SK9660Y1

SK9660Y1 - Aktívna spájkovacia zliatina na báze Sn legovaná Sc

Info

Publication number: SK9660Y1
Application number: SK50043-2022U
Authority: SK
Inventors: prof. Ing. Koleňák Roman PhD; Ing. Kostolny Igor PhD.
Original assignee: Slovenská Technická Univerzita V Bratislave
Priority date: 2022-06-10
Filing date: 2022-06-10
Publication date: 2022-12-07
Also published as: SK500432022U1

Abstract

Aktívna spájkovacia zliatina na báze cínu na spájkovanie kovových, nekovových, keramických a kompozitných materiálov pri teplotách od 225 do 280 °C obsahuje skandium v množstve od 0,1 až 3 hmotn. % a zvyšok do 100 % je cín. Aktívna spájkovacia zliatina môže obsahovať aj striebro v množstve 1,5 až 6 hmotn. % a meď v množstve od 0,1 do 1 hmotn. %. Aktívna spájkovacia zliatina sa používa na spájkovanie kovových, nekovových, keramických a kompozitných materiálov a iných ťažko spájkovateľných materiálov.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka mäkkej aktívnej spájkovacej zliatiny na ultrazvukové spájkovanie kovových a nekovových materiálov pri bežných aplikačných teplotách v rozsahu od 225 do 280 °C.

Doterajší stav techniky

Proces povlakovania keramických materiálov spájkovateľnými povlakmi, ktoré je potom možné spájkovať bežnými spájkami v ochrannej atmosfére alebo s použitím vysokokorozívneho taviva, je technologicky, ekonomicky a environmentálne náročný. Technológia povlakovania sa vykonáva buď vpaľovaním kovových roztokov žiaruvzdorných kovov Mo, Mn, W (s následným poniklovaním) či drahých kovov Ag, Au, Pt a pod. alebo fyzikálnou a chemickou depozíciou. Tento finančne a technologicky náročný proces je možné nahradiť spájkovaním aktívnou spájkou vysokoteplotnou aktiváciou vo vákuu alebo vnesením ultrazvukových vibrácií do roztavenej spájky mierne nad teplotou jej tavenia. Aktívny prvok je dôležitou súčasťou spájky, pretože zabezpečuje zmáčavosť a vznik väzby medzi kovovou spájkou a keramickým materiálom bez potreby povlakovania. Navyše sa týmto spôsobom znižuje čas potrebný na vyhotovenie spojov, zlepšuje sa hygiena pracovného prostredia a zlepšuje sa ekonomika výroby spájkovaných spojov. V súčasnosti existujú viaceré patentované mäkké zliatiny legované aktívnym kovom. Najčastejšie ide o bázy Sn, Bi, Zn či In legované titánom, lantanoidmi či inými aktívnymi prvkami. Legovanie titánom je patentované napríklad v prípade chemického zloženia cínových zliatin na báze Sn-Ti (US20050031483A1), Sn-Ag-Ti-Ga-Ce (US7806994B2). Legovanie vanádom napríklad v spájkach na báze Sn-V alebo Sn-Ag-V (JP57049240A2). Spájky legované lantánom na báze Sn-La, Sn-Ag-La alebo Sn-Ag-Bi-Cu-La (US6361742B2). V niektorých prípadoch je využité aj legovanie horčíkom a patentované v prípade spájky na báze Sn-Zn-Mg alebo Sn-Zn-In-Mg (US20130029178A1). Existuje ešte množstvo aktívnych kovov, ktorých vplyv v mäkkých spájkach na spájkovanie keramických materiálov nie je vedecky preskúmaný. Z tohto dôvodu je technické riešenie orientované do niektorých neskúmaných báz.

Podstata technického riešenia

Spájkovacia zliatina podľa technického riešenia je aktívna spájka, ktorá dokáže priamo zmáčať široký rozsah rôznych materiálov v elektronike, ako sú kovy (Cu, Al, Ni a pod.), nekovy (Si, Ge, grafit a pod.), keramické materiály (AúO3, AlN, SiC, SÍ3N4, AlN a pod.) či kompozitné materiály s kovovou alebo keramickou matricou. Aktívna spájka obsahuje aktívny prvok, ktorý dokáže reagovať so zložkami rôznych keramických materiálov, ktoré sú bežnými spájkami nezmáčateľné.

Spájkovacia zliatina podľa technického riešenia je založená na báze cínu, obsahuje aktívny prvok skandium a môže ďalej obsahovať ako legúru striebro. Striebro zlepšuje najmä mechanické vlastnosti, ako je pevnosť v ťahu spájky a šmyková pevnosť spájkovaných spojov. Ďalej zlepšuje spájkovacie vlastnosti najmä pri spájkovaní kovových materiálov, zlepšuje tiež elektrickú vodivosť a korózne vlastnosti spájkovacej zliatiny. Skandium je aktívny kov, ktorý zabezpečuje zmáčavosť ťažko spájkovateľných materiálov. Spájkovacia zliatina okrem skandia a striebra môže byť legovaná aj meďou.

