EA035216B1 - Method for connecting piezoceramic substances with various materials - Google Patents

Method for connecting piezoceramic substances with various materials Download PDF

Info

Publication number
EA035216B1
EA035216B1 EA201900203A EA201900203A EA035216B1 EA 035216 B1 EA035216 B1 EA 035216B1 EA 201900203 A EA201900203 A EA 201900203A EA 201900203 A EA201900203 A EA 201900203A EA 035216 B1 EA035216 B1 EA 035216B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
solder
foil
piezoceramic
materials
temperature
Prior art date
Application number
EA201900203A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201900203A1 (en
Inventor
Ольга Евгеньевна Квашенкина
Павел Гарифович Габдуллин
Original Assignee
Ольга Евгеньевна Квашенкина
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ольга Евгеньевна Квашенкина filed Critical Ольга Евгеньевна Квашенкина
Priority to EA201900203A priority Critical patent/EA035216B1/en
Publication of EA201900203A1 publication Critical patent/EA201900203A1/en
Publication of EA035216B1 publication Critical patent/EA035216B1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/02Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/005Soldering by means of radiant energy
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/19Soldering, e.g. brazing, or unsoldering taking account of the properties of the materials to be soldered
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/20Preliminary treatment of work or areas to be soldered, e.g. in respect of a galvanic coating

Abstract

The invention relates to the field of piezoelectronics, in particular to methods for connecting piezoceramic materials using reactive multilayer foils, and can find application in the manufacture of piezoceramic composite materials and multilayer ceramics, wiring of microwave devices, printed circuit boards and electronic components. The method of connecting piezoceramic materials involves the use of a reactive foil, 40-150 m thick, its layers made of 2-20 nm thick metals and/or non-metals selected from the group including nickel, aluminium, copper, niobium, cobalt, titanium, molybdenum, tantalum, carbon, silicon, boron; before applying the solder, an adhesive coating of 30 to 120 nm thickness is applied to the foil, after which a 2-15 m thick solder is applied, and the surfaces are pressed together at a pressure of 0.7-2.2 kg/cm(Fig. 1). In individual embodiments of the invention, before pressing surfaces together, the surfaces to be joined are preliminarily heated, in particular to a temperature not higher than the Curie temperature of the piezoceramic material and the melting temperature of the solder; the solder is applied galvanically, chemically or by spraying.

Description

Изобретение относится к области пьезоэлектроники, а именно к способам соединения пьезокерамических материалов с помощью реакционной многослойной фольги, и может найти применение в производстве пьезокерамических композитных материалов и многослойной керамики, при монтаже СВЧустройств, печатных плат и электронных компонентов.The invention relates to the field of piezoelectronics, and in particular to methods of joining piezoceramic materials using a reaction multilayer foil, and can find application in the production of piezoceramic composite materials and multilayer ceramics, during the installation of microwave devices, printed circuit boards and electronic components.

В уровне техники известно применение пьезоэлектрических материалов, в частности пьезокерамических, при производстве различных элементов, узлов и устройств: генераторов, датчиков (сенсоров), актюаторов (пьезоприводов), преобразователей и комбинированных систем. Среди пьезокерамических материалов выделяют несколько типов, характеризующихся различными физическими свойствами, определяющими, в свою очередь, особенности изготовления из них элементов техники (особенности соединения пьезокерамических материалов), а также особенности использования таких элементов.It is known in the prior art to use piezoelectric materials, in particular piezoelectric materials, in the production of various elements, assemblies and devices: generators, sensors (sensors), actuators (piezoelectric drives), transducers and combined systems. Among the piezoceramic materials, several types are distinguished, characterized by various physical properties, which, in turn, determine the features of the manufacture of elements of technology from them (especially the connection of piezoceramic materials), as well as the features of the use of such elements.

В настоящее время существует несколько способов соединения пьезокерамических материалов для получения конструктивных элементов устройств: пайка и соединение посредством электропроводящего клея. Однако ни один из вышеперечисленных способов не гарантирует отсутствие повреждений чувствительного пьезоэлемента при получении такого элемента устройства.Currently, there are several ways to connect piezoceramic materials to obtain structural elements of devices: soldering and connection by means of electrically conductive glue. However, none of the above methods does not guarantee the absence of damage to the sensitive piezoelectric element upon receipt of such an element of the device.

