SK288833B6 - Mäkká aktívna spájka a spôsob spájkovania - Google Patents

Abstract

Mäkká aktívna spájka na spájkovanie nekovových materiálov s nekovovými/kovovými materiálmi pozostáva z india a aktívneho kovu, ktorým môže byť titán alebo súčasne titán aj lantán. Indium má podiel 54,0 % až 99,0 % hmotn., titán Ti má podiel 1,5 % až 4,0 % hmotn., lantán má podiel 1,0 % až 2,0 % hmotn. Striebro Ag môže mať podiel 1,0 % až 15,0 % hmotn. a cín môže mať podiel 1,0 % až 30,0 % hmotn. Nekovové materiály s nekovovými alebo kovovými materiálmi sa spájkujú kontaktným ohrevom a zároveň ultrazvukom priamo bez predchádzajúceho povlakovania spájkovaných povrchov. Spájkou sa môže spájkovať v druhej etape postupného spájkovania, pričom v prvej etape sa spájkuje odlišnou spájkou s vyššou teplotou spájkovania.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka zloženia mäkkej aktívnej spájky na báze india na spájkovanie nekovových materiálov s nekovovými alebo kovovými materiálmi. Vynález patrí do oblasti spájkovania bezolovnatými spájkami, najmä v elektrotechnickom priemysle.

Doterajší stav techniky

Keramické materiály (napr. AI2O3, SiOz, T1O2 a pod.) a niektoré nekovové (Si, Ge, grafit a pod.) a ťažko spájkovateľné kovové materiály (W, Mo, Ta a pod.) sa spájkujú nepriamo tak, že na povrch keramického materiálu sa nanesie spájkovateľný kovový povlak, až potom sa realizuje samotné spájkovanie. Pokovovaním povrchu sa odstraňujú problémy spojené so zmáčateľnosťou keramických a niektoiých nekovových materiálov. Z hľadiska voľby typu pokovovania treba poznať, pri akej prevádzkovej teplote bude spájkovaná súčiastka pracovať. Podľa toho sa použije na spájkovanie buď mäkká, alebo tvrdá spájka. Požadovaný kovový spájkovateľný povlak sa potom získa:

• buď vpaľovaním kovových roztokov buď žiaruvzdorných kovov Mo, Mn, W (s následným poniklovaním), alebo drahých kovov Ag, Au, Pt a pod., • alebo fýzikálnou a chemickou depozíciou, ktoiými sa vytvárajú tenké povlaky, napr. Au, Ag, Ni a ich kombinácie.

Vytvorený kovový spájkovací povlak zabezpečí potrebnú zmáčavosť povrchu materiálu spájkou, ktoiý je inak nezmáčavý.

V stave techniky je známe spájkovanie nekovových materiálov (AI2O3, S1O2, T1O2 a pod.) alebo ťažko spájkovateľných materiálov (W, Mo, Ta a pod.), tzv. priame spájkovanie s využitím tzv. aktívnej spájky. ktorá obsahuje malé množstvo aktívneho kovu (napr. sú to kovy alkalických zemín - Mg, Ba atď.).

Základom väčšiny aktívnych spájok je cín alebo olovo. Olovo je postupne nahrádzané alternatívnymi prvkami, keďže je považované za škodlivé.

Zverejnený patentový spis EP 0349733 A1 opisuje spájku na báze striebra, ktorá obsahuje indium a titan na priame spájkovanie keramických materiálov. Takáto spájka má vysokú teplotu tavenia okolo 1 000 °C a spájkovanie musí prebiehať vo vákuu alebo v ochrannej atmosfére argónu. Spájka podľa tohto zverejnenia je určená na vysokopevné spoje, najmä pri strojárskych aplikáciách. Pri spájkovaní materiálov s odlišnou tepelnou rozťažnosťou dochádza k vzniku zvyškových napätí.

Indium je ako prísada použité vo viacerých spájkach, ako napríklad podľa zverejnení CN103909363, EA201200633, EP2756914, US5341981, RU2006146450, kde zvyčajne neprekračuje podiel 15 % hmotnostných.

Spis US 20070292072 A1 opisuje bezolovnatú spájku, ktorá obsahuje 30 % až 70 % hmotn. india, 20 % až 60 % hmotn. cínu a do 5 % hmotn. vzácneho kovu, napríklad lantánu.

