SK289084B6 - Spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou a spájkované spoje keramika/ keramika, keramika/kov a kov/kov so spájkou bez obsahu titánu - Google Patents

Abstract

Spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou spájkovaného spoja keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov so spájkou bez obsahu titánu sa uskutočňuje tak, že najskôr sa na spájkovanej hladkej ploche keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu laserovým mikroštruktúrovaním vytvára povrchová textúra s elementárnymi prvkami štvorcového tvaru veľkosti 1,5 mm až 3,0 mm x 1,5 mm až 3,0 mm s konverzným profilom s hustotou textúry 12,5 % až 51 % a hĺbkou textúry 0,05 až 0,2 mm. Následne sa na kovovú alebo keramickú časť spoja bez mikroštruktúrovania nanáša spájka bez obsahu titánu na báze Zn pri teplote od 250 °C do 450 °C a aplikuje sa aktívny ultrazvuk s frekvenciou 40 kHz.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou spájkovaných spojov keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov a samotných spájkovaných spojov keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov so spájkou bez obsahu titánu. Vynález spadá do oblasti spájania materiálov - spájkovania.

Doterajší stav techniky

V súčasnosti sa keramické materiály (napr. Al2O3, SiC, SÍ3N4, AlN a pod.) alebo kombinácie keramika a kov spájkujú dvomi základnými spôsobmi spájkovania. Prvý spôsob využíva povlakovanie ťažko spájkovateľného materiálu, na ktorý sa nanesie kov s dobrou zmáčavosťou. Druhý spôsob je použitie aktívnej spájky, ktorá obsahuje aktívny prvok na účely zabezpečenia zmáčavosti ťažko spájkovateľného materiálu, ako sú aj keramické materiály.

Klasický spôsob je nasledujúci: Na povrch keramického materiálu sa nanesie spájkovateľný kovový povlak, až potom sa realizuje samotné spájkovanie. Pokovovaním keramiky sa odstraňujú problémy spojené so zmáčateľnosťou keramických a niektorých nekovových materiálov. Vytvorený kovový spájkovací povlak zabezpečí vynikajúcu zmáčavosť povrchu materiálu spájkou, ktorý je inak nezmáčavý.

Druhý spôsob, ktorý sa v súčasnosti intenzívne skúma, je priame spájkovanie použitím špeciálnej tzv. aktívnej spájky, ktorá obsahuje malé množstvo aktívneho kovu Ti, La, In, Zr a pod. Znižuje sa čas potrebný na vyhotovenie spojov, zlepšuje sa hygiena pracovného prostredia a zlepšuje sa ekonomika výroby spájkovaných spojov. Aktívny prvok je dôležitou súčasťou spájky, pretože zabezpečuje zmáčavosť a vznik väzby medzi kovovou spájkou a keramickým materiálom.

Existuje však skupina bezolovnatých spájkovacích zliatin pre vyššie aplikačné teploty napr. na báze zinku, ktoré neobsahujú aktívny kov s výraznou afinitou, ako je titán. Príkladom sú spájky typu Zn-Al-Cu, Zn-Al-Ag a pod. V týchto spájkovacích zliatinách nahrádza aktívny kov Al a čiastočne Zn. Pri týchto spájkach sa dosahujú aj relatívne nízke pevnosti v šmyku pri spájkovaní keramických materiálov.

Zo stavu techniky je známe, že technológia laserového mikroštruktúrovania, ktorá bola pôvodne určená na odoberanie mikroobjemov ťažko obrábateľných materiálov (materiály v kalenom stave, keramika, Ti-zliatiny, Co-zliatiny, kompozitné materiály a iné), s vysokými požiadavkami na parametre integrity obrobenej plochy, nachádza dnes stále širšie uplatnenie, a to tak z hľadiska zastúpenia sortimentu obrábaných materiálov, ako i z hľadiska šírky portfólia realizovaných technologických postupov. Typickým segmentom výrobkov sú najmä súčiastky určené pre mikroelektroniku, výrobky na biomedicínske použitie, pre letecký, automobilový priemysel a oblasť výroby nástrojov.

