SK402020U1 - Spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu a spájkovaný spoj so spájkou bez obsahu titánu - Google Patents

Abstract

Spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu 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

SK 40-2020 U1

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka spôsobu spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu za účelom dosiahnutia vyššej šmykovej pevnosti spájkovaných spojov keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov so spájkou bez obsahu titánu a samotného spájkovaného spoja. Technické riešenie spadá do oblasti spájania materiálov - spájkovania.

Doterajší stav techniky

V súčasnosti sa keramické materiály (napr. AI2O3, SiC, SÍ3N4, A1N a pod.) alebo kombinácie keramika a kov spájkujú dvomi základnými spôsobmi spájkovania. Prvý spôsob využíva povlakovanie ťažko spájkovateľného materiálu, na ktoiý sa nanesie kov s dobrou zmáčavosťou. Druhý spôsob je použitie aktívnej spájky, ktorá obsahuje aktívny prvok za účelom zabezpečenia zmáčavosti ťažko spájkovateľného materiálu, ako sú aj keramické materiály.

Klasický spôsob je nasledovný: 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 niektoiých nekovových materiálov. Vytvorený kovový spájkovací povlak zabezpečí vynikajúcu zmáčavosť povrchu materiálu spájkou, ktoiý je inak nezmáčavý.

Druhý spôsob, ktoiý 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 A1 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 pre biomedicínske použitie, letecký, automobilový priemysel a oblasť výroby nástrojov.

V zmysle popísaného stavu sa naskytla príležitosť riešiť danú problematiku spájkovania v kombinácií s laserovým mikroštruktúrovaním, čoho výsledkom úsilia pôvodcov je spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu a samotného spájkovaného spoja so spájkou bez obsahu titánu v predloženom úžitkovom vzore.

Podstata technického riešenia

Vyššie uvedené nedostatky sú odstránené spôsobom spájkovania kombinácie keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu a samotného spájkovaného spoja podľa tohto technického riešenia. 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, ktoiým sa výrazne zvýši šmyková pevnosť spoja. Podstata spôsobu spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu za účelom dosiahnutia vyššej šmykovej pevnosti spájkovaných spojov keramika/keramika, keramika/kov a kov/kov podľa technického riešenia 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. ZnA15Mg3 ZnA16Ag6, ZnA15Cu3 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 technického riešenia je aj samotný spájkovaný spoj so spájkou bez obsahu titánu vytvorený vyššie opísaným spôsobom, ktoiý je tvorený keramickým alebo ťažko zmáčateľným kovovým materiálom,

SK 40-2020 U1 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. ZnA15Mg3 ZnA16Ag6, ZnA15Cu3 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 a spájkovaného spoja so spájkou bez obsahu titánu sú zjavné z jeho účinkov, ktoiými sa prejavuje navonok. Účinky tohto technického riešenia 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 a spájkovaný spoj so spájkou bez obsahu titánu podľa technického riešenia bude bližšie objasnený na konkrétnych realizáciách zobrazených na výkresoch, kde obr. 1 znázorňuje laserové mikroštruktúrovanie na povrchu keramiky AI2O3. Obr. 2 znázorňuje vplyv hĺbky mikrošruktúrovania na šmykovú pevnosť spájkovaných spojov.

Príklady uskutočnenia

Rozumie sa, že jednotlivé uskutočnenia spôsobu spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu a spájkovaný spoj so spájkou bez obsahu titánu podľa technického riešenia sú predstavované pre ilustráciu a nie ako obmedzenia technických riešení. Odborníci znalí stavom techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam technického riešenia. Aj takéto ekvivalenty budú potom spadať do rozsahu nasledujúcich nárokov na ochranu.

Pre odborníkov znalých stavom techniky nemôže robiť problém vhodná voľba materiálov a dimenzovanie, preto tieto znaky neboli detailne riešené.

Príklad 1

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opísaný spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu. 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 ZnA15Mg3 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 technického riešenia je opísaný spájkovaný spoj keramiky AI2O3 s Cu so spájkou bez obsahu titánu. Na spájkovanej hladkej ploche AI2O3 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 pm. Druhým komponentom spájkovaného spoja je spájka ZnA15Mg3 v liatom stave. Tretím komponentom spájkovaného spoja je Cubez mikroštruktúrovania.

Alternatívne je možné použiť spájky ako ZnA15Cu3, ZnA16Ag6.

Priemyselná využiteľnosť

Spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu a spájkovaný spoj so spájkou bez obsahu titánu podľa technického riešenia nachádza uplatnenie všade tam kde je potrebné keramické, nekovové a iné ťažko spájkovateľné materiály navzájom, alebo v kombinácií s kovmi. Môže sa pou

SK 40-2020 U1 žiť 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 kontaktov na sklo a pod.

Claims (1)

1. SK 40-2020 U1

   NÁROKY NA OCHRANU

   1. Spôsob spájkovania keramického alebo ťažko zmáčateľného kovového materiálu, vyznačujúci sa tým, že najskôr sa na spájkovanej hladkej ploche keramického alebo ťažko zmáčateľného ko5 vového materiálu laserovým mikro štruktúrovaní m 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, pričom samotné spájkovanie sa realizuje pri teplote od 250 °C do 450 °C použitím technológie spájkovania s podporou aktívneho ultrazvuku.

   10 2. Spájkovaný spoj so spájkou bez obsahu titánu vytvorený spôsobom podľa nároku 1, vyznaču- júci sa tým, že je tvorený ako 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 mm; tvorený je spájkou na báze Zn 15 a kovovým alebo keramickým materiálom s hladkým povrchom.

   1 výkres