SK9070Y1 - Soft active Zn-based lead-free solder for higher application temperatures and its use - Google Patents

Soft active Zn-based lead-free solder for higher application temperatures and its use Download PDF

Info

Publication number
SK9070Y1
SK9070Y1 SK572020U SK572020U SK9070Y1 SK 9070 Y1 SK9070 Y1 SK 9070Y1 SK 572020 U SK572020 U SK 572020U SK 572020 U SK572020 U SK 572020U SK 9070 Y1 SK9070 Y1 SK 9070Y1
Authority
SK
Slovakia
Prior art keywords
solder
active
soldering
higher application
application temperatures
Prior art date
Application number
SK572020U
Other languages
Slovak (sk)
Other versions
SK572020U1 (en
Inventor
prof. Ing. Koleňák Roman, PhD.
Ing. Kostolný Igor, PhD.
Original Assignee
Slovenská Technická Univerzita V Bratislave
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Slovenská Technická Univerzita V Bratislave filed Critical Slovenská Technická Univerzita V Bratislave
Priority to SK572020U priority Critical patent/SK9070Y1/en
Publication of SK572020U1 publication Critical patent/SK572020U1/en
Publication of SK9070Y1 publication Critical patent/SK9070Y1/en

Links

Landscapes

  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

The soft active lead-free solder consists of 0.3 to 4% by weight. Sr, 0.1 to 2 weight Mg, the balance Zn. The brazing alloy may also contain Al in the range of 0 to 6% by weight. This soft active solder binds the non-metallic material to the non-metallic / metallic material directly or sequentially, by ultrasound or laser.

Description

Oblasť technikyTechnical field

Technické riešenie sa týka zloženia mäkkej aktívnej bezolovnatej 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 elektronickom priemysle.The technical solution relates to the composition of a soft active lead-free 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 electronics industry.

Doterajší stav technikyPrior art

Pri výrobe zariadení v oblasti výkonovej elektroniky je v súčasnosti často potrebné používať spájky pre vyššie aplikačné teploty. Spájkované spoje nekovových materiálov s kovovými/nekovovými materiálmi prítomné v takýchto zariadeniach musia spĺňať podmienky spoľahlivosti pre teplotné cykly za zvýšených teplôt a vyššiu životnosť spoja, ako je bežný priemyselný štandard. Základné keramické materiály používané v zapuzdrených výkonových súčiastkách sú SÍ3N4, A1N, SiC a AI2O3. Spájky vhodné pre vyššie aplikačné teploty musia mať teplotu tavenia v rozsahu približne od 260 °C do 420 °C. Na tieto podmienky sú vhodné spájkovacie zliatiny na báze Zn, Sn, Au alebo Bi so správne zvolenou kombináciou legujúcich prvkov. V stave techniky sú známe spájky pre vyššie aplikačné teploty na báze Zn-Al, Zn-Sn, Zn-Al-Ag, Bi-Ag, Au-Sn či Sn-Ag-Cu. Tieto spájky pre vyššie aplikačné teploty sa používajú najčastejšie v rámci elektronického priemyslu, a to hlavne pri progresívnych technológiách zapuzdrovania pri postupnom spájkovaní. Pre spájame keramických či polovodičových substrátov je nutná predchádzajúca úprava nekovových povrchov pokovovaním. Tým sa odstraňujú problémy spojené so zmáčateľnosťou keramických a iných 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:In the manufacture of power electronics devices, it is now often necessary to use solders for higher application temperatures. Solder joints of non-metallic materials with metallic / non-metallic materials present in such equipment must meet the conditions of reliability for temperature cycles at elevated temperatures and longer joint life than the current industry standard. The basic ceramic materials used in encapsulated power components are Si3N4, A1N, SiC and Al2O3. Solders suitable for higher application temperatures must have a melting point in the range of approximately 260 ° C to 420 ° C. Solder alloys based on Zn, Sn, Au or Bi with a correctly selected combination of alloying elements are suitable for these conditions. Solders for higher application temperatures based on Zn-Al, Zn-Sn, Zn-Al-Ag, Bi-Ag, Au-Sn or Sn-Ag-Cu are known in the prior art. These solders for higher application temperatures are most often used in the electronics industry, especially in progressive encapsulation technologies for sequential soldering. For joining ceramic or semiconductor substrates, it is necessary to pre-treat non-metallic surfaces by plating. This eliminates the problems associated with the wettability of ceramic and other non-metallic materials. From the point of view of the choice of the type of plating, it is necessary to know at what operating temperature the soldered component 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 fyzikálnou a chemickou depozíciou, ktofymi sa vytvárajú tenké povlaky, napr. Au, Ag, Ni a ich kombinácie.• either by burning metal solutions of either refractory metals Mo, Mn, W (followed by nickel plating), or precious metals Ag, Au, Pt, etc., • or by physical and chemical deposition, which form thin coatings, e.g. Au, Ag, Ni and their combinations.

