SK352019A3 - Mäkká aktívna spájka na báze Bi-Ag s prídavkom Ti a jej použitie - Google Patents

Abstract

Mäkká aktívna spájka pozostáva z 0,5 až 5 % hmotn. Ti, 2,5 až 15 % hmotn. Ag, pričom zvyšok je Bi. Touto mäkkou aktívnou spájkou sa spája nekovový materiál s nekovovým/kovovým materiálom priamo alebo postupne, ultrazvukom alebo laserom.

Description

Vynález sa týka zloženia mäkkej aktívnej spájky na spájkovanie nekovových materiálov s nekovovými alebo kovovými materiálmi pri vyšších aplikačných teplotách a jej použitia. Vynález patrí do oblasti spájkovania bezolovnatými spájkami v elektrotechnickom, strojárskom a automobilovom priemysle.

Doterajší stav techniky

Keramické materiály (napr. AI2O3, A1N, SiC a pod.), niektoré nekovové (Si, Ge, grafit, sklo a pod.) a ťažko spájkovateľné kovové materiály (W, Mo, Ta a pod.) sa v súčasnosti spájkujú nepriamo tak, že 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. 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 sapotom 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, ktorými sa vytvárajú tenké povlaky napr. Au, Ag, Ni a ich kombinácie.

Vytvorený kovový spájkovací povlak zabezpečí vynikajúcu zmáčavosť povrchu materiálu spájkou, ktorý je inak nezmáčavý.

V stave techniky je známe aj spájkovanie nekovových materiálov (AI2O3, A1N, SiC, Si, Ge, grafit, sklo a pod.) alebo ťažko spájkovateľných materiálov (W, Mo, Ta a pod.) s využitím tzv. aktívnej spájky, ktorá obsahuje malé množstvo aktívneho kovu (napr. Mg, Ba, La, Ti). Priame spájkovanie s využitím tzv. aktívnej spájky je známe napr. z patentovej prihlášky US 2013323530 A1 opisujúcej spájkovanie kovových materiálov s nekovovými, pričom podstatou vynálezu bolo obsiahnutie aktívneho kovu (napr. Ti, Mg a pod.) v spájke na báze Sn-Zn s prídavkom napr. Bi alebo In. Takáto spájka je určená pre nižšie aplikačné teploty od 150 °C do 200 °C. Základom väčšiny aktívnych spájok známych v stave techniky je Sn alebo Pb. Pb je postupne nahrádzané alternatívnymi prvkami, keďže je považované za škodlivé. Sn zas zapríčiňuje znižovanie aplikačnej teploty danej spájky. Takéto spájky teda nie sú priamo porovnateľné s predmetnou spájkou na báze Bi-Ag s prídavkom Ti podľa tohto vynálezu.

Samotná zliatina Bi-Ag je ako spájka známa v stave techniky (Spinelli J. E. et al., Microstructure, phases morphologies and hardness of a Bi-Ag eutectic alloy forhigh temperature soldering applications, Materials & Design, Volume 58, 2014, p. 482-490), nie je ju však možné považovať za aktívnu spájku určenú na spájkovanie nekovových (napr. keramických) alebo ťažko spájkovateľných materiálov.

Vzhľadom na to, aby sa skrátil čas potrebný na vyhotovenie spájkovaného spoja dvoch keramických materiálov alebo spoja keramického materiálu s kovom bez povlakovania, nastala snaha riešiť tento problém technickými prostriedkami. Výsledkom tohto úsilia je ďalej opisované zloženie bezolovnatej mäkkej aktívnej spájky na spájkovanie nekovových materiálov s nekovovými/kovovými materiálmi pri vyššej aplikačnej teplote a jej použitie v metódach ultrazvukového, laserového alebo postupného spájkovania podľa vynálezu.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje mäkká aktívna spájka na spájkovanie nekovových materiálov s kovovými/nekovovými materiálmi pri vyšších aplikačných teplotách podľa tohto vynálezu. Prínos spočíva v tom, že spája vhodný aktívny kov s vhodnou základnou bázou. Ako báza bolo navrhnuté zloženie Bi-Ag, pričom aktívnom kovom je titán. Pokiaľ v aktívnych spájkach známych v stave techniky je bizmut používaný ako legúra s malým celkovým podielom, často pod 10,0 % hmotn., mäkká aktívna spájka podľa tohto vynálezu používa bizmut v kombinácii so striebrom ako základ spájky.