V zmysle opísaného stavu sa naskytla príležitosť riešiť danú problematiku spájkovania v kombinácii s laserovým mikroštruktúrovaním a výsledkom úsilia pôvodcov je spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou spoja a samotné spájkované spoje keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov so spájkou bez obsahu titánu v predloženom vynáleze.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky sú odstránené spôsobom spájkovania kombinácie keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou spájkovaných spojov keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov podľa tohto vynálezu. V snahe vyrobiť spájkovaný spoj keramický materiál/kov, pričom na spájkovanie by sa použila spájka na báze Zn bez legovania titánom, bol navrhnutý nový spôsob spájkovania, ktorým sa výrazne zvýši šmyková pevnosť spoja.

Podstata spôsobu spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu na účely dosiahnutia vyššej šmykovej pevnosti spájkovaných spojov keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov podľa vynálezu spočíva v tom, že na spájkovanej hladkej ploche keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu sa laserovým mikroštruktúrovaním vytvára povrchová textúra s elementárnymi prvkami štvorcového tvaru veľkosti 1,5 mm až 3,0 mm x 1,5 mm až 3,0 mm s konverzným profilom s hustotou textúry 12,5 % až 51 % a hĺbkou textúry 0,05 mm až 0,2 mm.

V ďalšom kroku sa na kovovú alebo keramickú časť spoja bez mikroštruktúrovania nanáša spájka bez obsahu titánu na báze Zn ako aktívnym prvkom v liatom stave. Sú to spájky, ako napr. ZnAl5Mg3, ZnAl6Ag6, ZnAl5Cu3 a pod. Samotné spájkovanie sa realizuje pri teplote od 250 °C do 450 °C s použitím technológie spájkovania s podporou aktívneho ultrazvuku s frekvenciou 40 kHz, aby došlo ku kvalitnému zmáčaniu a zatečeniu spájky do vytvorených motívov na povrchu keramického materiálu.

Podstatou vynálezu je aj samotný spájkovaný spoj so spájkou bez obsahu titánu vytvorený opísaným spôsobom, ktorý je tvorený keramickým alebo ťažko zmáčateľným kovovým materiálom, na ktorého spájkovanej hladkej ploche má laserovým mikroštruktúrovaním vytvorenú povrchovú textúru s elementárnymi prvkami štvorcového tvaru veľkosti 1,5 mm až 3,0 mm x 1,5 mm až 3,0 mm s konverzným (zahĺbeným) profilom s hustotou textúry 12,5 % až 51 % a hĺbkou textúry 0,05 mm až 0,2 mm. Druhým komponentom spájkovaného spoja je spájka bez obsahu titánu na báze Zn ako aktívnym prvkom v liatom stave. Sú to spájky, ako napr. ZnAl5Mg3, ZnAleAge, ZnAl5Cu3 a pod. Tretím komponentom spájkovaného spoja je kovový alebo keramický materiál bez mikroštruktúrovania.

Je dôležité nájsť vhodnú textúru a optimalizovať hĺbku elementárneho prvku textúry. Ako sa zistilo, hĺbka ma výrazný vplyv na šmykovú pevnosť spoja. Skúmala sa hĺbka motívu 50, 100 a 200 pm.

Najvyššia šmyková pevnosť až 57 MPa sa dosiahla pri hĺbke mikroštruktúrovania 200 pm.

Výhody technického riešenia spôsobu spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou a spájkovaných spojov keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov so spájkou bez obsahu titánu sú zjavné z jeho účinkov, ktorými sa prejavuje navonok. Účinky tohto vynálezu spočívajú najmä v tom, že navrhované riešenie dosahuje vyššiu šmykovú pevnosť spájkovaných spojov keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou a spájkované spoje keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov so spájkou bez obsahu titánu podľa vynálezu bude bližšie objasnený na konkrétnych realizáciách zobrazených na výkresoch, kde obr. 1 znázorňuje laserové mikroštruktúrovanie na povrchu keramiky AúO3. Obr. 2 znázorňuje vplyv hĺbky mikrošruktúrovania na šmykovú pevnosť spájkovaných spojov.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Jednotlivé uskutočnenia spôsobu spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou a spájkovaných spojov keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov so spájkou bez obsahu titánu podľa vynálezu sú predstavované na ilustráciu a nie ako obmedzenia riešení. Odborníci znalí stavu techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam vynálezu. Aj takéto ekvivalenty budú potom spadať do rozsahu nasledujúcich patentových nárokov.