Vytvorený kovový spájkovací povlak zabezpečí vynikajúcu zmáčavosť povrchu materiálu spájkou, ktofy je inak nezmáčavý.The formed metal solder coating ensures excellent wettability of the surface of the material by the solder, otherwise it is non-wettable.

Ďalšou možnosťou je použitie spájok s aktívnym prvkom, ktofy za určitých podmienok a použitej technológie spájkovania dokáže reagovať s povrchom keramického materiálu. Tieto prvky majú elektrónovú štruktúru, ktorá im umožňuje ľahšiu reakciu s mnohými zlúčeninami, a môžu sa teda integrovať (keď sú tepelne alebo inak aktivované) do mnohých zlúčenín na povrchoch kovov, polovodičov a keramike. Najčastejšími aktívnymi prvkami, ktoré sa pridávajú do spájkovacích zliatin, sú titán a horčík, ale je možné použiť aj iné aktívne kovy. 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 s predmetnou spájkou na báze Zn podľa tohto technického riešenia. 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 bezolovnatej 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.Another possibility is the use of solders with an active element, which under certain conditions and the used soldering technology can react with the surface of the ceramic material. These elements have an electronic structure that allows them to react more easily with many compounds, and thus can be integrated (when thermally or otherwise activated) into many compounds on metal, semiconductor and ceramic surfaces. The most common active elements that are added to solder alloys are titanium and magnesium, but it is also possible to use other active metals. Direct soldering using the so-called active solder is known e.g. from patent application US 2013323530 A1 describing the soldering of metallic materials with non-metallic ones, the essence of the invention being the inclusion of active metal (e.g. Ti, Mg etc.) in a Sn-Zn-based solder with the addition of e.g. Bi or In. Such a solder is designed for lower application temperatures from 150 ° C to 200 ° C. The basis of most active solders known in the prior art is Sn or Pb. Pb is gradually being replaced by alternative elements as it is considered harmful. Sn, in turn, causes a reduction in the application temperature of the solder. Thus, such solders are not directly comparable to the present Zn-based solder according to this technical solution. In order to reduce the time required to make a brazed joint of two ceramic materials or to join a ceramic material to a metal without coating, an attempt has been made to solve this problem by technical means. The result of this effort is further described the composition of a soft active lead-free solder for soldering non-metallic materials with non-metallic / metallic materials at a higher application temperature and its use in ultrasonic, laser or sequential soldering methods according to the technical solution.