Так, из уровня техники известен способ соединения пьезокерамических материалов с различными материалами посредством пайки (патент RU 2041776 на изобретение Способ пайки керамики с металлом, дата приор. 27.04.1992, опубл. 20.08.1995, B23K 1/00). Для соединения материалов припой расплавляют; жидкое состояние припоя достигается относительно долгим и высокотемпературным воздействием на него (например, жалом паяльника). Это в свою очередь приводит к нагреву соединяемых материалов, повреждению кристаллической структуры пьезокерамической детали и, как следствие, утрате ее электрофизических свойств (деполяризация пьезокерамического материала). На практике во избежание нежелательного нагрева соединяемых поверхностей в процессе пайки область пайки дополнительно охлаждают между повторяющимися этапами нагрева припоя, что значительно увеличивает время соединения материалов. Кроме того, прочность соединения материалов и качество полученного изделия (работоспособность пьезокерамического изделия) зависят, в частности, от количества соединяющего их материала (припоя): недостаток припоя снижает прочность соединения, а излишек - качество собранного изделия. Прочность соединения материалов определяется также силой их прижима при соединении: малое усилие прижима снижает прочность соединения, а чрезмерное усилие прижима увеличивает риск разрушения соединяемых деталей, риск их смещения друг относительно друга и вытекание припоя. При традиционной пайке отмеривание точного количества припоя весьма затруднительно, а варьирование усилия прижима при неоптимальном количестве припоя неэффективно. В дополнение к вышеперечисленному к недостаткам относится также необходимость проведения вспомогательных операций, таких как предварительная очистка соединяемых поверхностей от пленки, образующейся вследствие реакции серебра на поверхности пьезокерамики и серы в атмосферном воздухе, и посточистка от использованных флюсов (это увеличивает время соединения материалов).So, from the prior art there is a known method of connecting piezoceramic materials with various materials by soldering (patent RU 2041776 for the invention. Method of brazing ceramics with metal, date prior. 04/27/1992, publ. 08/20/1995, B23K 1/00). To connect the materials, the solder is melted; the liquid state of the solder is achieved by a relatively long and high-temperature impact on it (for example, a soldering iron tip). This, in turn, leads to heating of the materials being joined, damage to the crystal structure of the piezoelectric ceramic part and, as a result, loss of its electrophysical properties (depolarization of the piezoceramic material). In practice, in order to avoid undesirable heating of the surfaces to be joined during the brazing process, the brazing area is additionally cooled between the repeated steps of the solder heating, which significantly increases the time of joining of materials. In addition, the strength of the connection of materials and the quality of the resulting product (the performance of the piezoceramic product) depend, in particular, on the amount of material connecting them (solder): the lack of solder reduces the strength of the connection, and excess - the quality of the assembled product. The bonding strength of materials is also determined by the force of their clamping during bonding: a small clamping force reduces the bonding strength, and excessive clamping force increases the risk of fracture of the parts being joined, the risk of their displacement relative to each other and leakage of solder. With traditional soldering, measuring the exact amount of solder is very difficult, and varying the clamping force with a suboptimal amount of solder is inefficient. In addition to the above, the disadvantages also include the need for auxiliary operations, such as preliminary cleaning of the surfaces to be joined from the film formed due to the reaction of silver on the surface of piezoceramics and sulfur in atmospheric air, and post-cleaning of used fluxes (this increases the time of joining of materials).

Известен способ соединения пьезокерамических материалов с различными материалами с помощью электропроводящегоя клея (патент RU 2491684 на изобретение Многослойная керамическая гетероструктура с магнитоэлектрическим эффектом и способ ее получения, дата приор. 27.04.1992, опубл. 20.08.1995, B23K 1/00).A known method of connecting piezoceramic materials with various materials using electrically conductive glue (patent RU 2491684 for the invention of a multilayer ceramic heterostructure with a magnetoelectric effect and method for its preparation, date prior. 04/27/1992, publ. 08/20/1995, B23K 1/00).

Однако указанный способ не обеспечивает достаточной электропроводности собранного изделия в целом. Кроме того, разность коэффициентов температурного расширения самого пьезоэлемента, скрепляющей прослойки (клея) и ответного основания приводит к разрушению (растрескиванию) собранного изделия в процессе эксплуатации, что ограничивает возможности его использования в частных случаях.However, this method does not provide sufficient electrical conductivity of the assembled product as a whole. In addition, the difference in the coefficients of thermal expansion of the piezoelectric element itself, the fastening layer (glue) and the reciprocal base leads to destruction (cracking) of the assembled product during operation, which limits the possibility of its use in special cases.

Альтернативным способом соединения пьезокерамических материалов является способ с использованием реакционных фольговых материалов, в которых возможно протекание быстрого самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (далее СВС-реакция), что позволяет их использовать как источник регулируемого тепла.An alternative way to connect piezoceramic materials is a method using reaction foil materials in which fast self-propagating high-temperature synthesis is possible (hereinafter referred to as SHS reaction), which allows them to be used as a source of controlled heat.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению является способ соединения различных материалов, в том числе компонентов микроэлектронных устройств, при котором используют многослойную реакционную фольгу (заявка US 2002182436 на изобретение Автономные реакционные многослойные фольги, приор. 18.04.2002, опубл. 05.12.2002, С23С 14/34). Способ включает размещение многослойной реакционной фольги толщиной от 50 мкм до 1 см с предварительно нанесенным на нее припоем между соединяемыми поверхностями, прижим указанных поверхностей и инициирование реакции в фольге посредством прикладывания к фольге кратковременного энергетического импульса. При этом слои фольги выполнены из металлов или сплавов металлов, выбранных из группы алюминий, никель, медь, титан, цирконий, гафний.The closest in technical essence to the claimed solution is a method of joining various materials, including components of microelectronic devices, which use a multilayer reaction foil (application US 2002182436 for the invention of stand-alone reaction multilayer foils, prior. 04/18/2002, publ. 05.12.2002, C23C 14/34). The method includes placing a multilayer reaction foil with a thickness of 50 μm to 1 cm with pre-applied solder between the surfaces to be joined, clamping said surfaces and initiating a reaction in the foil by applying a short-term energy pulse to the foil. The foil layers are made of metals or metal alloys selected from the group of aluminum, nickel, copper, titanium, zirconium, hafnium.

