SK8133Y1 - Mäkká bezolovnatá aktívna spájka a spôsob spájkovania - Google Patents

Abstract

Mäkká aktívna spájka na spájkovanie nekovových materiálov s nekovovými/kovovými materiálmi sa skladá 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

S K8133 Y

Oblasť techniky

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

Doterajší stav techniky

Keramické materiály (napr. AI2O3, S1O2, T1O2 a pod.), 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 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 sa použije na spájkovanie buď mäkká, alebo tvrdá spájka. Požadovaný kovový spájkovateľný povlak s a 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, ktofy je inak nezmáčavý.

V stave techniky je známe spájkovanie nekovových materiálov (AI2O3, S1O2, T1O2 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 Al opisuje spájku na báze striebra, ktorá obsahuje indium a titán 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 na vysokopevné spoje, najmä pri strojárskych aplikáciách. Pri spájkovaní 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 % 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 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 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, ktofy sa pohybuje v rozsahu 54,0 % až 99,0 % hmotn. Pokiaľ v stave techniky je indium 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 zahŕňať 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 prímesi, ako je napríklad bizmut, meď, hliník, zinok, cerium, zvyčajne v stopových 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 spájkované spoje schopné vykompenzovať svojou plastickou deformáciou (mechanizmom sklzu alebo tečenia) zvyškové napätia z rôznej tepelnej rozťažnosti kom2

S K8133 Y binácie rôznorodých materiálov, napríklad materiálov keramika/kov. Týmto spôsobom sa dosiahne najvýraznejšie zníženie zvyškových napätí pri zachovaní jednoduchosti 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 krehkých (sklo, keramika S1O2, zafír, uhlík, kremík, germánium, ale aj takmer všetky druhy keramík). Spájka podľa tohto technického riešenia je teda vhodná na spájanie krehkých materiálov a kombinovaných materiálov s veľmi rozdielnym koeficientom tepelnej rozťažnosti.

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

Výhodné sa ukázalo spájkovanie pomocou spájky na báze india napríklad pri spájko vaní okienok na laseroch a spektroskopoch, pri vytváraní elektrických spojov ku grafitu, pri spájkovaní kontaktov na sklo, pri pripojení tepelných výmenníkov ku keramickému elektronickému substrátu z AI2O3 alebo A1N, pri spájaní terčov pre PVD naprašovanie a pod. Mäkká spájka podľa tohto technického riešenia 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 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 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 použitia taviva. Znižuje sa t ak 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 zabezpečuje prijateľnú pevnosť spájky v ťahu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Technické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou obrázka 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 spájkovanie keramiky SÍO2 s meďou sa použila aktívna spájka InSn30Ag4Ti3 vo forme fólie. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 140 °C.

Príklad 4

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia sa použila aktívna spájka na báze india so zložením

InAgl0Ti3 vo forme ingotu. Spájkovanie prebiehalo pri ohreve horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 240 °C.

S K8133 Y

Príklad 5

V tomto príklade podľa ohrá/ka 1 sa spájkou InlOAg4Ti spájkovali rôzne dvojice materiálov, a to Ni/Ni, ZrCh/Cu, ΑΙΝ/Cu, Cu/Cu, Al/Al, 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 \yužiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť technického riešenia je zrejmá. Spájky na báze india sú perspektívnou náhra10 dou spájok za olovnaté spájky. Uplatnenie môže spájka nájsť v elektronickom, elektrotechnickom priemysle.

Claims (8)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   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. 2. Mäkká bezolovnatá aktívna spájka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa titán Ti s podielom 1,5 % až 4,0 % hmotn.
3. 3. Mäkká bezolovnatá aktívna spájka podľa nárokov 1 alebo 2, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa lantán La s podielom 1,0 % až 2,0 % hmotn.
4. 4. Mäkká bezolovnatá aktívna spájka podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž3, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa striebro Ag s podielom 1,0 % až 15,0 % hmotn.
5. 5. Mäkká bezolovnatá aktívna spájka podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž4, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa cín Sn s podielom 1,0 % až 30,0 % hmotn.
6. 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. 7. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa nároku 6, vyznačujúci sa tým, že nekovové materiály s nekovovými/kovovými materiálmi saspájkujú zároveň laserom
8. 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.