Podstata technického riešeniaThe essence of the technical solution

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje mäkká aktívna bezolovnatá spájka pre vyššie aplikačné teploty podľa tohto technického riešenia. Prínos spočíva v návrhu vhodnej základnej bázy a vo výbere vhodného aktívneho kovu. Ako základ spájky bol navrhnutý zinok. Spájka na báze Zn je perspektívnou náhradou spájok za olovnaté spájky pre vyššie aplikačné teploty. Spolu s touto bázou boli odskúšané viaceré aktívne kovy. Pri návrhu a výrobe spájky sa použili nasledujúce kritériá: vyrobiteľnosť spájky s aktívnym kovom, prijateľná cena, relatívne nízka toxicita, štruktúrna kompatibilita so základnou bázou Zn, aktívny kov musí mať dostatočnú reakčnú schopnosť s čo najväčšou škálou spájkovaných materiálov. Za najlepší výber možno považovať legovanie Mg a Sr. Stroncium je mäkký ľahký kov, ktofy búrlivo reaguje s kyslíkom. Horčík je tiež mäkký ľahký kov, ktofy fychlo reaguje s kyslíkom. Oba prvky sú vo všeobecnosti veľmi reaktívneThese shortcomings are substantially eliminated by the soft active lead-free solder for higher application temperatures according to this technical solution. The benefit lies in the design of a suitable base and in the selection of a suitable active metal. Zinc was designed as the basis of the solder. Zn-based solder is a promising replacement for solders with lead solders for higher application temperatures. Several active metals have been tested with this base. The following criteria were used in the design and production of the solder: manufacturability of the solder with active metal, acceptable price, relatively low toxicity, structural compatibility with the basic base Zn, the active metal must have sufficient reactivity with the widest possible range of soldered materials. The alloying Mg and Sr can be considered the best choice. Strontium is a soft light metal that reacts violently with oxygen. Magnesium is also a soft light metal, which reacts quickly with oxygen. Both elements are generally very reactive

SK 9070 Υ1 kovy. Majú vysokú afinitu ku kyslíku a ďalším prvkom, ktoré sú zložkami spájkovaných materiálov. Podstatou technického riešenia je spájkovacia zliatina na báze Zn, ktorá obsahuje dva aktívne kovy Mg a Sr. Spájka pozostáva z 0,3 až 4 % hmotn. Sr, 0,1 až 2 % hmotn. Mg, pričom zvyšok je Zn. Spájkovacia zliatina môže tiež obsahovať A1 v rozsahu od 0 do 6 % hmotn. Táto spájkovacia zliatina je v kombinácii s ultrazvukovou aktiváciou vhodná na priame spájkovame keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov bez použitia povlakovania a bez použitia taviva pri vyšších aplikačných teplotách v rozsahu od 350 do 420 °C. V procese spájkovania aktívne kovy spájky Mg a Sr reagujú s povrchom spájkovaného substrátu, čo zabezpečuje zmáčavosť a následne vznik pevnej väzby. Pevnosť spojov bola od 21 do 35 MPa.SK 9070 Υ1 metals. They have a high affinity for oxygen and other elements that are components of soldered materials. The essence of the technical solution is a solder alloy based on Zn, which contains two active metals Mg and Sr. The solder consists of 0.3 to 4% by weight. Sr, 0.1 to 2 wt. Mg, the residue being Zn. The brazing alloy may also contain A1 in the range of 0 to 6% by weight. This solder alloy, in combination with ultrasonic activation, is suitable for direct soldering of ceramic and other difficult-to-solder materials without the use of coating and without the use of flux at higher application temperatures in the range from 350 to 420 ° C. In the soldering process, the active solder metals Mg and Sr react with the surface of the soldered substrate, which ensures wettability and subsequent formation of a strong bond. The strength of the joints was from 21 to 35 MPa.

Výhody mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky podľa technického riešenia sú zjavné z účinkov, ktoiými 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 spájkovame keramických 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. Aktívne prvky sú dôležitou súčasťou spájky, pretože zabezpečujú 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 soft active lead-free solder according to the technical solution are obvious from the effects which are manifested externally. In general, it can be stated that the solder according to this technical solution is in combination with e.g. with ultrasonic or laser or other activation (wave soldering or reflow soldering) suitable for direct soldering of ceramic and other difficult to solder materials without the use of 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. Active elements are an important part of the solder, as they ensure wettability and the formation of a bond between the metal solder and the ceramic material. A significant advantage of the solder in question is its applicability at higher application temperatures without the use of flux. The higher application temperature predetermines the usability of this solder, especially in the process of gradual soldering.

