SK9070Y1 - Mäkká aktívna bezolovnatá spájka na báze Zn pre vyššie aplikačné teploty a jej použitie - Google Patents

Abstract

Mäkká aktívna bezolovnatá spájka pozostáva z 0,3 až 4 % hmotn. Sr, 0,1 až 2 % hmotn. Mg, pričom zvyšok je Zn. Spájkovacia zliatina môže tiež obsahovať Al v rozsahu od 0 do 6 % hmotn. Touto mäkkou aktívnou spájkou sa spája nekovový materiál s nekovovým/kovovým materiálom priamo alebo postupne ultrazvukom alebo laserom.

Description

Oblasť techniky

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.

Doterajší stav techniky

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:

• 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.

Vytvorený kovový spájkovací povlak zabezpečí vynikajúcu zmáčavosť povrchu materiálu spájkou, ktofy je inak nezmáčavý.

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.

Podstata technického riešenia

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 reaktívne

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.

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.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je graf znázorňujúci šmykovú pevnosť spájkovaného spoja pri rôznych spájkovaných dvojiciach materiálov.

Príklady uskutočnenia

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.

Príklad 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.

Príklad 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.

Príklad 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.

Príklad 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.

Priemyselná využiteľnosť

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 nájsť

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).

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.

5

2. Mäkká aktívna spájka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa A1 s podielom najviac 6 % hmotn.

3. Použitie mäkkej aktívnej spájky podľa nárokov 1 alebo 2 na priame alebo postupné spájkovame ultrazvukom alebo laserom nekovových materiálov s nekovovými/kovovými materiálmi.