SK8675Y1

SK8675Y1 - Soft active solder on the ground of Bi-Ag with addition of Ti and use thereof

Info

Publication number: SK8675Y1
Application number: SK42-2019U
Authority: SK
Inventors: Roman Koleňák; Igor Kostolný
Original assignee: Slovenska Technicka Univerzita V Bratislave
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2020-02-04
Also published as: SK422019U1

Abstract

Soft active solder consist of 0.5 to 5 % by weight of Ti, 2.5 to 15 % of Ag and the rest is Bi. The soft active solder is suitable for connecting non-metal with non-metal/metal material directly or in successive steps by ultrasound or laser.

Description

Oblasť technikyTechnical field

Technické riešenie sa týka zloženia mäkkej aktívnej spájky na spájkovanie nekovových materiálov s nekovovými alebo kovovými materiálmi pri vyšších aplikačných teplotách a jej použitia. Technické riešenie patrí do oblasti spájkovania bezolovnatými spájkami v elektrotechnickom, strojárskom a automobilovom priemysle.The technical solution relates to the composition of a soft active solder for soldering non-metallic materials with non-metallic or metallic materials at higher application temperatures and its use. The technical solution belongs to the field of soldering with lead-free solders in the electrical, engineering and automotive industries.

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

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 sa potom získa:Ceramic materials (eg AI2O3, A1N, SiC, etc.), some non-metallic (Si, Ge, graphite, glass, etc.) and hard-to-solder metal materials (W, Mo, Ta, etc.) are now indirectly soldered so 2. The method according to claim 1, wherein a solderable metal coating is applied to the surface of the ceramic material before the soldering itself is realized. Ceramic plating eliminates the problems associated with the wettability of ceramic and some non-metallic materials. From the point of view of choice of plating type it is necessary to know at which operating temperature the soldered part will work. Accordingly, either soft or hard solder is used for soldering. The desired metal solder coating is then obtained:

• buď vpaľovaním kovových roztokov buď žiaruvzdorných kovov Mo, Mn, W (s následným poniklovaním), alebo drahých kovov Ag, Au, Pt a pod., • alebo íýzikálnou a chemickou depozíciou, ktorými sa vytvárajú tenké povlaky, napr. Au, Ag, Ni a ich kombinácie.Either by burning metal solutions of either the refractory metals Mo, Mn, W (followed by nickel plating) or the precious metals Ag, Au, Pt and the like; or by the physical and chemical deposition to form thin coatings, e.g. Au, Ag, Ni and combinations thereof.

Výtvorený kovový spájkovací povlak zabezpečí vynikajúcu zmáčavosť povrchu materiálu spájkou, ktorý je inak nezmáčavý.The formed metal solder coating ensures excellent wettability of the surface of the material with a solder that is otherwise non-wettable.

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 využitímtzv. 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 so spájkou na báze Bi-Ag s prídavkom Ti podľa tohto technického riešenia.It is also known in the art to solder non-metallic materials (Al 2 O 3, AlN, SiC, Si, Ge, graphite, glass, etc.) or difficult to solder materials (W, Mo, Ta and the like) using so-called " active solder, which contains a small amount of active metal (e.g. Mg, Ba, La, Ti). Direct soldering with the use of so-called. active solder is known e.g. from US patent application 2013323530 A1 describing brazing of metal materials with non-metal, the subject matter of the invention was to contain the active metal (e.g. Ti, Mg and the like) in Sn-Zn-based solder with the addition of e.g. Bi or In. Such solder is designed for lower application temperatures from 150 ° C to 200 ° C. Most active solders known in the art are based on Sn or Pb. Pb is gradually being replaced by alternative elements as it is considered harmful. Sn, in turn, causes the application temperature of the solder to decrease. Such solders are therefore not directly comparable to a Bi-Ag based solder with Ti addition according to the present invention.

Samotná zliatina Bi-Ag je ako spájka známa v stave techniky (Spinelli J. E. et al., Microstructure, phases morphologies and hardness oľ a Bi-Ag eutectic alloy ľorhigh 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 spájkovateľnýchmateriálov.Bi-Ag itself is known in the art as a solder (Spinelli JE et al., Microstructure, Phase Morphologies and Hardness, and Bi-Ag Eutectic Alloy High Temperature Soldering Applications, Materials & Design, Volume 58, 2014, p. 482-). 490), but it cannot be considered as an active solder intended for soldering non-metallic (eg ceramic) or difficult to solder materials.

