressure of 5-10" 5} Torr. Chromium was first evaporated (sublimed) from an evaporator at approx. 1150 ° C. up to a layer thickness of approx. 0.1 μm. Then an alloy of Pd50% Fe was evaporated with the same vacuum from a second evaporator at approx. 1250 to 1300 ° C., so that a layer of approx. 1 μm thickness was formed on the metal sheets. The turntable with the metal sheets rotated during the smoldering process as well as during the vaporization.

Diese Bleche ließen sich mit handelsüblichen Weichloten gut löten; es wurden gut haftende und gleichmäßig verlaufende Lötzonen erreicht; unter Verwendung üblicher Schwall-Lotmaschinen konnte eine gleichmäßige Belotung erzielt werden.These sheets could be made with commercially available soft solders solder well; well-adhering and evenly running soldering zones were achieved; using usual Even soldering could be achieved by surge soldering machines.

Durch Abdeckung einzelner Partien, z. B. mittels Schablonen, bei der Bedampfung oder Beschichtung durch Sputterprozeß war es möglich, nur einzelne Teile der Bleche partiell mit der Lot-Haftschicht zu versehen. An den nicht beschichteten Flächen haftete dann das Lot nicht.By covering individual parts, e.g. B. by means of stencils, in the vapor deposition or coating In the sputtering process, it was possible to apply the solder adhesive layer only to individual parts of the metal sheets. At The solder then did not adhere to the uncoated areas.

4545

5050

6060

6565

Claims

Patent claims:

1. Process for the pretreatment of light metal surfaces, in particular aluminum, titanium, Magnesium, beryllium and their alloys, before soldering, by applying metallic layers, characterized in that a layer of a palladium alloy is applied to the surface to be soldered is applied with cobalt and / or iron.

2. The method according to claim 1, characterized in that the palladium alloy 20 to 70% Contains cobalt and / or iron.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the alloy is additionally 3 to Contains 20% chromium and / or manganese and / or titanium.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the alloy layer by vapor deposition in a vacuum or by atomization (sputtering) 2'jf-e is brought

5. Process according to claims 1 to 4, characterized in that the light metal surface to be soldered Before applying the alloy layer, first cleaned by ion bombardment (sputter etching) will.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that before the application of the alloy layer First a thin adhesive layer of chrome, titanium, magnesium or aluminum is vapor-deposited or splintered.