Однако известное техническое решение, выбранное в качестве прототипа для заявленного способа, не обеспечивает получение прочного соединения пьезокерамических материалов с различными материалами при сохранении их функциональных свойств по следующим причинам. Указанная толщина и химический состав используемой многослойной реакционной фольги обуславливают наличие значительного объема запасенной энергии в ней и, соответственно, выделения большого количества тепла при инициировании СВС-реакции в ней. Процесс соединения пьезокерамических материалов, которые, как из- 1 035216 вестно, являются крайне чувствительными к нагреву, с различными материалами требует контролирования количества выделяемого тепла с учетом типа пьезокерамического материала, его толщины и необходимых эксплуатационных характеристик готового изделия (соединенных материалов). Однако качественный состав фольги в способе-прототипе не позволяет снизить количество выделяемого тепла до допустимого значения. Например, фольга толщиной 80 мкм, состоящая из 2000 чередующихся слоев алюминия и никеля, каждый из которых имеет толщину 2 нм, с добавлением 1% молибдена, 0,5% серебра, 1,5% индия, дает очень большой выход энергии, что неприемлемо для соединения тонких пьезокерамических материалов (они разрушаются). С другой стороны, применение фольги из менее энергоемких материалов, например фольги, состоящей из 900 чередующихся слоев алюминия и оксида железа, где толщина каждого слоя алюминия составляет 1,5 нм, а толщина каждого слоя оксида железа - 2,5 нм, с добавлением 1% молибдена, 0,7% серебра, 1% индия, не обеспечивает достаточного расплавления припоя и, следовательно, получения прочного соединения. Кроме того, отсутствие согласованности усилия прижима, характеристик используемой фольги и припоя не позволяет получить прочное соединение, способное к распайке (разъединению) без разрушения пьезокерамических материалов (без потери их функциональных свойств).However, the known technical solution, selected as a prototype for the claimed method, does not provide a durable connection of piezoceramic materials with various materials while maintaining their functional properties for the following reasons. The indicated thickness and chemical composition of the multilayer reaction foil used determine the presence of a significant amount of stored energy in it and, accordingly, the release of a large amount of heat upon initiation of the SHS reaction in it. The process of joining piezoceramic materials, which are known to be extremely sensitive to heat, with various materials, requires controlling the amount of heat generated, taking into account the type of piezoceramic material, its thickness and the required operational characteristics of the finished product (connected materials). However, the qualitative composition of the foil in the prototype method does not allow to reduce the amount of heat generated to an acceptable value. For example, a foil with a thickness of 80 μm, consisting of 2,000 alternating layers of aluminum and nickel, each of which has a thickness of 2 nm, with the addition of 1% molybdenum, 0.5% silver, 1.5% indium, gives a very large energy yield, which is unacceptable for joining thin piezoceramic materials (they are destroyed). On the other hand, the use of foils of less energy-intensive materials, for example foil, consisting of 900 alternating layers of aluminum and iron oxide, where the thickness of each layer of aluminum is 1.5 nm and the thickness of each layer of iron oxide is 2.5 nm, with the addition of 1 % molybdenum, 0.7% silver, 1% indium, does not provide sufficient melting of the solder and, therefore, obtain a strong connection. In addition, the lack of consistency in the pressing force, the characteristics of the foil and solder used does not allow one to obtain a strong joint capable of soldering (disconnecting) without breaking piezoceramic materials (without losing their functional properties).

Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего быстрое и прочное соединение пьезокерамических материалов с сохранением их функциональных свойств при возможности их распайки в случае необходимости без разрушения пьезокерамических материалов.The objective of the invention is to provide a method that provides a quick and durable connection of piezoceramic materials while maintaining their functional properties, if possible, their desoldering, if necessary, without destroying the piezoceramic materials.

Задача достигается тем, что в способе соединения пьезокерамических материалов с различными материалами, при котором между соединяемыми поверхностями 1 и 2 размещают многослойную реакционную фольгу 3 с предварительно нанесенным на нее припоем, прижимают указанные поверхности и прикладывают к фольге кратковременный энергетический импульс, согласно изобретению используют фольгу толщиной 30-100 мкм, слои которой выполнены толщиной 2-20 нм из металлов и/или неметаллов, выбранных из группы никель, алюминий, медь, ниобий, кобальт, титан, молибден, тантал, углерод, кремний, бор, перед нанесением припоя на фольгу наносят адгезионное покрытие толщиной от 30 до 120 нм, после чего наносят припой толщиной 2-15 мкм, а поверхности прижимают с давлением 0,7-2,2 кг/см2.The objective is achieved by the fact that in the method of connecting piezoceramic materials with various materials, in which a multilayer reaction foil 3 with a pre-solder is placed between the joined surfaces 1 and 2, these surfaces are pressed and a short-term energy pulse is applied to the foil, according to the invention, a foil with a thickness of 30-100 μm, the layers of which are made 2-20 nm thick from metals and / or non-metals selected from the group nickel, aluminum, copper, niobium, cobalt, titanium, molybdenum, tantalum, carbon, silicon, boron, before applying solder to the foil apply an adhesive coating with a thickness of 30 to 120 nm, after which a solder of 2-15 μm thickness is applied, and the surfaces are pressed with a pressure of 0.7-2.2 kg / cm 2 .

В частных вариантах реализации изобретения перед прижимом предварительно выполняют нагрев соединяемых поверхностей, в частности, до температуры не выше температуры Кюри пьезокерамического материала и температуры плавления припоя фольги; припой наносят гальваническим способом, химическим осаждением или методом напыления.In private embodiments of the invention, prior to pressing, the surfaces to be joined are preheated, in particular, to a temperature not higher than the Curie temperature of the piezoceramic material and the melting temperature of the foil solder; solder is applied by a galvanic method, chemical deposition or by spraying.