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 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 technického riešenia.In order to reduce the time required to make a brazed joint of two ceramic materials or a joint of a ceramic material to a metal without coating, there has been an attempt to solve this problem by technical means. As a result of this effort, a soft active solder composition for brazing non-metallic materials with non-metallic / metallic materials at a higher application temperature and its use in ultrasonic, laser, or sequential brazing methods according to the invention is described.

Podstata technického riešeniaThe essence of the technical solution

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje mäkká aktívna spájka na spájkovanie nekovových materiálov s kovovými/nekovovými materiálmi pri vyšších aplikačných teplotách podľa tohto technického riešenia. 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 technického riešenia používa bizmut v kombinácii so striebrom ako základ spájky.Said deficiencies are substantially eliminated by a soft active solder for soldering non-metallic materials with metallic / non-metallic materials at higher application temperatures according to the present invention. The benefit is that it associates a suitable active metal with a suitable base. Bi-Ag has been proposed as the base, with titanium as the active metal. When bismuth is used as an alloy with a small proportion, often below 10.0% by weight, in the active solders known in the art, the soft active solder according to the present invention uses bismuth in combination with silver as the base of the solder.

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 nasledujúce kritéria: vyrobiteľnosť spájky s aktívnym kovom, prijateľná cena, relatívne nízka 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 kysliku a ďalším prvkom, ktoré sú zložkami spájkovaných materiálov. Vprocese spájkovania titán zo spájky reaguje s povrchom spájkovaného substrátu, čo zabezpečuje zmáčavosť a následne vznik pevnej väzby. PevBi-Ag-based solder is a prospective substitute for lead solders for higher application temperatures in general for soldering metallic materials. Several active metals were tested together with this base. The following criteria were used in the design and manufacture of the solder: workability of the active metal solder, affordable price, relatively low toxicity, structural compatibility with the base base Bi-Ag, the active metal must have sufficient reactivity with as many solder materials as possible. Titanium is generally a very reactive metal. It has a high affinity for oxygen and other elements that are components of solder materials. In the brazing process, titanium from the braze reacts with the surface of the brazed substrate, which ensures wettability and consequently a strong bond. pev

S K 8675 Υ1 nosť spojov bola od 20 do 51 MPa, čo je dostatočné pie spájky podobného typu. Podstata technického riešenia spočíva v tom, že 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 primesi, ako je napríklad meď, hliník, zinok, zvyčajne v stopových množstvách.With K 8675 Υ1 joints were from 20 to 51 MPa, which is sufficient pie solder of similar type. The essence of the invention consists in that the soft active solder consists of 0.5 to 5 wt. Ti, 2.5 to 15 wt. Ag, the residue being Bi. The solder may also contain conventional impurities and impurities such as copper, aluminum, zinc, usually in trace amounts.

Výhody mäkkej aktívnej spájky podľa technického riešenia sú zjavné z účinkov, ktorými sa prejavujú navonok. Vo všeobecnosti možno konštatovať, že 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 keramický ch 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.The advantages of the soft active solder according to the invention are evident from the effects that externally exert. In general, the solder according to the present invention is in combination e.g. with ultrasonic or laser or other activation (wave soldering or reflow soldering) suitable for direct soldering of ceramic and other difficult solderable materials without coating and without the use of flux. This reduces the time required to make the joints, improves the hygiene of the working environment, and improves the economy of the production of soldered joints. The active element is an important part of the solder, as it provides wettability and bonding between the metal solder and the ceramic material. An essential advantage of the solder is its usability at higher application temperatures without the use of flux. Higher application temperature predetermines the usefulness of this solder especially in the process of gradual soldering.

Prehľad obrázkov na výkresochBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Na obr. 1 je graf znázorňujúci šmykovú pevnosť spájkovaného spoja pri rôznych spájkovaných dvojiciach materiálov.In FIG. 1 is a graph showing the shear strength of a solder joint for various brazed material pairs.