Je žiadané nové zloženie spájky, ktoré skráti čas spájkovania krehkých nekovových materiálov, ako je kremík, germánium, zafír, sklo, sklená keramika, a umožní, aby spájka kompenzovala zvyškové napätia pochádzajúce z rôznej tepelnej rozťažnosti materiálov, napríklad pri spájkovaní keramiky s kovom. Spájka by mala umožňovať spájkovanie ultrazvukom pri teplotách okolo 200 °C.

Podstata vynálezu

Vynález je definovaný nárokmi 1 až 7. Nedostatky uvedené v stave techniky v podstatnej miere odstraňuje mäkká aktívna spájka, ktorá obsahuje aktívny kov titán alebo súčasne aj lantán podľa tohto vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že je na báze india. Indium má v spájke podľa tohto vynálezu prevažujúci podiel, ktoiý sa pohybuje v rozsahu 54,0 % až 99,0 % hmotn. Pokiaľ v stave techniky je indium používané ako legúra s malým celkovým podielom, často pod 2,0 % hmotn., mäkká spájka podľa tohto vynálezu používa indium ako základ spájky. Indium je ľahko taviteľný kov (bod tavenia 156,60 °C), je mäkký a dobre ťažný. Používa sa ako legúra v zliatinách v elektrotechnickom priemysle alebo tiež v strojárstve na pokovovanie klzných ložísk.

Aktívny kov titán má podiel 1,5 % až 4,0 % hmotn. V prípade použitia aj aktívneho kovu lantánu bude jeho podiel 1,0 % až 2,0 % hmotn. Okrem toho môže spájka zahŕňať striebro v rozsahu 1,0 % až 15 % hmotn. a/alebo cín v rozsahu 1,0 % až 30,0 % hmotn.

Spájka tiež môže obsahovať bežné nečistoty a prímesi, ako je napríklad bizmut, meď, hliník, zinok, cerium, zvyčajne v stopových množstvách.

Táto spájkovacia zliatina na báze india je v kombinácii s ultrazvukovou aktiváciou vhodná na priame spájkovanie keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov bez použitia povlakovania a bez použitia taviva. Pri použití mäkkých spájok na báze india sú spájkované spoje schopné vykompenzovať svojou plastickou deformáciou (mechanizmom sklzu alebo tečenia) zvyškové napätia z rôznej tepelnej rozťažnosti kombinácie rôznorodých materiálov, napríklad materiálov keramika/kov. Týmto spôsobom sa dosiahne najvýraznejšie zníženie zvyškových napätí pri zachovaní jednoduchosti spoja. Prítomnosť aktívneho prvku zabezpečuje dobrú zmáčateľnosť spájkovaných dielcov.

Mäkkými aktívnymi spájkami podľa tohto vynálezu možno spájkovať neobvyklé kombinácie kovových materiálov (napr. CrNi, oceľ, Mo, W, Ti, Cr a pod.) a nekovových materiálov, väčšinou krehkých (sklo, keramika SiO₂, zafír, uhlík, kremík, germánium, ale aj takmer všetky druhy keramík). Spájka podľa tohto vynálezu je teda vhodná na spájame krehkých materiálov a kombinovaných materiálov s veľmi rozdielnym koeficientom tepelnej rozťažnosti.

Spájka podľa tohto vynálezu je výbornou náhradou za olovnaté spájky pre nižšie aplikačné teploty, a to predovšetkým v elektronike a elektrotechnike, kde postačí nižšia pevnosť a tepelná odolnosť spoja.

Výhodne sa ukázalo spájkovanie pomocou spájky na báze india napríklad pri spájkovaní okienok na laseroch a spektroskopoch, pri vytváram elektrických spojov ku grafitu, pri spájkovaní kontaktov na sklo, pri pripojení tepelných výmenníkov ku keramickému elektronickému substrátu z A1₂O₃ alebo A1N, pri spájaní terčov pre PVD naprašovanie a pod. Mäkká spájka podľa tohto vynálezu umožňuje tiež vytvárať vákuovotesné spoje vo vákuovej a kryogénnej technike.

Spájka na báze india podľa tohto vynálezu má spájkovaciu teplotu okolo 200 °C a má pevnosť v šmyku od 13 do 71 MPa podľa obsahu legúr (striebro alebo cín), ktoré spevnia matricu spájky. Spájka môže mať formu fólie, ktorá sa nanesie do miesta spoja.