Авторами экспериментально установлено, что заявленные диапазоны характеристик используемой фольги и режимов способа являются оптимальными для получения прочного соединения пьезокерамических материалов с различными материалами без потери функциональных свойств при возможности их распайки в случае необходимости без разрушения пьезокерамических материалов.The authors experimentally established that the claimed ranges of characteristics of the foil used and the modes of the method are optimal for obtaining a solid connection of piezoceramic materials with various materials without loss of functional properties, if possible, their desoldering if necessary without destroying the piezoceramic materials.

Достижение технического результата, обеспечиваемого при осуществлении заявленного способа, обусловлено следующим.The achievement of the technical result provided by the implementation of the claimed method is due to the following.

Применение многослойной реакционной фольги заявленного состава и толщины и при ее активации энергетическим импульсом обеспечивает быстрое выделение запасенной энергии в объеме, обеспечивающем достаточную степень расплавления припоя различной толщины в максимально короткий срок, что исключает излишний нагрев пьезокерамических материалов. Это в сочетании с усилием прижима позволяет получить наиболее приемлемые для соединения пьезокерамических материалов параметры процесса, варьирование которых, в свою очередь, обусловливает получение быстрого и прочного соединения пьезокерамических материалов различной толщины с сохранением их функциональных свойств. Нанесение на фольгу адгезионного покрытия заданной толщины обеспечивает прочное сцепление припоя различной толщины с фольгой, что исключает его отлипание от фольги и, следовательно, способствует получению качественного соединения материалов. А заявленная толщина припоя обеспечивает возможность распайки соединения в случае необходимости без разрушения пьезокерамических материалов.The use of a multilayer reaction foil of the claimed composition and thickness and when activated by an energy pulse ensures the rapid release of stored energy in a volume that provides a sufficient degree of melting of solder of various thickness in the shortest possible time, which eliminates excessive heating of piezoceramic materials. This, combined with the clamping force, makes it possible to obtain the process parameters most suitable for joining piezoceramic materials, the variation of which, in turn, determines the fast and durable joining of piezoceramic materials of various thicknesses while maintaining their functional properties. Applying an adhesive coating of a given thickness on the foil provides strong adhesion of the solder of various thicknesses to the foil, which eliminates its sticking from the foil and, therefore, helps to obtain a high-quality material connection. And the claimed thickness of the solder provides the ability to unsolder the connection if necessary without destroying the piezoceramic materials.

Предварительный нагрев соединяемых поверхностей, в частности, до температуры не выше температуры Кюри пьезокерамического материала и температуры плавления припоя фольги позволяет уменьшить градиент перепада температуры на границе раздела фольга-соединяемый элемент, что значительно снижает количество механических напряжений в соединяемых материалах и, следовательно, приводит к существенному повышению качества получаемого соединения. Нанесение припоя гальваническим способом, химическим осаждением или методом напыления позволяет получить тонкий равномерный слой, что также способствует получению прочного соединения материалов с сохранением их функциональных свойств при возможности их распайки в случае необходимости без разрушения пьезокерамических материалов.Preheating the surfaces to be joined, in particular, to a temperature not higher than the Curie temperature of the piezoceramic material and the melting temperature of the foil solder, makes it possible to reduce the temperature gradient at the foil-joined element interface, which significantly reduces the amount of mechanical stress in the materials being joined and, therefore, leads to a significant improving the quality of the resulting compound. The application of solder by the galvanic method, chemical deposition or by spraying allows you to get a thin uniform layer, which also contributes to a durable connection of materials while maintaining their functional properties, if possible, their desoldering, if necessary, without breaking the piezoceramic materials.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема соединения пьезокерамических материалов с металлическими материалами по заявленному способу, на фиг. 2 - схема строения одного из вариантов используемой многослойной реакционной фольги, на фиг. 3 - микрофотографии пластинчатых многослойных реакционных фольг, полученных различными способами: (а) и (b) - 2 035216 осаждение магнетрона; (с) - начальный стек фольги перед холодной прокаткой, (d) - после холодной прокатки; (е) и (f) - шаровая мельница с высокой энергией и холодная прокатка; (a), (b), (f) получены на туннельном электронном микроскопе ТЕМ (легкая фаза Al, темная фаза Ni); (с)-(е) получены на атомносиловом электронном микроскопе SEM (темная фаза Ni, легкая фаза Al).The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a schematic diagram of the connection of piezoceramic materials with metallic materials according to the claimed method, FIG. 2 is a structural diagram of one embodiment of a multilayer reaction foil used; FIG. 3 - micrographs of plate multilayer reaction foils obtained by various methods: (a) and (b) - 2 035216 magnetron deposition; (c) the initial stack of foil before cold rolling, (d) after cold rolling; (e) and (f) a high-energy ball mill and cold rolling; (a), (b), (f) were obtained using a TEM tunneling electron microscope (light Al phase, dark Ni phase); (c) - (e) were obtained on an SEM atomic force electron microscope (dark Ni phase, light Al phase).

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами, представленными в табл.1, 2, в которых соединение пьезокерамических материалов с различными материалами осуществлялось по описанной выше схеме (с учетом полярности пьезокерамики) на механической установке, включающей основание с соответствующими разметкой и оснасткой для позиционирования пьезокерамических элементов, прижимным грузом и средством запуска СВС-реакции. Для соединения с пьезокерамическими материалами использовались металлические материалы (например, алюминиевое основание, корпус из никеля, корпус из латуни, основание из меди, коваровый корпус) и неметаллические материалы (например, пьезокерамика, германий, сапфир, поликор, кремний, текстолит, лавсан).The invention is illustrated by the following examples presented in tables 1, 2, in which the connection of piezoceramic materials with various materials was carried out according to the scheme described above (taking into account the polarity of piezoceramics) on a mechanical installation, including a base with appropriate marking and accessories for positioning piezoceramic elements, clamping cargo and means of launching the SHS reaction. Metallic materials (e.g., aluminum base, nickel body, brass body, copper base, treacherous body) and non-metallic materials (e.g. piezoceramics, germanium, sapphire, polycor, silicon, textolite, lavsan) were used to connect with piezoceramic materials.