Príklady uskutočneniaEXAMPLES

Jednotlivé uskutočnenia mäkkej aktívnej spájky na báze Bi-Ag s prídavkom Ti a jej použitie v spájkovaní nekovového materiálu s nekovovým/kovovým materiálom podľa technického riešenia sú predstavované na ilustráciu a nie ako obmedzenie. Odborníci poznajúci stav techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam technického riešenia. Aj takéto ekvivalenty budú patriť do rozsahu nasledujúcich nárokov na ochranu.The individual embodiments of a Bi-Ag based soft solder with Ti addition and its use in brazing a non-metallic material with a non-metallic / metallic material according to the present invention are presented by way of illustration and not by way of limitation. Those skilled in the art will find or be able to ascertain using no more than routine experimentation many equivalents to specific embodiments of the invention. Such equivalents will also fall within the scope of the following protection claims.

Príklad 1Example 1

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia technického riešenia je opísané zloženie mäkkej aktívnej spájky na báze Bi-Ag s prídavkom Ti. Mäkká aktívna spájka pozostáva z 2 % hmotn. Ti, 11 % hmotn. Ag, pričom zvyšok je Bi.In this example of a specific embodiment of the invention, the composition of a soft active solder based on Bi-Ag with the addition of Ti is described. The soft active solder consists of 2 wt. Ti, 11 wt. Ag, the residue being Bi.

Príklad 2Example 2

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia technického riešenia 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 Bi.In this example of a particular embodiment of the invention, the composition of a soft active solder based on Bi-Ag with the addition of Ti is described. The soft active solder consists of 3 wt. Ti, 11 wt. Ag, the residue being Bi.

Príklad 3Example 3

Na spájkovanie keramického materiálu A1N/A1N sa použila aktívna spájka BiAgnTÍ2 v liatom stave. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 370 °C.Active solder BiAgnTi2 in cast state was used for soldering A1N / A1N ceramic material. During soldering, the joint was heated with a hot plate to support ultrasonic activation at a frequency of 40 kHz. The brazing temperature was 370 ° C.

Príklad 4Example 4

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia sa na spájkovanie SiC s meďou použila aktívna spájka BiAgnTÍ2 vo forme ingotu. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 370 °C.In this example of a particular embodiment, the active solder BiAgnTi2 in the form of an ingot was used to solder SiC with copper. During soldering, the joint was heated with a hot plate to support ultrasonic activation at a frequency of 40 kHz. The brazing temperature was 370 ° C.

Príklad 5Example 5

V tomto príklade podľa obrázka 1 sa spájkou BíAgnTia spájkovali rôzne dvojice materiálov a to Cu/Cu, Ni/Ni, AI2O3/CU, ZiCWCli, AIN/Cu, SÍ3N4/CU a SiC/Cu. Dosiahnuté šmykové pevnosti spojov sú znázornené v grafe na obrázku 1.In this example of Figure 1, various pairs of materials, namely Cu / Cu, Ni / Ni, Al 2 O 3 / CU, ZiCWCl 3, AlN / Cu, Si 3 N 4 / CU and SiC / Cu were soldered by BiagnTia solder. The achieved shear strengths of the joints are shown in the graph in Figure 1.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial usability

Priemyselná využiteľnosť mäkkej aktívnej spájky na báze Bi-Ag s prídavkom Ti podľa tohto technického riešenia 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 postupnomThe industrial applicability of a Bi-Ag based soft active solder with Ti addition according to this technical solution is a prospective substitute for lead solders for higher application temperatures. It can be used in the electronic, electrical and automotive industries. Can be used in a sequential manner

S K 8675 Υ1 spájkovaní v progresívnych technológiách zapuzdrovania, ako napr. technológie: Balí Gid Array (BGA), Flip-Chip technology (C4), Chip-Scale-Package (CSP) alebo Multi-Chip Module (MCM).S K 8675 Υ1 soldering in progressive encapsulation technologies such as Technology: Packed with Gid Array (BGA), Flip-Chip Technology (C4), Chip-Scale-Package (CSP) or Multi-Chip Module (MCM).

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

Soft active solder, characterized in that it consists of 0.5 to 5 wt. Ti, 2.5 to 15 wt. Ag, the residue being Bi.

Use of a soft active solder based on Bi-Ag with addition of Ti according to claim 1 for direct or sequential soldering by contact heating and at the same time by ultrasound or laser of non-metallic materials with non-metallic / large materials.