Prehľad obrázkov na výkresochOverview of figures in 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 soldered joint for different soldered pairs of materials.

Príklady uskutočneniaExamples of embodiments

Jednotlivé uskutočnenia mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky na báze Zn pre vyššie aplikačné teploty v spájkovaní nekovového materiálu s nekovovým/kovovým materiálom podľa technického riešenia sú predstavované na ilustráciu a nie ako obmedzenia technických riešení. 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.Individual embodiments of a soft active lead-free Zn-based solder for higher application temperatures in soldering a non-metallic material with a non-metallic / metallic material according to the technical solution are presented for illustration and not as limitations of technical solutions. 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 Zn s prídavkom Mg a Sr. Mäkká aktívna spájka pozostáva z 1,5 % hmotn. Sr, 2 % hmotn. Mg, pričom zvyšok je Zn.In this example of a specific embodiment of the technical solution, the composition of a soft active solder based on Zn with the addition of Mg and Sr is described. The soft active solder consists of 1.5% by weight. Sr, 2 wt. Mg, the residue being Zn.

Príklad 2Example 2

Na spájkovame keramického materiálu AI2O3/AI2O3 sa použila aktívna spájka ZnMg2Srl,5 v liatom stave. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 380 °C.An active solder ZnMg2Sr1.5 in the cast state was used for the soldering of the ceramic material AI2O3 / AI2O3. During soldering, the joint was heated with a hot plate with the aid of ultrasonic activation at a frequency of 40 kHz. The soldering temperature was 380 ° C.

Príklad 3Example 3

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia sa na spájkovame A1N s meďou použila aktívna spájka ZnMg2Srl,5 vo forme ingotu. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 380 °C.In this example of a specific embodiment, an active ZnMg2Sr1.5 solder in the form of an ingot was used on the A1N copper solder. During soldering, the joint was heated with a hot plate with the aid of ultrasonic activation at a frequency of 40 kHz. The soldering temperature was 380 ° C.

Príklad 4Example 4

V tomto príklade podľa obrázka 1 sa spájkou ZnMg2Srl,5 spájkovali rôzne dvojice materiálov, a to AI2O3/AI2O3, A1N/A1N, SÍ3N4/SÍ3N4 a SiC/CuSiC. Dosiahnuté šmykové pevnosti spojov sú znázornené v grafe na obrázku 1.In this example according to Figure 1, various pairs of materials, namely Al 2 O 3 / Al 2 O 3, AlN / AlN, Si 3 N 4 / Si 3 N 4 and SiC / CuSiC, were soldered with ZnMg 2 S 15. The achieved shear strengths of the joints are shown in the graph in Figure 1.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial applicability

Priemyselná využiteľnosť mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky na báze Zn podľa technického riešenia je perspektívnou náhradou spájok za olovnaté spájky pre vyššie aplikačné teploty. Uplatnenie môže nájsťThe industrial applicability of soft active lead-free solder based on Zn according to the technical solution is a promising replacement of solders for lead solders for higher application temperatures. He can find an application

SK 9070 Υ1 v elektronickom a elektrotechnickom priemysle. Môže sa použiť pri postupnom spájkovaní v progresívnych technológiách zapuzdrovania, ako napr. technológie: Balí Grid Array (BGA), Flip-Chip technology (C4), Chip-Scale-Package (CSP) alebo Multi-Chip Module (MCM).SK 9070 Υ1 in the electronics and electrical engineering industry. It can be used in sequential soldering in progressive encapsulation technologies, such as e.g. technologies: Grid Array (BGA), Flip-Chip technology (C4), Chip-Scale-Package (CSP) or Multi-Chip Module (MCM).

