PL217779B1 - Bezołowiowa, kompozytowa pasta lutownicza do montażu powierzchniowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest bezołowiowa, kompozytowa pasta lutownicza do montażu powierzchniowego, służąca do lutowania elementów i podzespołów w sprzęcie elektronicznym, w tym o podwyższonych wymaganiach niezawodnościowych, np. w elektronice samochodowej.

Pasta lutownicza składa się ze stopu lutowniczego w postaci ziaren proszku oraz z topnika. Mogą w niej również znajdować się nanododatki metali tworząc pastę kompozytową.

Przez 50 lat najczęściej stosowanymi w elektronice pastami lutowniczymi były pasty zawierające proszki stopów lutowniczych z ołowiem: SnPb, SnPbAg. Ze względu na ochronę środowiska, stopy lutownicze, jak również pasty lutownicze nie mogą zawierać ołowiu. Lutownicze stopy bezołowiowe, np. SnAg i SnAgCu, w porównaniu z tradycyjnym stopem eutektycznym SnPb, charakteryzują się wyższą o ok. 40°C temperaturą topnienia, wyższym napięciem powierzchniowym oraz gorszą zwilżalnością powierzchni miedzianych stosowanych w elektronice, co utrudnia proces lutowania, który musi się odbywać w wyższej temperaturze.

Rozwój elektroniki samochodowej spowodował, że od połączeń lutowniczych wymaga się coraz wyższej odporności mechanicznej. Dlatego próbuje się w różny sposób wzmacniać stopy lutownicze. Nanomateriały, ze względu na niezwykle rozwiniętą powierzchnię w stosunku do objętości, charakteryzują się innymi, niż w skali mikro, właściwościami. Dodatek nanomateriałów do stopów lutowniczych powoduje zmianę właściwości termicznych utworzonych stopów kompozytowych spowodowaną zmianą mikrostruktury.

Do past lutowniczych wykorzystuje się proszek lutowniczy z nanocząstkami (stop kompozytowy), który uzyskuje się na ogół na drodze proszkowej. W amerykańskim opisie patentowym nr US 200330168130 podano, że do stopu podstawowego dodaje się metal tworzący ze stopem podstawowym związek międzymetaliczny. Z tak utworzonego stopu kompozytowego, zawierającego nanozwiązki międzymetaliczne, o rozmiarze 10-100 nm, wytwarza się proszek lutowniczy, który miesza się z topnikiem, np. kalafoniowym, w celu uzyskania pasty lutowniczej. Pasta zawierająca stop z nanocząstkami charakteryzuje się ulepszonymi właściwościami zwilżającymi. W japońskim opisie patentowym EP 1 889 683 A1, przedstawiona jest inna metoda otrzymywania kompozytowej pasty lutowniczej zawierającej nanocząstki Ag, Au, Cu o rozmiarach 5-300 nm. Zmieszane z etanolem nanocząstki metali były dodawane do gotowej pasty lutowniczej zawierającej stop SnZn. Tak otrzymana pasta kompozytowa charakteryzuje się temperaturą topnienia zbliżoną do past zawierających SnPb i dobrymi właściwościami zwilżającymi.

Znane są z opisów patentowych japońskiego (WO2008066123) i amerykańskiego (WO2009099640) przewodzące pasty polimerowe do zastosowań w biosensorach, czy w klejach, które charakteryzują się wzmocnionymi właściwościami mechanicznymi dzięki dodatkowi nanorurek węglowych.

Celem niniejszego wynalazku jest uzyskanie kompozytowej pasty lutowniczej z dodatkiem nanomateriałów, w celu osiągnięcia, z jednej strony, obniżenia temperatury topnienia pasty i dzięki temu polepszenia właściwości zwilżających stopu kompozytowego, a z drugiej strony, w celu osiągnięcia wzmocnienia mechanicznego, dzięki czemu połączenie lutowane mogłoby pracować w ciężkich warunkach np. pracującego samochodu.

Bezołowiowa, kompozytowa pasta lutownicza według wynalazku stanowi mieszaninę sproszkowanego SnAgCu i topnika zawierającego nanododatki. Jako nanododatki zawiera nanorurki węglowe o wymiarze cząstek od 5-100 nm oraz nanometale, takie jak srebro, miedź, kobalt, nikiel, pallad i/lub ich stopy o wymiarze cząstek od 5 do 650 nm. Stosunek nanorurek węglowych do nanometali wynosi (0,0001-30)/(0,0001-40). Ilość mieszaniny nanododatków w paście lutowniczej wynosi od 0,01 do 4%.

Zaletą takiej bezołowiowej, kompozytowej pasty lutowniczej jest jednoczesne obniżenie temperatury topnienia, powodujące bardzo dobrą zwilżalność powierzchni lutowanych, np. podłoża miedzianego pól lutowniczych płytek drukowanych oraz mechaniczne wzmocnienie połączeń lutowanych, dzięki obecności dotychczas nie stosowanej mieszaninie nanododatków. Jej zastosowanie nie wymaga zmywania pozostałości po lutowaniu.

P r z y k ł a d:

Bezołowiowa, kompozytowa pasta lutownicza do montażu powierzchniowego składa się z 90% wagowych sproszkowanego stopu SnAgCu o średnicy ziaren od 20 do 38 pm oraz z 10% wagowych topnika, do którego dodaje się 0,1% mieszaniny nanocząstek srebra i nanorurek węglowych, o średniej wielkości ziaren od 5-170 nm, zmieszanych w stosunku 1/10.

PL 217 779 B1

Pastę wykonuje się poprzez zmieszanie składników topnika z nanododatkami oraz z proszkiem lutowniczym oraz dokładne wymieszanie całości w atmosferze argonu.

Tak przygotowaną pastą wykonuje się lutowanie w piecach konwekcyjnych w temperaturze

245°C i uzyskuje się prawidłowe połączenie lutowane, podobnie, jak w przypadku lutowania tradycyjnymi pastami SnPb, ale o wyższej odporności mechanicznej.

Claims (1)

1. Bezołowiowa, kompozytowa pasta lutownicza do montażu powierzchniowego, stanowiąca mieszaninę sproszkowanego stopu lutowniczego SnAgCu i topnika zawierającego nanododatki, znamienna tym, że jako nanododatki zawiera mieszaninę nanorurek węglowych o wymiarze cząstek od 5-100 nm oraz nanometali, takich jak srebro, miedź, kobalt, nikiel, pallad i/lub ich stopy o wymiarze cząstek od 5 do 650 nm, przy czym stosunek nanorurek węglowych do nanometali i/lub ich stopów wynosi (0,0001-30)/(0,0001-40), a ilość mieszaniny nanododatków w paście lutowniczej wynosi od