Spájka na báze Bi-Ag je perspektívnou náhradou spájok za olovnaté spájky pre vyššie aplikačné teploty vo všeobecnosti na spájkovanie kovových materiálov. Spolu s touto bázou boli odskúšané viaceré aktívne kovy. Pri návrhu a výrobe spájky sa použili nasledovné kritéria: vyrobiteľnosť spájky s aktívnym kovom, prijateľná cena, relatívne ní/ka toxicita, štruktúrna kompatibilita so základnou bázou Bi-Ag, aktívny kov musí mať dostatočnú reakčnú schopnosť s čo najväčšou škálou spájkovaných materiálov. Za najlepší výber možno považovať legovanie titánom Titán je vo všeobecnosti veľmi reaktívny kov. Má vysokú afinitu ku kyslíku a ďalším prvkom, ktoré sú zložkami spájkovaných materiálov. V procese spájkovania titán zo spájky reaguje s povrchom spájkovaného substrátu, čo zabezpečuje zmáčavosť a následne vznik pevnej väzby. Pevnosť spojov bola od 20 do 51 MPa, čo je dostatočné pre spájky podobného typu. Podstata vynálezu spočíva v tom, že

S K 35-2019 Α3 mäkká aktívna spájka pozostáva z 0,5 až 5 % hmotn. Ti, 2,5 až 15 % hmotn. Ag, pričom zvyšok je Bi. Spájka tiež môže obsahovať bežné nečistoty a prímesi ako je napríklad meď, hliník, zinok, zvyčajne v stopových množstvách.

Výhody mäkkej aktívnej spájky podľa vynálezu sú zjavné z účinkov, ktorými sa prejavujú navonok. Vo všeobecnosti možno konštatovať, že 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. Aktívny prvok je dôležitou súčasťou spájky, pretože zabezpečuje zmáčavosť a vznik väzby medzi kovovou spájkou a keramickým materiálom Podstatnou výhodou predmetnej spájky je jej využiteľnosť pri vyšších aplikačných teplotách bez využitia taviva. Vyššia aplikačná teplota predurčuje využiteľnosť tejto spájky najmä v procese postupného spájkovania.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na Obr. 1 je graf znázorňujúci šmykovú pevnosť spájkovaného spoja pri rôznych spájkovaných dvojiciach materiálov.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Jednotlivé uskutočnenia mäkkej aktívnej spájky na báze Bi-Ag s prídavkom Ti a jej použitie v spájkovaní nekovového materiálu s nckovovýnVkovovým materiálom podľa vynálezu sú predstavované na ilustráciu a nie ako obmedzenia technických riešení. Odborníci poznajúci stav techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam vynálezu. Aj takéto ekvivalenty budú patriť do rozsahu nasledujúcich patentových nárokov.

Príklad 1

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia vynálezu je opísané zloženie mäkkej aktívnej spájky na báze BiAg s prídavkom Ti. Mäkká aktívnaspájkapozostávaz2 % hmotn.Ti, 11 % hmotn. Ag,pričomzvyšokjeZn.

Príklad 2

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia vynálezu je opísané zloženie mäkkej aktívnej spájky na báze Bi-Ag s prídavkom Ti. Mäkká aktívna spájka pozostáva z 3 % hmotn. Ti, 11 % hmotn. Ag, pričom zvyšok je Zn.

Príklad 3

Na spájkovanie keramického materiálu AIN/A1N sa použila aktívna spájka BiAgllTi2 v liatom stave. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 370 °C.

Príklad 4

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia sa na spájkovanie SiC s meďou použila aktívna spájka BiAgllTi2 vo forme ingotu. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 370 °C.

Príklad 5

V tomto príklade podľa obrázku 1 sa spájkou BiAgllTi3 spájkovali rôzne dvojice materiálov a to Cu/Cu, Ni/Ni, A12O3/Cu, ZrO2/Cu, ΑΙΝ/Cu, Si3N4/Cu a SiC/Cu. Dosiahnuté šmykové pevnosti spojov sú znázornené v grafe na obrázku 1.

Priemyselná \yužiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť mäkkej aktívnej spájky na báze Bi-Ag s prídavkom Ti podľa vynálezu je perspektívnou náhradou spájok za olovnaté spájky pre vyššie aplikačné teploty. Uplatnenie môže nájsť v elektronickom, elektrotechnickom, ale aj v automobilovom priemysle. Môže sa použiť pri postupnom spájkovaní v progresívnych technológiách zapuzdrovania, ako napr. technológie: Balí Grid Array (BGA), Flip-Chip technology (C4), Chip-Scale-Package (CSP) alebo Multi-Chip Module (MCM).

Claims (1)

1. Mäkká aktívna spájka, vyznačujúca sa tým, že pozostáva z 0,5 až 5 % hmotn. Ti, 2,5 až 15 % hmotn. Ag, pričom zvyšok je Bi.

5 2. Použitie mäkkej aktívnej spájky na báze Bi-Ag s prídavkom Ti podľa nároku 1 na priame alebo postupné spájkovanie kontaktných ohrevom a zároveň ultrazvukom alebo laserom nekovových materiálov s nekovovými/kovovými materiálmi.

10 1 výkres