PL239381B1 - Sposób lutowania taśmy srebrnej albo posrebrzanej do powierzchni metalizowanej - Google Patents

Abstract

Przedmiot wynalazku polega na tym, że spoiwo indowe (1), o czystości co najmniej 99% umieszczone na podłożu ceramicznym alundowym (3), pokrytym warstwą metalizacji (2) metalem wybranym z grupy miedziowców, poddaje się pośrednio poprzez podłoże ceramiczne alundowe (3), nagrzewaniu skupionym strumieniem gorącego powietrza i topieniu. Po osiągnięciu przez podłoże (3) temperatury topnienia indu, wprowadza się srebrną albo posrebrzaną taśmę (5) o grubości co najmniej 60 nm, z naniesionym topnikiem a następnie srebrną albo posrebrzaną taśmę (5), dociska się grawitacyjnie do stopionego spoiwa indowego (1), a po upływie od 1 do 2 sekund, po uzyskaniu adhezji spoiwa indowego (1) do obu elementów łączonych (3, 5), rozpoczyna się etap chłodzenia, w wyniku którego otrzymuje się trwałe i wytrzymałe połączenie.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania trwałych połączeń elektrycznych metodą lutowania pomiędzy srebrną albo posrebrzaną taśmą a powierzchnią metalizowaną.

Wynalazek może znaleźć zastosowanie w przemyśle elektronicznym do wytwarzania nierozłącznych połączeń do cienkiej warstwy metalicznej na podłożu dielektrycznym, szczególnie w przyrządach pracujących w zakresie temperatur kriogenicznych.

Na skalę przemysłową najczęściej wykorzystywaną metodą jest zgrzewanie ultradźwiękowe (ultrakompresyjne) stosowane w łączeniu metalizacji Al z drutem Al, jak również Au z drutem Au. Połączenia zgrzewane są połączeniami trwałymi stosowanymi do łączenia elementów statycznych umieszczonych stabilnie na wspólnym podłożu. Oba końce drutu są trwale łączone do pól kontaktowych, co gwarantuje dużą stabilność połączenia. Ograniczona wytrzymałość mechaniczna połączenia wynika z małej powierzchni czynnej połączenia (najczęściej zbliżonej lub nieznacznie przekraczającej średnicę drutu). Wykonanie stabilnego i trwałego połączenia jednostronnego (z jednym końcem swobodnym) jest trudne i rzadko stosowane w praktyce.

Znanym sposobem realizacji połączeń do cienkich warstw metalicznych jest klejenie z użyciem klejów elektroprzewodzących przygotowanych najczęściej na bazie żywic syntetycznych z wypełniaczem w postaci sproszkowanego lub płatkowego srebra. Połączenia te charakteryzują się znaczną wytrzymałością mechaniczną i dobrymi właściwościami elektrycznymi, jednak proces klejenia jest procesem czasochłonnym (długi czas utwardzania spoiwa). Ponadto połączenia klejone charakteryzują się ograniczonym zakresem temperatur pracy, szczególnie w niskich temperaturach. Szczególną trudność sprawia wykonanie połączenia klejonego o małej powierzchni.

Innym sposobem realizacji połączeń jest lutowanie. Jest to połączenie typu nierozłącznego, gdzie jako materiał łączący (tzw. spoiwo) stosuje się metal lub stop, którego temperatura topnienia jest znacznie niższa niż temperatura topnienia elementów łączonych. Trwałość połączenia zależy głównie od adhezji spoiwa (lutowia) do elementów łączonych oraz od nieznacznej dyfuzji atomów spoiwa do elementów łączonych. Łączenie elementów za pomocą lutowania znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle, głównie elektronicznym i maszynowym. Z powodu ścisłego rygoru temperaturowego w przemyśle elektronicznym znajduje zastosowanie tzw. lutowanie miękkie, gdzie temperatura lutowia nie przekracza 450°C (w praktyce jest to najczęściej ok. 320°C). Połączenie wykonane techniką lutowania miękkiego powinno charakteryzują się dobrą i stabilną w czasie składowania i eksploatacji przewodnością elektryczną, szczelnością i wymaganą wytrzymałością mechaniczną, przy czym nie jest to cecha dominująca tego połączenia.

