SK500412017A3 - Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky a medzivrstva na priame spájkovanie - Google Patents

Abstract

Medzi dva spájkované povrchy materiálov sa umiestnia dve vrstvy bežnej spájky (3). Medzi tieto dve vrstvy bežnej spájky (3) sa umiestni medzivrstva (4) aktívneho kovu. Následne sa obe vrstvy spájky (3) a medzivrstva (4) aktívneho kovu zahrejú na spájkovaciu teplotu, ktorá je rovná teplote alebo vyššia ako teplota tavenia bežnej spájky (3) a zároveň je rovná teplote alebo vyššia ako teplota aktivácie aktívneho kovu v medzivrstve (4). Spájkuje sa pomocou bežnej spájky, ktorá neobsahuje aktívny kov a spájkuje sa priamo bez predchádzajúceho pokovovania spájkovaného povrchu, čím sa dosahuje rýchly a efektívny proces, pričom vytvorený spoj je stabilný, bez prasklín a s vysokou pevnosťou na hranici pevnosti použitej bežnej spájky (3).

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka spájkovania ťažkospájkovateľných materiálov pomocou bežnej spájky bez predchádzajúceho pokovovania povrchu materiálov, pričom sa pri spájkovaní dosiahne zmáčavosť bežnej spájky aj na inak nezmáčavých povrchoch. Vynález tiež opisuje medzivrstvu použitú na spájkovanie.

Doterajší stav techniky

Sú známe viaceré postupy na spájkovanie ťažkospájkovateľných materiálov, ako sú keramické materiály (napr. AI₂0₃, SiO₂, Ti0₂ a pod.), niektoré nekovové materiály (Si, Ge, grafit a pod.) alebo niektoré kovové materiály (W, Mo, Ta a pod.). Tieto materiály sa môžu spájkovať nepriamo tak, že na ich povrch sa najskôr nanesie spájkovateľný kovový povlak, až potom sa realizuje samotné spájkovanie. Pokovovaním povrchov sa odstraňujú problémy spojené so zmáčavosťou keramických materiálov a niektorých nekovových materiálov. Potrebný kovový spájkovateľný povlak sa získa:

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

Vytvorený kovový spájkovací povlak zabezpečí potrebnú zmáčavosť inak nezmáčavého povrchu materiálu (napríklad ako pri US 4,312,896). To umožní použiť bežné spájky, ktoré sú dostupné vo veľmi širokom rozsahu vlastností. Nevýhodou je komplikovaný postup s viacerými krokmi, ktoré si vyžadujú použitie špecializovaných zariadení.

Druhý prístup pri spájkovaní ťažkospájkovateľných materiálov spočíva v použití špeciálnej, tzv. aktívnej spájky, ktorá obsahuje relatívne malé i

množstvo aktívneho kovu, napríklad Ti, Zr, Hf, Cr, La, Y. Aktívny prvok je dôležitou súčasťou spájky, zabezpečuje zmáčavosť a vznik väzby medzi kovovou spájkou a spájkovaným materiálom. Takéto priame spájkovanie (napr. podľa US2016/0228966) skracuje technologický čas, zlepšuje hygienu pracovného prostredia. Nevýhodou využívania aktívneho kovu v spájkach je malá škála dostupných spájok s aktívnym kovom oproti bežným spájkam, ktoré sú dostupné pre rozmanité aplikácie a pre rôzne dvojice spájkovaných materiálov.

Patentové zverejnenie US 2002/0038813 A1 opisuje použitie vrstvy 10 aktívneho kovu, ktorá je vhodná pre špecifické spájky na báze Au, resp. Au-Ag. Nevýhodou je nízka univerzálnosť ozrejmenej metódy.

Je žiadané a nie je známe také technické riešenie, ktoré bude poskytovať výhody použitia bežnej spájky s výhodami priameho spájkovania, pričom sa zachová rýchlosť postupu pri dosiahnutí dobrých vlastnosti 15 spájkovaného spoja.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky vo forme vrstvy bez predchádzajúceho 20 pokovovania povrchu spájkovaného materiálu podľa tohto vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že medzi dva spájkované povrchy materiálov sa umiestnia dve vrstvy bežnej spájky, ktoré sú určené na priľnutie k spájkovaným povrchom a medzi dve vrstvy bežnej spájky sa umiestni medzivrstva aktívneho kovu a následne sa obe vrstvy spájky a medzivrstva aktívneho kovu zahrejú na 25 spájkovaciu teplotu. Spájkovacia teplota je rovná alebo vyššia teplote tavenia bežnej spájky a zároveň je rovná alebo vyššia ako teplota aktivácie aktívneho kovu. Teplota aktivácie aktívneho kovu pritom zvyčajne bude nižšia ako teplota tavenia aktívneho kovu.