В качестве средства запуска СВС-реакции использованы искра, сгенерированная источником постоянного тока и пропущенная через малый участок фольги (напряжение 6-12 В);A spark generated by a direct current source and passed through a small portion of the foil (voltage 6-12 V) was used as a means of triggering the SHS reaction;

жало паяльника, обеспечивающие кратковременное точечное касание малого кончика фольги (температура жала 350-600°С);soldering iron tip, providing short-term point contact of the small tip of the foil (tip temperature 350-600 ° C);

лазер, кратковременно и точечно воздействующий на участок фольги (длина волны 0,3-10 мкм, мощность 1-100 Вт/мин).a laser that briefly and precisely acts on the foil section (wavelength 0.3–10 μm, power 1–100 W / min).

В качестве соединяемых пьезокерамических материалов использовали пьезокерамические элементы, произведенные фирмами Morgan Matroc Ltd (Electro Ceramic Division, США) и Аврора-Элма (РФ, г. Волгоград), следующих типоразмеров:Piezoceramic elements manufactured by Morgan Matroc Ltd (Electro Ceramic Division, USA) and Aurora-Elma (RF, Volgograd), of the following sizes, were used as piezoelectric ceramic materials to be joined:

диск, толщина 0,2 мм, диаметр 4 мм;disk, thickness 0.2 mm, diameter 4 mm;

диск, толщина 0,5 мм, диаметр 7 мм;disk, thickness 0.5 mm, diameter 7 mm;

цилиндр, высота 5 мм, диаметр 8 мм;cylinder, height 5 mm, diameter 8 mm;

цилиндр, высота 15 мм, диаметр 25 мм.cylinder, height 15 mm, diameter 25 mm.

Приведенные в примерах типоразмеры пьезокерамических материалов не ограничивают возможность применения заявленного способа для материалов иных типоразмеров.Given in the examples of sizes of piezoceramic materials do not limit the possibility of applying the claimed method for materials of other sizes.

Образцы фольги покрывали адгезионным покрытием, имеющим высокие функциональные характеристики (хорошо адгезирующееся в процессе нанесения и последующей пайке), толщиной от 30 до 120 нм на основе серебра, золота и меди.The foil samples were coated with an adhesive coating with high functional characteristics (well adhesive during application and subsequent soldering), with a thickness of 30 to 120 nm based on silver, gold and copper.

Поверх адгезионного покрытия гальваническим способом, химическим осаждением или методом напыления наносился припой на основе олова и висмута.Solder based on tin and bismuth was applied over the adhesive coating by electroplating, chemical deposition, or by spraying.

При использовании образцов фольги №№ 4, 6 перед прижимом соединяемых поверхностей осуществляли их нагрев до температуры не выше температуры Кюри соответствующих пьезокерамических материалов и не выше температуры плавления припоя с целью уменьшения градиента температуры при СВС-реакции и, как следствие, смягчения термоудара, сопровождающего СВС-реакцию. Так, для образца № 4 температура предварительного нагрева составляла 100°С, а для образца № 6 124°С.When using foil samples Nos. 4, 6, before pressing the joined surfaces, they were heated to a temperature not higher than the Curie temperature of the corresponding piezoceramic materials and not higher than the melting temperature of the solder in order to reduce the temperature gradient during the SHS reaction and, as a result, soften the thermal shock accompanying SHS -reaction. So, for sample No. 4, the preheating temperature was 100 ° C, and for sample No. 6 124 ° C.

Прижим соединяемых поверхностей осуществляли посредством установки прижимных грузов соответствующей массы на пакет соединяемых элементов (длительность не более 1 мин).The clamping of the joined surfaces was carried out by installing the clamping weights of the corresponding mass on the package of connected elements (duration not more than 1 min).

Параметры используемых материалов и режимов способа представлены в табл. 1. Толщина слоев каждого металла или неметалла в одном образце фольги варьировалась в диапазонах, указанных в таблице. Так в образце № 1 слои Ni и Al имели толщину от 7 до 20 нм каждый, при одинаковом количестве слоев общая толщина фольги была различной, и, как следствие, количество выделяемой при запуске СВС-реакции энергии было различным. В зависимости от количества выделенной энергии определялось давление прижима, необходимое для получения оптимальных параметров соединения.The parameters of the materials used and the modes of the method are presented in table. 1. The thickness of the layers of each metal or non-metal in one foil sample varied in the ranges indicated in the table. So, in sample No. 1, the layers of Ni and Al had a thickness of 7 to 20 nm each, with the same number of layers, the total thickness of the foil was different, and, as a result, the amount of energy released when the SHS reaction was started was different. Depending on the amount of energy released, the clamping pressure necessary to obtain the optimal connection parameters was determined.