Odborníkom znalým stavu techniky nemôže robiť problém vhodná voľba materiálov a dimenzovanie, preto tieto znaky neboli detailne riešené.

Príklad 1

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu vynálezu je opísaný spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou spájkovaného spoja. Na spájkovanej hladkej ploche keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu sa laserovým mikroštruktúrovaním vytvára povrchová textúra s elementárnymi prvkami štvorcového tvaru veľkosti 1,5 mm až 3,0 mm x 1,5 mm až 3,0 mm s konverzným profilom s hustotou textúry 12,5 % až 51 % a hĺbkou textúry 0,05 mm až 0,2 mm. V ďalšom kroku sa na kovovú alebo keramickú časť spoja bez mikroštruktúrovania nanáša spájka ZnAl5Mg3 v liatom stave. Samotné spájkovanie sa realizuje pri teplote 370 °C s použitím technológie spájkovania s podporou aktívneho ultrazvuku s frekvenciou 40 kHz.

Príklad 2

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu vynálezu je opísaný spájkovaný spoj keramiky AI2O3 s Cu so spájkou bez obsahu titánu. Na spájkovanej hladkej ploche AúO3 s priemerom 15 mm je laserovým mikroštruktúrovaním vytvorená povrchová textúra s desiatimi elementárnymi prvkami štvorcového tvaru veľkosti 2,5 mm x 2,5 mm s konverzným profilom s hustotou textúry 35,5 % a hĺbkou textúry 0,2 mm, ako je to znázornené na obr. 1. Z obr. 2 je zjavné, že najvyššia šmyková pevnosť 57 MPa sa dosiahla pri hĺbke mikroštruktúrovania 200 μm. Druhým komponentom spájkovaného spoja je spájka ZnAIsMga v liatom stave. Tretím komponentom spájkovaného spoja je Cu bez mikroštruktúrovania.

Alternatívne je možné použiť spájky ako ZnAlsCua, ZnAleAge.

Priemyselná využiteľnosť

Spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou spájkovaného spoja a spájkované spoje keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov so spájkou 10 bez obsahu titánu podľa vynálezu nachádza uplatnenie všade tam, kde je potrebné keramické, nekovové a iné ťažko spájkovateľné materiály spájkovať navzájom alebo v kombinácii s kovmi. Môže sa použiť v elektronickom, elektrotechnickom, automobilovom priemysle, ale aj vo vákuovej technike, konkrétne pri spájkovaní priechodiek z keramických materiálov, pri spájkovaní tepelného výmenníka ku keramickému substrátu, pri spájkovaní keramických a nekovových terčov pre PVD naprašovanie, spájkovanie kovových 15 kontaktov na sklo a pod.

Claims (1)

1. Spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu s vyššou šmykovou pevnosťou spájkovaného spoja, vyznačujúci sa tým, že najskôr sa na spájkovanej hladkej 5 ploche keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu laserovým mikroštruktúrovaním vytvára povrchová textúra s elementárnymi prvkami štvorcového tvaru veľkosti 1,5 mm až 3,0 mm x 1,5 mm až 3,0 mm s konverzným profilom s hustotou textúry 12,5 % až 51 % a hĺbkou textúry 0,05 až 0,2 mm; následne sa na hladkú kovovú alebo keramickú časť spoja nanáša spájka na báze Zn pri teplote od 250 °C do 450 °C a aplikuje sa aktívny ultrazvuk.

10 2. Spájkovaný spoj keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov so spájkou bez obsahu titánu vytvorený spôsobom podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že je tvorený keramickým alebo ťažko zmáčateľným kovovým materiálom, na ktorého spájkovanej hladkej ploche má laserovým mikroštruktúrovaním vytvorenú povrchovú textúru s elementárnymi prvkami štvorcového tvaru veľkosti 1,5 mm až 3,0 mm x 1,5 mm až 3,0 mm s konverzným profilom s hustotou textúry 12,5 % až 51 % a hĺbkou textúry 0,05 mm až 0,2 15 mm; tvorený je aj spájkou na báze Zn a napokon je tvorený aj kovovým alebo keramickým materiálom s hladkým povrchom.