Pojem priame spájkovanie vyjadruje, že postup nepotrebuje prípravu 30 povrchov nanášaním pomocných vrstiev. Pojem bežná spájka zahrňuje všetky známe spájky bez významného obsahu aktívneho kovu. Aktívny kov môže byť predovšetkým Ti, Zr, Hf, Cr, La, Y, Ce, Pr, Mg a ich zliatiny alebo ich vzájomné kombinácie. Významným obsahom sa má na mysli taký podiel na obsahu alebo na objeme spájky, pri ktorom sa prejavujú účinky aktívneho kovu 5 v spájke, nejedná sa teda o obsah tvoriaci znečistenie alebo stopové množstvo.

Pomenovanie vrstvy aktívneho kovu ako „medzivrstva“ vyjadruje pozíciu tejto vrstvy, pričom však neurčuje, v akom poradí má byť táto medzivrstva položená, medzivrstva môže byť uložená napríklad ako druhá vrstva pri poradí 10 - vrstva bežnej spájky / medzivrstva aktívneho kovu / vrstva bežnej spájky.

Ako sa ukázalo pri vynaliezaní, dochádza v relatívne tenkých vrstvách bežnej spájky k pozitívnemu ovplyvneniu jej schopnosti zmáčať povrch spájkovaného materiálu. Aktívny kov difúznymi procesmi v roztavenej vrstve spájky preniká do oboch vrstiev spájky a pozitívne ovplyvňuje jej zmáčavosť.

Pri týchto podmienkach sa dosahujú účinky nového spôsobu priameho spájkovania, zabezpečuje sa zmáčavosť a vznik väzieb medzi kovovou spájkou a ťažkospájkovateľným materiálom aj bez nutnosti natavovať aktívny kov pri vysokej teplote.

Nový spôsob priameho spájkovania je použiteľný pri spájkovaní vo 20 vákuu alebo pri ultrazvukovom spájkovaní keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov bez nutnosti povlakovania a bez použitia špeciálnej aktívnej spájky. Na výrobu spoja sa použije bežná spájka, ktorá je dostupná s rôznymi vlastnosťami. Spájkovanie vo vákuu sa odporúča pre tvrdé a vysokoteplotné spájkovanie. Spájkovanie pomocou ultrazvuku je vhodné najmä 25 pre mäkké spájkovanie.

Vrstva spájky môže mať podobu fólie, čo umožňuje strihať vrstvu na potrebný tvar, ktorý zodpovedá pôdorysu spoja. V inom vyhotovení sa môže vrstva spájky vytvoriť nanášaním pasty, ktorá pozostáva najmä z prášku spájkovacieho kovu a tekutiny. Pasta sa môže presne nanášať pomocou 30 šablón alebo sieťotlačou alebo iným spôsobom známym zo stavu techniky.

Bežná spájka môže byť mäkká, tvrdá alebo vysokoteplotná. Dôležité je, aby hodnota spájkovacej teploty vhodnej pre danú spájku zodpovedala aspoň teplote aktivácie aktívneho kovu. Spájkovať spôsobom podľa tohto vynálezu sa pritom môže vo vákuu pri vyššej teplote, alebo na vzduchu s použitím nižšej spájkovacej teploty, kedy je nutné lokálne zvýšiť teplotu medzivrstvy na 5 hodnotu aktivácie aktívneho kovu. K tomu sa môže použiť napríklad energia dodaná ultrazvukom do miesta spájky.

Medzivrstva aktívneho kovu môže mať formu fólie alebo pasty. Aktívny kov môže byť predovšetkým Ti, Zr, Hf, Cr, La, Y, Ce, Pr, Mg a ich zliatiny alebo vzájomné kombinácie. V prípade fólie bude jej hrúbka v rozsahu 0,0001 až 1 10 mm.