Таблица 1Table 1

Используемые материалы и режимы способаUsed materials and modes

№ образца Sample No. Качественный состав реакционной фольги Qualitative composition of the reaction foil Количество слоев, шт The number of layers, pcs Диапазоны толщин чередующихся слоев, min -max нм Thickness ranges of alternating layers, min -max nm Диапазоны общей толщины фольги, min - max мкм Ranges of the total thickness of the foil, min - max microns Толщина припоя, мкм Solder Thickness, microns Температура плавления верхнего СЛОЯ Тпл, °C The melting temperature of the upper layer Tm, ° C Температура фронта СВСреакции, Тад, °C The temperature of the front of the SHS reaction, Tad, ° C Скорость реакционн ого фронта, м/с The speed of the reaction front, m / s Удельное количество выделяемой энергии при реакции, Дж/гр The specific amount of energy released during the reaction, j / g Удельная теплоемкость шва С, Дж/(кг*К) The specific heat of the weld C, J / (kg * K) Диапазон приемлемых давлений прижима, кг/см2 The range of acceptable pressure clamps, kg / cm 2 1 1 Ni+Al Ni + Al 4000 4000 7-20 7-20 28-80 28-80 10 ten 182 182 1450 1450 12 12 1050- 1250 1050-1250 670 670 1,1-4,0 1.1-4.0 2 2 Cu+Al Cu + Al 4500 4500 4-15 4-15 18-68 18-68 10 ten 170 170 1340 1340 9 nine 1000- 1240 1000-1240 564 564 1,2-3,2 1.2-3.2 3 3 Nb+C Nb + c 6000 6000 5-12 5-12 30-72 30-72 10 ten 180 180 1015 1015 15 15 970 - 1000 970 - 1000 720 720 1,0-3,8 1.0-3.8 4 4 Со+А1 Co + A1 5000 5000 3-10 3-10 15-50 15-50 8 8 170 170 1350 1350 24 24 975 - 1245 975 - 1245 685 685 1,5-4,2 1,5-4,2 5 five Ti+Si Ti + Si 3000 3000 9-18 9-18 27-54 27-54 3 3 185 185 1820 1820 26 26 980- 1540 980-1540 540 540 1,9-3,2 1.9-3.2 6 6 Ti+Al Ti + Al 3000 3000 8-20 8-20 24-60 24-60 5 five 179 179 1780 1780 18 18 990 - 1400 990 - 1400 613 613 1,8-2,9 1.8-2.9 7 7 Mo+2Si Mo + 2Si 2500 2500 10-20 10-20 25-50 25-50 5 five 182 182 1610 1610 13 13 950 - 1450 950 - 1450 640 640 1,7-3,5 1.7-3.5 8 8 Mo+B Mo + B 6000 6000 4-10 4-10 24-60 24-60 12 12 171 171 1220 1220 20 20 980 - 1230 980 - 1230 532 532 1,4-5 1.4-5 9 nine Ti+C Ti + C 5000 5000 5-8 5-8 25-40 25-40 8 8 170 170 1310 1310 21 21 1010-1200 1010-1200 751 751 1,2-4,9 1.2-4.9 10 ten 2Ta+C 2Ta + C 1500 1500 12-20 12-20 18-30 18-30 5 five 186 186 1112 1112 19 nineteen 800- 1100 800-1100 650 650 1,0-1,4 1.0-1.4

Оценка сохранения функциональных свойств, соединенных с помощью представленных образцовAssessment of the preservation of functional properties connected using the presented samples

- 3 035216 фольги пьезокерамических материалов с различными материалами, производилась на аппаратуре для контроля параметров пьезоэлементов и преобразователей Цензурка-М путем измерения параметров электромеханической колебательной системы: тангенса угла диэлектрических потерь tg5, %, резонансной частоты fp, кГц, антирезонансной частоты fa, кГц, резонансного промежутка Af, кГц.- 3 035216 foils of piezoceramic materials with various materials, was produced on equipment for monitoring the parameters of piezoelectric elements and Censourk-M transducers by measuring the parameters of the electromechanical oscillating system: dielectric loss tangent tg5,%, resonant frequency f p , kHz, antiresonance frequency f a , kHz resonance gap Af, kHz.

Оценка прочностных характеристик образцов соединений производилась на разрывной машине WPM Masch 2168, тип ФМ-250 путем измерения нескольких ключевых прочностных показателей: временного сопротивления разрыву σΒ, кгс/мм2 (испытания в течении 50 ч); предела прочности паяного шва на растяжение ар, МПа; модуля упругости Е, ГПа; предела прочности паяного соединения на срез тср, МПа, модуля сдвига G (ГПа), коэффициента Пуассона μ.Evaluation of the strength characteristics of the samples of compounds was carried out on a tensile testing machine WPM Masch 2168, type FM-250, by measuring several key strength indicators: temporary tensile strength σ Β , kgf / mm 2 (tests for 50 hours); tensile strength of a soldered seam a p , MPa; elastic modulus E, GPa; tensile strength of a brazed joint at shear m cf , MPa, shear modulus G (GPa), Poisson's ratio μ.

Параметры характеристик полученных готовых изделий представлены в табл. 2.Parameters of the characteristics of the finished products are presented in table. 2.