Spájkovacia zliatina na spájkovanie kovových, nekovových, keramických a kompozitných materiálov pri teplotách v rozsahu od 225 do 280 °C podľa technického riešenia obsahuje cín v množstve 97 až 99,9 hmotn. % a aktívny prvok skandium v množstve 0,1 až 3 hmotn. %. V ďalšom uskutočnení spájkovacia zliatina môže obsahovať aj aktívny prvok striebro. V tomto prípade je zloženie spájkovacej zliatiny: cín v množstve 91 až 98,4 hmotn. %, skandium v množstve 0,1 až 3 hmotn. % a striebro v množstve 1,5 až 6 hmotn. %. V ďalšom uskutočnení môže spájkovacia zliatina obsahovať aj meď. V tomto prípade je zloženie spájkovacej zliatiny: cín v množstve 90 až 98,3 hmotn. %, skandium v množstve 0,1 až 3 hmotn. %, striebro v množstve 1,5 až 6 hmotn. % a meď v množstve od 0,1 do 1 hmotn. %.

Spájkovacia zliatina podľa technického riešenia je v kombinácii s ultrazvukovou aktiváciou vhodná na priame spájkovanie keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov bez použitia povlakovania a bez použitia taviva.

Spájka na báze Sn s vhodnou voľbou aktívneho kovu je perspektívnou náhradou spájok za olovnaté spájky pre bežné aplikačné teploty, pri ktorých sa spájkujú súčiastky na dosky plošných spojov. Hlavný odbyt spájok pre bežné aplikačné teploty je v rámci elektronického priemyslu, a to hlavne pri progresívnych technológiách zapuzdrovania pri postupnom spájkovaní a výrobe výkonových polovodičových súčiastok. Napríklad pri výrobe IC čipov, integrovaných pasívnych zariadení, mikroelektromechanických systémov či pri spájaní externých obvodov nanesením na čipové substráty.

Spolu s výhodne zvolenou bázou Sn 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 Sn, aktívny kov musí mať dostatočnú reakčnú schopnosť s čo najväčšou škálou spájkovaných materiálov. Vznikla tak základná kombinácia pre aktívnu spájku Sn-Sc. Ako aktívna zložka bolo použité skandium. Spájkovacia zliatina sa z dôvodu vylepšenia vlastností legovala tiež striebrom a môže sa pridať aj meď.

Skandium je vysokoreaktívny kov, ktorý je podobný svojimi vlastnosťami hliníku, titánu a lantanoidom, má vysokú afinitu ku kyslíku a ďalším prvkom, ktoré sú zložkami spájkovaných materiálov. V procese spájkovania aktívny kov spájky Sc reaguje s povrchom spájkovaného substrátu, čo zabezpečuje zmáčavosť a následne vznik pevnej väzby. Priemerná šmyková pevnosť spojov bola od 16 do 39 MPa. Ukázala sa výhodná spájkovateľnosť navrhnutej spájkovacej zliatiny Sn-Sc a Sn-Ag-Sc pre rôzne typy materiálov (obr. 1 a 2).

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je graf znázorňujúci šmykovú pevnosť spájkovaných spojov Al2O3/Al2O3, AlN/AlN, SiC/SiC s použitím spájkovacej zliatiny so zložením Sn 98,5 hmotn. % a Sc 1,5 hmotn. %.

Na obr. 2 je graf znázorňujúci šmykovú pevnosť spájkovaných spojov AhO3/A^O3, AlN/AlN, SiC/SiC, Al2O3/Cu, AIN/Cu a SiC/Cu s použitím spájkovacej zliatiny so zložením Sn 95 hmotn. %, Ag 3,5 hmotn. % a Sc 1,5 hmotn. %.

Príklady uskutočnenia

Príklad 1

Spájkovanie keramiky AlN/AlN

Ako aktívna spájka sa použila spájka so zložením Sn 98,5 hmotn. % a Sc 1,5 hmotn. % v liatom stave. Spájkovanie bolo realizované ohrevom horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 240 °C.

Príklad 2

Spájkovanie keramiky SiC/Cu

Ako aktívna spájka sa použila spájka so zložením Sn 98,5 hmotn. % a Sc 1,5 hmotn. % vo forme ingotu. Spájkovanie bolo realizované ohrevom horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 240 °C.

Príklad 3

Spájkovanie keramiky AlN/AlN

Ako aktívna spájka sa použila spájka so zložením Sn 95 hmotn. %, Ag 3,5 hmotn. % a Sc 1,5 hmotn.% vo forme ingotu. Spájkovanie bolo realizované ohrevom horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 230 °C.

Priemyselná využiteľnosť

Spájkovaciu zliatinu na báze Sn s vhodnou voľbou aktívneho kovu podľa technického riešenia možno využívať na spájkovanie keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov, najmä v rámci elektronického priemyslu pri spájkovaní a výrobe výkonových polovodičových súčiastok.

Claims

1. Aktívna spájkovacia zliatina na spájkovanie kovových, nekovových, keramických a kompozitných materiálov pri teplotách od 225 do 280 °C, vyznačujúca sa tým, že obsahuje skandium v 5 množstve od 0,1 až 3 hmotn. % a zvyšok do 100 % je cín.

2. Aktívna spájkovacia zliatina podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že obsahuje striebro v množstve 1,5 až 6 hmotn. %.

3. Aktívna spájkovacia zliatina podľa nárokov 1 a 2, vyznačujúca sa tým, že obsahuje meď v množstve od 0,1 do 1 hmotn. %.

4. Použitie aktívnej spájkovacej zliatiny podľa nárokov 1 až 3 na ultrazvukové spájkovanie kovových a nekovových prvkov, keramických a kompozitných materiálov s kovovou alebo keramickou matricou a iných ťažko spájkovateľných materiálov.