Tiež sa pri vynaliezaní nového spôsobu priameho spájkovania zistilo, že použitie troch vrstiev lepšie kompenzuje zvyškové napätia v spoji vznikajúce v dôsledku rôznej teplotnej rozťažnosti rôznych spájkovaných materiálov, napríklad keramického a kovového materiálu. Zabráni sa tým praskaniu 15 keramickej časti spoja ihneď po spájkovaní alebo pri tepelnom cyklovaní v prevádzke. Spoj má tiež väčšiu hrúbku, čo pri kombinovaných spojoch keramika / kov zvyšuje ich pevnosť. Pojmy prvý spájkovaný materiál a druhý spájkovaný materiál vzájomne odlišujú rôzne materiály, napríklad keramiku a kov, alebo sklo a kov. Prídavné mená „prvý“ a „druhý“ pritom vyjadrujú len 20 odlišnosť, neoznačujú explicitné poradie alebo dôležitosť a sú teda aj vzájomne zameniteľné.

Podstatnou výhodou predloženého vynálezu je teda nielen rýchle priame spájkovanie ťažkospájkovateľných materiálov pri využití bežnej spájky ale aj vysoká kvalita a stabilita vytvoreného spoja. Používanie bežnej spájky 25 zjednodušuje a zlacňuje technologický proces, pričom s medzivrstvou aktívneho kovu sa môžu kombinovať všetky dostupné bežné spájky, ktorých je k dispozícií široká škála. Nie je teda potrebné na príslušnú dvojicu ťažkospájkovateľných materiálov vyvíjať a vyrábať špeciálnu spájku s aktívnym kovom.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený pomocou obrázkov 1a 2. Konkrétne tvary a hrúbky spájkovaných materiálov, vrstiev spájky a medzivrstvy majú len ilustračný charakter a nie je ich možné považovať za obmedzujúce rozsah ochrany.

Na obrázku 1 sú znázornené vrstvy použité pri spájkovaní keramiky a kovu.

Obrázok 2 znázorňuje vrstvy spájky nanesené sieťotlačou, medzi ktoré je vložená medzivrstva aktívneho kovu pri spájkovaní dvoch keramických materiálov.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

Vtomto príklade podľa obrázku 1 je spájkovaná keramika AI2O3 s nehrdzavejúcou oceľou pomocou tvrdej bežnej spájky 3 na báze striebra Ag72Cu, ktorá má podobu fólie. Na vytvorenie medzivrstvy 4 z aktívneho kovu sa použila tenká fólia z čistého Ti.

Zostava spoja pred tepelnou expozíciou je nasledovná:

prvý spájkovaný materiál 1 - keramika AI₂O₃ bežná spájka 3 - Ag72Cu medzivrstva 4 - Ti fólia bežná spájka 3 - Ag72Cu druhý spájkovaný materiál 2 - nehrdzavejúca oceľ.

Po vytvorení zostavy uvedených vrstiev sa spájkovalo vo vákuu pri teplote 890 ⁰C. V procese spájkovania sa medzivrstva 4 čiastočne rozpúšťala v bežnej spájke 3 a titán z medzivrstvy 4 svojou aktivitou zabezpečil zmáčanie keramického materiálu ako aj lepšie zmáčanie nehrdzavejúcej ocele.

Príklad 2

Pri spájkovaní keramiky SiC s kovarom sa ako bežná spájka 3 použila mäkká spájka na báze cínu SnAg5 vo forme fólie. Na vytvorenie medzivrstvy 4 aktívneho kovu bola použitá tenká fólia z čistého Ti.

Zostava spoja pred tepelnou expozíciou je nasledovná:

prvý spájkovaný materiál 1 - keramika SiC bežná spájka 3 - SnAg5 medzivrstva 4 - Ti fólia bežná spájka 3 - SnAg5 druhý spájkovaný materiá I 2 - kovar.

Spoj sa spájkoval vo vákuu pri teplote 850 °C. V procese spájkovania sa titan z medzivrstvy 4 čiastočne rozpúšťal v bežnej spájke 3 a titán svojou aktivitou zabezpečil zmáčanie - keramického materiálu. Vytvorený spoj je bez trhlín a pevnosť spoja zodpovedá pevnosti použitej bežnej spájky 3.

Príklad 3

Spôsob priameho spájkovania v tomto príklade je použitý pri spájkovaní prechodiek z keramiky AI2O3.