Problemem jest to, że zastosowanie standardowej metody wykonywania połączeń lutowanych do cienkich warstw metalicznych jest trudne w realizacji, a w przypadku warstw o grubości < 200 nm praktycznie niemożliwe. Kontakt grotu lutowniczego prowadzi do trwałego uszkodzenia warstwy. Z kolei zastosowanie bezpośredniego oddziaływania strumieniem gorącego powietrza na spoiwo jest mało przewidywalne i daje niepowtarzalne efekty. W znacznej liczbie prób dochodzi do uszkodzenia metalizacji jak pokazano na fig. 4b. Podobne, niepożądane uszkodzenia warstwy metalicznej występują przy próbach bezpośredniego zwilżenia metalizacji spoiwem z dodatkiem topnika. Napięcie na powierzchni spoiwa powoduje zerwanie i degradację metalizacji. Lutowanie rozpływowe w piecu o różnych strefach temperaturowych wymaga podgrzania całego elementu i naniesienia spoiwa wraz z topnikiem, co w rozpatrywany przypadku jest niewskazane z uwagi na możliwość degradacji cienkiej warstwy metalicznej.

Celem wynalazku było zatem opracowanie metody wytwarzania trwałych połączeń elektrycznych mogących pracować niezawodnie w szerokim zakresie temperatur od pokojowych do kriogenicznych, bez występowania uszkodzeń mechanicznych elementów połączenia, zachowując przy tym wymagane parametry elektryczne.

Istota wynalazku dotyczącego sposobu lutowania srebrnej taśmy do powierzchni metalizowanej naniesionej na podłożu ceramicznym, polega na pośrednim nagrzaniu skupionym strumieniem gorącego powietrza i topieniu spoiwa indowego o czystości co najmniej 99%, umieszczonego na podłożu ceramicznym alundowym, pokrytym warstwą metaliczną metalu wybranego z grupy miedziowców. Po osiągnięciu przez podłoże temperatury topnienia indu, wprowadza się srebrną albo posrebrzaną taśmę o grubości co najmniej 60 nm, z naniesionym topnikiem, w celu zwilżenia obu powierzchni łączonych spoiwem indowym. Kolejno srebrną taśmę do stopionego spoiwa dociska się grawitacyjnie, a po upływie

PL 239 381 B1 od 1 do 2. sekund, po uzyskaniu adhezji spoiwa do obu elementów łączonych, rozpoczyna się etap chłodzenia i powstaje trwałe i wytrzymałe połączenie.

Korzystnie jest, gdy metalizacją jest metalizacja srebrem.

Korzystnie także jest, gdy metalizacją jest metalizacja złotem.

Korzystnie również jest, gdy metalizacją jest metalizacja miedzią.

Korzystnie także jest, gdy topnikiem jest kalafoniowy topnik żelowy, w ilości od 0,01 do 0,02 mg na 5 mm² powierzchni połączenia.

Po dociśnięciu srebrnej taśmy do alundowego podłoża, w wyniku silnej adhezji, spoiwo indowe jest uwięzione pomiędzy powierzchniami łączonych elementów. W efekcie następuje równomierny rozpływ spoiwa, co eliminuje ewentualne uszkodzenia warstwy metalizacji o nanometrowej grubości. Zastosowanie indu, jako spoiny, zapewnia elastyczność połączenia w szerokim zakresie temperatur włącznie z temperaturami kriogenicznymi. Ponadto stosowana spoina umożliwia łączenie różnych metali, jednocześnie niwelując wpływ różnych wartości współczynników rozszerzalności cieplnej.

Zaletą wynalazku jest to, że umożliwia wykonywanie trwałych połączeń dyfuzyjnych o dobrych właściwościach elektrycznych i mechanicznych. Ponadto geometria i pole powierzchni połączenia mogą być dowolne. Wykonanie połączenia wymaga jedynie lokalnego podgrzania podłoża w miejscu połączenia i pozwala na realizację połączeń do wyprowadzeń elementów wrażliwych na zmiany temperatury.

Uzyskiwane połączenia charakteryzują się typową dla metali zależnością rezystancji od temperatury - rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Zmiana ma charakter liniowy w zakresie 60-300K z temperaturowym współczynnikiem rezystancji rzędu ~3·10^-31/K.

Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony w przykładzie wykonania oraz na rysunku, na którym fig. 1a, fig. 1b oraz fig. 1c przedstawiają schematycznie kolejne etapy procesu lutowania, fig. 2 to diagram czasowy, który obrazuje przebieg procesów cieplnych w czasie lutowania, fig. 3, obrazuje względną zmianę rezystancji połączenia w funkcji temperatury, natomiast fig. 4a to obraz spoiny po wykonaniu lutowania według wynalazku i fig. 4b to obraz porównawczy metalizacji uszkodzonej przez spoiwo z topnikiem, po wykonaniu próby lutowania tych samych powierzchni metodą ze stanu techniki.

P r z y k ł a d 1:

W celu wykonania połączenia o powierzchni ok. 5 mm², spoiwo indowe 1 jakim jest ind o czystości 99,9%, w postaci spłaszczonego walca w ilości ok. 0,5 mm³ (ok. 0,8-0,9 mg) i temperaturze początkowej Tpp = 20°C, umieszcza się na podłożu ceramicznym alundowym 3 jakim jest tlenek glinu AI2O3, o grubości 0,75 mm, pokrytym warstwą metalizacji 2 złotem. Dolną powierzchnię ceramicznego podłoża alundowego 3 podgrzewa się strumieniem powietrza 4 do temperatury Tkp = 170°C (etap a). Nad stopione spoiwo indowe 1 wprowadza się srebrną taśmę 5 o grubości 100 nm z naniesionym kalafoniowym topnikiem żelowym w ilości ok. 0,01-0,02 mg na 5 mm² powierzchni połączenia, w celu zwilżenia obu powierzchni 2 i 5 łączonych spoiwem 1 (etap b). Taśmę 5 do stopionego spoiwa 1 dociska się grawitacyjnie. W chwili uzyskania adhezji spoiwa indowego 1 do obu elementów 2 i 5, rozpoczyna się etap chłodzenia (etap c). Przebieg procesów cieplnych w czasie, dla połączenia wykonanego jak w przykładzie, przedstawiony został na fig. 2. Czasy wyznaczone przy realizacji połączenia o powierzchni 5 mm² na podłożu z ceramiki AI2O3 o grubości 0,75 mm. Tpp i Tkp oznaczają odpowiednio temperaturę początkową i końcową nagrzewanego podłoża ceramicznego mierzoną w pobliżu spoiny indowej.

‘ P r z y k ł a d 2:

Postępuje się jak w przykładzie 1, przy czym podłoże ceramiczne alundowe 3 o grubości 0,75 mm, pokryte jest warstwą metalizacji 2 srebrem.

P r z y k ł a d 3:

Postępuje się jak w przykładzie 1, przy czym podłoże ceramiczne alundowe 3 o grubości 0,75 mm, pokryte jest warstwą metalizacji 2 miedzią.

Claims (5)

1. Sposób lutowania taśmy srebrnej albo posrebrzanej do powierzchni metalizowanej naniesionej na podłożu ceramicznym, znamienny tym, że spoiwo indowe (1), o czystości co najmniej 99%, umieszczone na podłożu ceramicznym alundowym (3), pokrytym warstwą metalizacji (2) metalem wybranym z grupy miedziowców, poddaje się pośrednio poprzez podłoże ceramiczne alundowe (3), nagrzewaniu skupionym strumieniem gorącego powietrza i topieniu, po czym po osiągnięciu przez podłoże (3) temperatury topnienia indu, wprowadza się srebrną

PL 239 381 B1 albo posrebrzaną taśmę (5) o grubości co najmniej 60 nm, z naniesionym topnikiem a następnie srebrną albo posrebrzaną taśmę (5), dociska się grawitacyjnie do stopionego spoiwa indowego (1), a po upływie od 1 do 2 sekund, po uzyskaniu adhezji spoiwa indowego (1) do obu elementów łączonych (3, 5), rozpoczyna się etap chłodzenia, w wyniku którego otrzymuje się trwałe i wytrzymałe połączenie.

2. Sposób lutowania według zastrz. 1, znamienny tym, że metalizacją (2) jest metalizacja srebrem.

3. Sposób lutowania według zastrz. 1, znamienny tym, że metalizacją (2) jest metalizacja złotem.

4. Sposób lutowania według zastrz. 1, znamienny tym, że metalizacją (2) jest metalizacja miedzią.

5. Sposób lutowania według zastrz. 1, znamienny tym, że topnikiem jest kalafoniowy topnik żelowy, w ilości od 0,01 do 0,02 mg na 5 mm² powierzchni połączenia.