Claims (3)

1. Mäkká aktívna spájka, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa 0,3 až 4 % hmotn. Sr, 0,1 až 2 % hmotn. Mg, pričom zvyšok je Zn.1. A soft active solder, characterized in that it comprises 0.3 to 4% by weight. Sr, 0.1 to 2 wt. Mg, the residue being Zn. 55 2. Mäkká aktívna spájka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa A1 s podielom najviac 6 % hmotn.Soft active solder according to Claim 1, characterized in that it comprises A1 in a proportion of at most 6% by weight. 3. Použitie mäkkej aktívnej spájky podľa nárokov 1 alebo 2 na priame alebo postupné spájkovame ultrazvukom alebo laserom nekovových materiálov s nekovovými/kovovými materiálmi.Use of a soft active solder according to claims 1 or 2 for direct or sequential ultrasonic or laser soldering of non-metallic materials with non-metallic / metallic materials.
SK572020U 2020-04-15 2020-04-15 Soft active Zn-based lead-free solder for higher application temperatures and its use SK9070Y1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK572020U SK9070Y1 (en) 2020-04-15 2020-04-15 Soft active Zn-based lead-free solder for higher application temperatures and its use

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK572020U SK9070Y1 (en) 2020-04-15 2020-04-15 Soft active Zn-based lead-free solder for higher application temperatures and its use

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SK572020U1 SK572020U1 (en) 2020-11-03
SK9070Y1 true SK9070Y1 (en) 2021-03-10

Family

ID=73014091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SK572020U SK9070Y1 (en) 2020-04-15 2020-04-15 Soft active Zn-based lead-free solder for higher application temperatures and its use

Country Status (1)

Country Link
SK (1) SK9070Y1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
SK572020U1 (en) 2020-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR970010891B1 (en) High temperature lead-free tin based solder composition
TWI494441B (en) Bi-Sn high temperature solder alloy
JP2005313230A (en) Joining material for high-temperature packaging
Bae et al. Microstructure and adhesion properties of Sn–0.7 Cu/Cu solder joints
Shiue et al. The reliability study of selected Sn–Zn based lead-free solders on Au/Ni–P/Cu substrate
Cheng et al. Intermetallic compounds formed during the reflow and aging of Sn-3.8 Ag-0.7 Cu and Sn-20In-2Ag-0.5 Cu solder ball grid array packages
WO2019094242A1 (en) Low-silver tin based alternative solder alloy to standard sac alloys for high reliability applications
SK9070Y1 (en) Soft active Zn-based lead-free solder for higher application temperatures and its use
SK402020A3 (en) Zn-based soft active solder with the addition of Mg and Sr for higher application temperatures and its use
SK422019U1 (en) Soft active solder on the ground of Bi-Ag with addition of Ti and use thereof
SK352019A3 (en) Soft active solder on the ground of Bi-Ag with addition of Ti and use thereof
SK1392018A3 (en) Active soft solder for ultrasound soldering of non-metallic and metallic or two non-metallic materials at higher application temperatures
SK1112022U1 (en) Soft active solder based on Sn and Ag with addition of vanadium and method of soldering
SK9940Y1 (en) Soft active solder based on Zn with the addition of Mg and Ti, possibly Al and soldering method
SK288500B6 (en) Soft active solder and method for soldering
SK50322016U1 (en) Soft active solder and method for soldering
SK8575Y1 (en) Soft active solder for ultrasound soldering of non-metal and metal materials or of two non-metal materials
SK289191B6 (en) Active soldering alloy on the basis of tin doped with scandium
Xia et al. Effect of Aluminum Concentration on the Interfacial Reactions of Sn-3.0 Ag-x Al Solders with Copper and ENIG Metallizations
SK9660Y1 (en) Active soldering alloy on the basis of tin doped with scandium
JP5167068B2 (en) Electronic member having solder balls and solder bumps
SK289210B6 (en) Soft active solder based on Au and Sn with addition of Ti or In and method of soldering
Sundelin et al. Pull testing of lead-free QFP solder joints
SK9892Y1 (en) Soft active solder based on Au and Sn with addition of Ti or In and method of soldering
Liu Deposition and application of electroless Ni–W–P under bump metallisation for high temperature lead-free solder interconnects