Таблица 2table 2

Характеристики полученных соединенийCharacteristics of the resulting compounds

№ образ ца No. image of tsa Предел прочное ти паяного шва на растяже ние σΒ, МПаThe tensile strength of a brazed joint for tensile σ Β , MPa Модул ь упруго сти Е, ГПа Elastic modulus E, GPa Предел прочное ти паяного соедине ния на срез Тср, МПа The tensile strength of the solder joint to the cut Тср, MPa Моду ль сдвиг aG, ГПа Modulo shift aG, GPa Коэффици ент Пуассона μ Poisson's ratio μ Тангенс угла диэлектрине ских потерь tg5, % Dielectric loss tangent tg5,% Резонанс ная частота fp max|Y|, кГц Resonance frequency fp max | Y |, kHz Резонанс ная частота fa min|Y|, кГцResonant frequency f a min | Y |, kHz Резонанс ный промежут ок fa - fa, кГц. Resonance gap ok fa - fa, kHz. 1 1 48 48 18 18 45 45 4,6 4.6 0,32 0.32 0,0075 0.0075 17,27 17.27 18,15 18.15 0,87 0.87 2 2 42 42 10,2 10,2 38 38 2,6 2.6 0,34 0.34 0,008 0.008 17,23 17.23 18,10 18.10 0,87 0.87 3 3 55 55 3,6 3.6 56 56 1,4 1.4 0,25 0.25 0,0065 0.0065 17,27 17.27 18,15 18.15 0,88 0.88 4 4 70 70 7,4 7.4 65 65 2,2 2.2 0,35 0.35 0,0075 0.0075 17,30 17.30 18,17 18.17 0,88 0.88 5 five 62 62 10,6 10.6 68 68 4,1 4.1 0,32 0.32 0,005 0.005 17,26 17.26 18,15 18.15 0,87 0.87 6 6 65 65 10,2 10,2 69 69 3,9 3.9 0,31 0.31 0,005 0.005 17,20 17,20 18,10 18.10 0,87 0.87 7 7 41 41 и,з of 39 39 3,8 3.8 0,29 0.29 0,0065 0.0065 17,24 17.24 18,15 18.15 0,88 0.88 8 8 30 thirty 11,1 11.1 32 32 3,91 3.91 0,29 0.29 0,004 0.004 17,30 17.30 18,17 18.17 0,88 0.88 9 nine 24 24 10,3 10.3 21 21 4,3 4.3 0,32 0.32 0,009 0.009 17,24 17.24 18,15 18.15 0,88 0.88 10 ten 30 thirty 10,8 10.8 23 23 2,1 2.1 0,35 0.35 0,0085 0.0085 17,19 17.19 18,17 18.17 0,88 0.88

Приведенные в табл. 1, 2 данные подтверждают, что заявленный способ позволяет получить прочное соединение пьезокерамических материалов за максимально короткое время (1-2 мс) без потери функциональных свойств таких материалов (измеренные параметры электромеханической колебательной системы соответствуют ГОСТ 12370-80, ГОСТ Р 57438-2017 и ГОСТ Р 8.945-2018, а также нормативной документации большинства потребителей).Given in the table. 1, 2, the data confirm that the claimed method allows to obtain a solid connection of piezoceramic materials in the shortest possible time (1-2 ms) without losing the functional properties of such materials (the measured parameters of the electromechanical oscillatory system correspond to GOST 12370-80, GOST R 57438-2017 and GOST R 8.945-2018, as well as the regulatory documentation of most consumers).

Все образцы соединений испытывались на возможность их распайки без разрушения пьезокерамических материалов. Для этого каждое паяное соединение подвергалось нагреву до температуры, выше температуры начала плавления припоя. Разъединенные таким образом пьезокерамические материалы не повреждаются, не теряют своих функциональных свойств и могут быть использованы повторно.All samples of the compounds were tested for the possibility of desoldering them without destroying the piezoceramic materials. For this, each soldered joint was heated to a temperature above the temperature of the onset of melting of the solder. Piezoceramic materials thus separated do not damage, do not lose their functional properties and can be reused.

Таким образом, заявленный способ соединения пьезокерамических материалов обеспечивает быстрое получение прочного соединения с сохранением функциональных свойств пьезокерамики при возможности распайки соединения в случае необходимости без разрушения пьезокерамики.Thus, the claimed method of joining piezoceramic materials provides a quick and durable connection with maintaining the functional properties of piezoceramics, if possible, desoldering the connection, if necessary, without destroying the piezoceramics.

Claims (4)

1. Способ соединения пьезокерамических материалов с различными материалами, при котором между соединяемыми поверхностями размещают многослойную реакционную фольгу с предварительно нанесенным на нее припоем, прижимают указанные поверхности и прикладывают к фольге кратковременный энергетический импульс, отличающийся тем, что используют фольгу толщиной 30-100 мкм, слои которой выполнены толщиной 2-20 нм из металлов и/или неметаллов, выбранных из группы никель, алюминий, медь, ниобий, кобальт, титан, молибден, тантал, углерод, кремний, бор, перед нанесением припоя на фольгу наносят адгезионное покрытие толщиной от 30 до 120 нм, после чего наносят припой толщиной 2-15 мкм, а поверхности прижимают с давлением 0,7-2,2 кг/см2.1. A method of connecting piezoceramic materials with various materials, in which a multilayer reaction foil with pre-applied solder is placed between the surfaces to be joined, these surfaces are pressed and a short-term energy pulse is applied to the foil, characterized in that 30-100 microns thick foil is used, layers which are made 2-20 nm thick from metals and / or non-metals selected from the group nickel, aluminum, copper, niobium, cobalt, titanium, molybdenum, tantalum, carbon, silicon, boron, before applying solder to the foil, an adhesive coating with a thickness of 30 up to 120 nm, after which a solder 2-15 microns thick is applied, and the surfaces are pressed with a pressure of 0.7-2.2 kg / cm 2 . 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед прижимом поверхностей предварительно выполняют нагрев соединяемых поверхностей.2. The method according to claim 1, characterized in that before pressing the surfaces, the surfaces to be connected are preheated. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что, нагрев осуществляют до температуры не выше температуры Кюри пьезокерамического материала и температуры плавления припоя фольги.3. The method according to claim 2, characterized in that, the heating is carried out to a temperature not higher than the Curie temperature of the piezoceramic material and the melting temperature of the solder foil. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что припой наносят гальваническим способом, химическим осаждением или методом напыления.4. The method according to claim 1, characterized in that the solder is applied in a galvanic manner, by chemical deposition or by spraying.
EA201900203A 2019-03-26 2019-03-26 Method for connecting piezoceramic substances with various materials EA035216B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201900203A EA035216B1 (en) 2019-03-26 2019-03-26 Method for connecting piezoceramic substances with various materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201900203A EA035216B1 (en) 2019-03-26 2019-03-26 Method for connecting piezoceramic substances with various materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201900203A1 EA201900203A1 (en) 2020-05-15
EA035216B1 true EA035216B1 (en) 2020-05-18

