SK500792017U1 - Mäkká bezolovnatá 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 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 10 nekovovými/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

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

Doterajší stav techniky

Keramické materiály (napr. AI2O3, S1O2, TÍO2 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 15 materiálu sa nanesie spájkovateľný kovový povlak až potom sa realizuje samotné spájkovanie. Pokovovaním povrchu 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 20 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 fyzikálnou a chemickou depozíciou, ktorými sa vytvárajú tenké povlaky napr. Au, Ag, Ni a ich kombinácie.

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

V stave techniky je známe spájkovanie nekovových materiálov 30 (AI2O3, SiO2, TiO2 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 5 striebra, ktorá obsahuje indium a titan na priame spájkovanie keramických materiálov. Takáto spájka má vysokú teplotu tavenia okolo 1000 °C a spájkovanie musí prebiehať vo vákuu alebo v ochrannej atmosfére argónu. Spájka podľa tohto zverejnenia je určená pre vysokopevné spoje, najmä pri strojárskych aplikáciách. Pri spájkovaní 10 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% 15 hmotnostných.

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 20 spájkovaní keramiky s kovom. Spájka by mala umožňovať spájkovanie ultrazvukom pri teplotách okolo 200 °C.

Podstata technického riešenia

Nedostatky uvedené v stave techniky v podstatnej miere 25 odstraňuje Mäkká bezolovnatá aktívna spájka, ktorá obsahuje aktívny kov titán alebo lantán podľa tohto technického riešenia, ktorého podstata spočíva v tom, že je na báze india. Indium má v spájke podľa tohto technického riešenia prevažujúci podiel, ktorý sa pohybuje v rozsahu 54,0% až 99,0% hmotn. Pokiaľ v stave techniky je indium 30 používané ako legúra s malým celkovým podielom, často pod 2,0% hmotn., mäkká spájka podľa tohto technického riešenia 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 môže mať podiel 1,5% až 4,0% hmotn..

V prípade použitia aktívneho kovu lantánu bude jeho podiel 1,0% až 2,0% hmotn.. Okrem toho môže spájka zahrňovať 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 prímesy ako je napríklad bizmut, meď, hliník, zinok, cerium, zvyčajne v stopových 10 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 15 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 20 spoja. Prítomnosť aktívneho prvku zabezpečuje dobrú zmáčateľnosť spájkovaných dielcov.

Mäkkými aktívnymi spájkami podľa tohto technického riešenia možno spájkovať neobvyklé kombinácie kovových materiálov (napr. CrNi, oceľ, Mo, W, Ti, Cr a pod.) a nekovových materiálov, väčšinou 25 krehkých (sklo, keramika Si02, zafír, uhlík, kremík, germánium ale aj takmer všetky druhy keramík). Spájka podľa tohto technického riešenia je teda vhodná pre spájanie krehkých materiálov a kombinovaných materiálov s veľmi rozdielnym koeficientom tepelnej rozťažnosti.

Spájka podľa tohto technického riešenia je výbornou náhradou za 30 olovnaté spájky pre nižšie aplikačné teploty a to predovšetkým v elektronike a elektrotechnike, kde postačuje nižšia pevnosť a tepelná odolnosť spoja.

Výhodne sa ukázalo spájkovanie pomocou spájky na báze india napríklad pri spájkovaní okienok na laseroch a spektroskopoch, pri 3 vytváraní elektrických spojov ku grafitu, pri spájkovaní kontaktov na sklo, pri pripojení tepelných výmenníkov ku keramickému elektronickému substrátu z AI2O3 alebo AIN, pri spájaní terčov pre PVD naprašovanie a pod. Mäkká spájka podľa tohto technického riešenia 5 umožňuje tiež vytvárať vákuovotesné spoje vo vákuovej a kryogénnej technike.

Spájka na báze india podľa tohto technického riešenia 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 10 spájky. Spájka môže mať formu fólie, ktorá sa nanesie do miesta spoja.

Legovanie pomocou titánu alebo 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 kovovom 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 20 spájkou s vyššou teplotou spájkovania.

Spájka podľa tohto technického riešenia 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 25 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 technického riešenia 30 zabezpečuje prijateľnú pevnosť spájky v ťahu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Technické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou obrázku 1, kde je graf znázorňujúci šmykovú pevnosť spájkovaného spoja pri rôznych spájkovaných dvojiciach materiálov.

Príklady uskutočnenia

Príklad 1

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

Príklad 2

Aktívna spájka v tomto príklade má zloženie 99% hmotn. india a 1% hmotn. lantánu.

Príklad 3

Na spájkovnniá keramiky S1O2 s meďou sa použlla aktívna spájka lnSn30Ag4Ti3 vo forme fólie. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 140 ⁰C.

Príklde 4

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia sa použila aktívna spájka na báze india so zložením lnAg10Ti3 vo forme ingotu. Spájkovanie prebiehalo pri ohreve horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40kHz. Teplota spájkovania bola 240 ⁰C.

Príklad 5

V tomto príklade podľa obrázku 1 sa spájkou ln10Ag4Ti spájkovali rôzne dvojice materiálov a to Ni/Ni, ZrC2/Cu, AIN/Cu, Cu/Cu, AI/AI, AI2O3/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 technického riešenia je zrejmá. Spájky na báze india sú perspektívnou náhradou spájok za olovnaté spájky.

Uplatnenie môže spájka nájsť v elektronickom, elektrotechnickom priemysle.

Claims (5)

1. Mäkká bezolovnatá aktívna spájka, ktorá obsahuje aktívny kov titán Ti a/alebo lantán La, vyznačujúca sa tým, že je na báze india In, kde indium In má podiel 54,0% až 99,0% hmotn.

2. Mäkká bezolovnatá aktívna spájka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že zahrňuje titán Ti s podielom 1,5% až 4,0% hmotn.

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

4. Mäkká bezolovnatá aktívna spájka podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúca sa tým, že zahrňuje striebro Ag s podielom 1,0% až 15,0% hmotn..

5. Mäkká bezolovnatá aktívna spájka podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúca sa tým, že zahrňuje cín Sn s podielom 1,0% až 30,0% hmotn..

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

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

5 8. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa nároku 6 alebo 7, vyznačujúci sa tým, že nekovové materiály s nekovovými/kovovými materiálmi sa spájkujú postupným spájkovaním, kedy sa spájkuje v druhej etape postupného spájkovania, pričom v prvej etape sa spájkuje odlišnou spájkou s vyššou teplotou spájkovania.