Príklad 4

Tepelný výmenník je prispájkovaný ku keramickému substrátu s využitím bežnej spájky 3 a medzivrstvy 4 z aktívneho kovu.

Príklad 5

Spôsob priameho spájkovania v tomto príklade je použitý pri spájkovaní keramických a nekovových terčov pre naprašovanie, napríklad magnetrónové naprašovanie.

Príklad 6

Kovové kontakty sú na sklo .prispájkované pomocou dvoch vrstiev bežnej spájky 3, medzi ktorými je medzivrstva 4 aktívneho kovu.

Príklad 7

Súčiastky z keramiky podľa obrázku 2 sú vzájomne spájkované bez predchádzajúceho povlakovania príslušných 'povrchov, pričom vrstva bežnej 5 spájky 3 na prvom spájkovanom materiály 1 ako aj medzivrstva 4 aktívneho kovu sú vytvorené nanášaním pasty z bežnej spájky 3 a pasty z aktívneho kovu.

Priemyselná využiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť je zrejmá. Podľa tohto vynálezu je možné priemyselne a opakovane spájkovať materiály s ťažko zmáčavým povrchom pomocou bežnej spájky s využití medzivrstvy aktívneho kovu. Vynález nájde uplatnenie najmä v elektronickom, elektrotechnickom, automobilovom 15 priemysle, vo vákuovej technike a podobne.

Zoznam vzťahových značiek

- prvý spájkovaný materiál

2 - druhý spájkovaný materiál

- spájka

- medzivrstva

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky vo forme vrstvy bez predchádzajúceho pokovovania spájkovaného povrchu, pri ktorom sa bežná spájka (3) zohreje na spájkovaciu teplotu, v y z n a č u j ú c i sa tým, že medzi dva spájkované povrchy materiálov sa umiestnia dve vrstvy bežnej spájky (3), ktoré sú určené na priľnutie k spájkovaným povrchom, medzi dve vrstvy bežnej spájky (3) sa umiestni medzivrstva (4) aktívneho kovu a následne sa obe vrstvy spájky (3) a medzivrstva (4) aktívneho kovu zahrejú na spájkovaciu teplotu, ktorá je rovná alebo vyššia teplote tavenia bežnej spájky (3) a zároveň je rovná alebo vyššia ako teplota aktivácie aktívneho kovu v medzivrstve (4).
2. 2. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa nároku 1 vyznačujúci sa tým, že teplota aktivácie aktívneho kovu v medzivrstve (4) je nižšia ako teplota tavenia tohto aktívneho kovu.
3. 3. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa nároku 2 vyznačujúci sa tým , že aktívny kov v medzivrstve (4 y je niektorý z kovov oo skppin y Ti, Zr, H f, Cr, La, Y, Ce , Pr, Mg a/alobo ich zliatina a/alebo ich vzájomná kombinácia.
4. 4. Spôsob priameho ssájkcvLniL pomocou bežnej spájky podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3 vyznačujúci sa tým, že prvý spájkovaný materiál (1) a/alebo druhý spájkovaný materiál je keramika a/alebo sklo a/alebo kov.
5. 5. Spôsob sriLmehc ssájkovLniL pomocou bežnej spájky podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až4vyznačujúci sa tým, že spájkoje vo vákuu s tvrdou alebo vnsbkoteplotebb bežnou spájkou (3).
6. 6. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1až4vyznačujúci sa tým, že sa spájkuje s mäkkou bežnou spájkou (3), pričom sa ultrazvukom zvyšuje teplota medzivrstvy (4).
7. 7. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa ktoréhokoľvek 5 z nárokov 1 až 6 vyznačujúci sa tým, že vrstva bežnej spájky (3) má formu fólie.
8. 8. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1až7vyznačujúci sa tým, že vrstva bežnej spájky (3) má formu pasty/, ktorá je nanesená na povrch prvého spájkovaného

   10 materiálu a/alebo na povrch druhého spájkovaného materiálu (2).
9. 9. Medzivrstva na priame spájkovanie spôsobom podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až8vyznačujúca sa tým, že medzivrstva (4) má formu pasty, ktorá je nanesená na vrstvu bežnej spájky (3).
10. 10. Medzivrstva na priame spájkovanie spôsobom podľa ktoréhokoľvek z nárokov 15 1až8vyznačujúca sa tým, že má formu fólie s hrúbkou 0,0001 až 1 mm.