Legovanie pomocou titánu alebo aj lantánu zvyšuje zmáčavosť spájky. Titán, ale aj lantán sú vo všeobecnosti veľmi reaktívne kovy. Majú vysokú afinitu ku kyslíku a k ďalším prvkom, ktoré sú zložkami spájkovaných materiálov.

Spájaný napr. keramický materiál a keramický/kovový materiál sa pomocou tejto mäkkej aktívnej spájky na báze india s aktívnym kovom spájkuje kontaktným ohrevom a zároveň ultrazvukom alebo laserom bez povlakovania. Spájkou sa môže spájkovať v druhej etape postupného spájkovania, pričom v prvej etape sa spájkuje odlišnou spájkou s vyššou teplotou spájkovania.

Spájka podľa tohto vynálezu je v kombinácii napr. s ultrazvukovou alebo laserovou, alebo aj inou aktiváciou (wave soldering alebo reflow soldering) vhodná na priame spájkovanie keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov bez použitia povlakovania a bez použitia taviva. Znižuje sa tak čas potrebný na vyhotovenie spojov, zlepšuje sa hygiena pracovného prostredia a zlepšuje sa ekonomika výroby spájkovaných spojov. Podstatnou výhodou predmetnej spájky je jej využiteľnosť pri nesúrodých materiáloch s odlišnou tepelnou rozťažnosťou. Zloženie spájky podľa tohto vynálezu zabezpečuje prijateľnú pevnosť spájky v ťahu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený pomocou obrázka 1, kde je graf znázorňujúci šmykovú pevnosť spájkovaného spoja pri rôznych spájkovaných dvojiciach materiálov.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

Aktívna spájka má zloženie 98 % hmotn. india a 2 % hmotn. titánu.

Príklad 2

Aktívna spájka v tomto príklade má zloženie 98 % hmotn. india, 1 % hmotn. titánu a 1 % hmotn. lantánu.

Príklad 3

Na spájkovanie keramiky SiO₂ s meďou sa použila aktívna spájka InSn30Ag4Ti3 vo forme fólie. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 140 °C.

Príklad 4

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia sa použila aktívna spájka na báze india so zložením InAgl0Ti3 vo forme ingotu. Spájkovanie prebiehalo pri ohreve horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 240 °C.

Príklad 5

V tomto príklade podľa obrázka 1 sa spájkou InlOAg4Ti spájkovali rôzne dvojice materiálov, a to Ni/Ni, ZrOz/Cu, AIN/Cu, Cu/Cu, Al/Al, A12O3/Cu, Ag/Ag a SS/SS (SS - nehrdzavejúca oceľ, v tomto príklade AISI 316). Dosiahnuté šmykové pevnosti spojov sú znázornené v grafe na obrázku 1.

Priemyselná využiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť vynálezu je zrejmá. Spájky na báze india sú perspektívnou náhradou spájok 10 za olovnaté spájky. Uplatnenie môže spájka nájsť v elektronickom, elektrotechnickom priemysle.

Claims (7)

1. Mäkká aktívna spájka, ktorá obsahuje aktívny kov titán Ti, vyznačujúca sa tým, že je na báze india In, kde indium In má podiel 54,0 % až 99,0 % hmotn. a zahŕňa titán Ti s podielom do 4,0 % hmotn.

2. Mäkká aktívna spájka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa lantán La s podielom 1,0 % až 2,0 % hmotn.

3. Mäkká aktívna spájka podľa nárokov 1 alebo 2, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa striebro Ag s podielom 1,0 % až 15,0 % hmotn.

4. Mäkká aktívna spájka podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúca sa tým, že zahrň zahŕňa uje cín Sn s podielom 1,0 % až 30,0 % hmotn.

5. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou na báze india In podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že nekovové materiály s nekovovými/kovovými materiálmi sa spájkujú kontaktným ohrevom a zároveň ultrazvukom priamo bez predchádzajúceho povlakovania spájkovaných povrchov.

6. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že nekovové materiály s nekovovými/kovovými materiálmi sa spájkujú zároveň laserom.

7. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa nárokov 5 alebo 6 pri postupnom spájkovaní s dvomi etapami s rozdielnymi teplotami spájkovania v jednotlivých etapách, vyznačujúci sa tým, že nekovové materiály s nekovovými/kovovými materiálmi sa spájkujú v dmhej etape postupného spájkovania, pričom v prvej etape sa spájkuje odlišnou spájkou s vyššou teplotou spájkovania.