Family

ID=70847643

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201900203A EA035216B1 (en) 2019-03-26 2019-03-26 Method for connecting piezoceramic substances with various materials

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA035216B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019135171A1 (en) * 2019-12-19 2021-06-24 Rogers Germany Gmbh Solder material, method for producing such a solder material and use of such a solder material for connecting a metal layer to a ceramic layer

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1260124A1 (en) * 1984-03-01 1986-09-30 Ростовский-На-Дону Ордена Трудового Красного Знамени Институт Сельскохозяйственного Машиностроения Method of brazing ceramics with metals and non-metals
JPH026571A (en) * 1988-03-24 1990-01-10 Hercules Inc Curable painting composition and quick curing promoting method
RU2022733C1 (en) * 1991-06-04 1994-11-15 Минский радиотехнический институт Method of soldering of ultrasonic converters from magnetostriction ferrites
US5407119A (en) * 1992-12-10 1995-04-18 American Research Corporation Of Virginia Laser brazing for ceramic-to-metal joining
RU2041776C1 (en) * 1992-04-27 1995-08-20 Юрий Эдуардович Паэранд Method for soldering ceramics to metal
JPH07291753A (en) * 1994-04-27 1995-11-07 Kyushu Dentsu Kk Joining method of ceramics member and metal member
RU2336980C2 (en) * 2006-10-03 2008-10-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии Method of ceramics soldering with metals and nonmetals

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1260124A1 (en) * 1984-03-01 1986-09-30 Ростовский-На-Дону Ордена Трудового Красного Знамени Институт Сельскохозяйственного Машиностроения Method of brazing ceramics with metals and non-metals
JPH026571A (en) * 1988-03-24 1990-01-10 Hercules Inc Curable painting composition and quick curing promoting method
RU2022733C1 (en) * 1991-06-04 1994-11-15 Минский радиотехнический институт Method of soldering of ultrasonic converters from magnetostriction ferrites
RU2041776C1 (en) * 1992-04-27 1995-08-20 Юрий Эдуардович Паэранд Method for soldering ceramics to metal
US5407119A (en) * 1992-12-10 1995-04-18 American Research Corporation Of Virginia Laser brazing for ceramic-to-metal joining
JPH07291753A (en) * 1994-04-27 1995-11-07 Kyushu Dentsu Kk Joining method of ceramics member and metal member
RU2336980C2 (en) * 2006-10-03 2008-10-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии Method of ceramics soldering with metals and nonmetals

Also Published As

Publication number Publication date
EA201900203A1 (en) 2020-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5548167B2 (en) Laminate and method for producing laminate
JP3798319B2 (en) Free-standing reactive multilayer foil
US6863992B2 (en) Composite reactive multilayer foil
US20090186195A1 (en) Reactive Multilayer Joining With Improved Metallization Techniques
US8397976B2 (en) Method for cohesively bonding metal to a non-metallic substrate using capacitors
TWI498435B (en) Sputter target assembly having a low-temperature high-strength bond
JP2003520685A (en) Microfluidic device and ultrasonic bonding process
JP3670008B2 (en) How to make an airtight solder joint
CN109822094A (en) A kind of Al-Ti diverse metal alloy welding method
EA035216B1 (en) Method for connecting piezoceramic substances with various materials
US20230330767A1 (en) Method for Producing Load-Indicating Connection Components, and Corresponding Load-Indicating Connection Component
JP2006528556A (en) Bonding method using reactive multilayer foil with enhanced control of melt bonding material
Aasmundtveit et al. In–Bi low-temperature SLID bonding for piezoelectric materials
Sha et al. Low-temperature solid-state silver bonding of silicon chips to alumina substrates
EA035213B1 (en) Method for connecting printed circuit boards with various materials
RU2753171C1 (en) Method for non-damaging surface mounting of silicon crystals and a3b5 type crystals by using shs foil deposited in form of metallizing multilayer nanostructured coating on surface of these crystals
CN113929487B (en) Piezoelectric ceramic composite material and preparation method and application thereof
JP4151859B2 (en) Method for joining sputtering target plates
CN114340211A (en) Circuit board composite material and preparation method and application thereof
Enjo et al. Effects of ultrasonic vibration on diffusion welding of aluminum
Welker et al. Bonding of ceramics using reactive NanoFoil®
JP2005082431A (en) Ceramic connection method and ceramic connected member connected by it
JPH09213230A (en) Joint body of electrode plates and metal buried ceramics, and its manufacture
JP2000183476A (en) Ceramic circuit board
Sebo et al. Joining of copper-carbon fibre composite with gold coated alumina by low temperature In-Pb and Soldamol 170 solders

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AZ BY KG TJ RU