SK9792Y1 - Mäkká aktívna spájka na báze Sn a Ag s prídavkom vanádu a spôsob spájkovania - Google Patents

Abstract

Mäkká aktívna bezolovnatá spájka pozostáva z 3,5 až 6 hmotn. % Ag, 1,5 až 3 hmotn. % vanádu a zvyšok tvorí Sn. Touto mäkkou aktívnou spájkou sa spája nekovový materiál s nekovovým materiálom, nekovový materiál s kovovým materiálom priamo alebo postupne ultrazvukom.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka novej mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky na spájkovanie kovových, keramických a kompozitných materiálov s kovovými alebo keramickými materiálmi pri stredných až mierne vysokých aplikačných teplotách a jej použitia. Technické riešenie patrí do oblasti spájkovania bezolovnatými spájkami v elektronickom priemysle, a to hlavne v progresívnych technológiách zapuzdrovania s využitím procesu postupného spájkovania.

Doterajší stav techniky

Pri výrobe zariadení v oblasti výkonovej elektroniky v súčasnosti dochádza k postupnému nahradzovaniu výkonových modulov na báze kremíka za moduly na báze SiC. Operačné teploty modulov na báze SiC, pri ktorých nedochádza k poškodeniu elektronických komponentov, dosahujú teploty nad 125 °C. Z tohto dôvodu pretrváva potreba spájkovania keramických materiálov určených pre elektronické aplikácie zapuzdrovania, kde je potrebné spájať keramické aj kovové materiály v podmienkach vyšších aplikačných teplôt (200 až 300 °C), pričom je potrebné zohľadniť vlastnosti a životnosť spojov vzhľadom na čo najnižšie výrobné ceny finálnych výrobkov.

Zo stavu techniky je známe, že povrch keramických a iných nekovových materiálov je prirodzene nezmáčateľný, preto pri vytváraní spojenia medzi mäkkou spájkou a keramikou musí byť táto skutočnosť braná do úvahy. Problém so zmáčateľnosťou keramických a iných nekovových materiálov je možné vyriešiť tromi spôsobmi:

• buď vpaľovaním kovových roztokov žiaruvzdorných kovov Mo, Mn, W (s následným poniklovaním), alebo drahých kovov Ag, Au, Pt a podobne, • alebo fyzikálnou a chemickou depozíciou, pomocou ktorej sa vytvárajú tenké Au, Ag, Ni povlaky, • použitím špeciálnej, tzv. aktívnej spájky, ktorá obsahuje malé množstvo aktívneho kovu.

Z ekonomického hľadiska je najvýhodnejšie použitie aktívnej spájky, ktorá obsahuje malé množstvo aktívneho kovu, a to z dôvodu, že dochádza k vytvoreniu priameho spojenia, teda k priamemu spájkovaniu medzi spájkou a iným nekovovým materiálom. Teda nie je potrebné už používať spájkovateľné povlaky, a tým sa obíde medzioperácia povlakovania. Vytvorenie spájkovaného spoja dvoch keramických materiálov bez povlakovania, teda priamym spájkovaním, tiež výrazne šetrí čas potrebný na vytvorenie takéhoto spoja.

K spomínanému priamemu spojeniu (spájkovaniu) dochádza v dôsledku aktivácie aktívneho kovu v spájke.

Aktiváciou sa rozumie umožnenie aktívnemu prvku, aby termodynamicky reagoval s niektorou zložkou nekovového materiálu, výhodne keramického materiálu. Najčastejšie používaným aktívnym kovom v spájkach je Ti, ale môžu sa použiť aj iné kovy, ako napríklad Zr, lantanoidy, Mg a iné. Pri výbere vhodného aktívneho kovu je dôležité zohľadniť jeho reaktivitu so zložkou konkrétneho keramického materiálu. Najelegantnejším riešením by bolo použitie univerzálneho aktívneho kovu, ktorý by dokázal reagovať s čo najširším spektrom keramických materiálov.

Dokument JPS5749240A opisuje spájku obsahujúcu ako hlavnú zložku Sn s prídavkom Ag a V na spájkovanie substrátu polovodičového zariadenia na podložku, ktorého maximálna prevádzková teplota je približne 150 °C. Taktiež dokument zverejňuje ternárnu zliatinu (spájku) obsahujúcu 2 až 4 hmotn. % Ag a 0,01 až 1,0 hmotn. % V, pričom zvyšok tvorí Sn.

Termodynamická aktivácia aktívneho kovu nastáva, ak je zvolená správna technológia spájkovania. Ak má byť spájkovanie kovových, keramických alebo kompozitných materiálov pomocou spájky ekonomicky a environmentálne výhodné, aktívne spájky podľa technického riešenia sú určené na beztavivové spájkovanie. Moderným spôsobom spájkovania bez taviva a súčasne na vzduchu pri teplotách tavenia spájky je spájkovanie ultrazvukom.

Podstata technického riešenia

Nedostatky vyplývajúce z opisu doterajšieho stavu techniky v podstatnej miere odstraňuje aktívna bezolovnatá spájka pre stredné až mierne vysoké aplikačné teploty podľa predkladaného technického riešenia.

Na vyrobenie spájkovaného spoja dvoch keramických materiálov a spoja keramického materiálu a kovu bez medzioperácie povlakovania bola použitá aktívna spájka. Prínos aktívnej spájky spočíva v návrhu vhodnej základnej bázy, vo výbere vhodného aktívneho kovu a vhodnej technológie spájkovania. Ako základná báza bolo navrhnuté zloženie Sn-Ag.

Eutektická spájka na báze Sn a Ag je bezolovnatá spájka s teplotou tavenia 221 °C. Ak je táto báza legovaná malým množstvom aktívneho kovu, dokáže zmáčať aj keramické materiály alebo kompozity. Pre bázu Sn-Ag boli odskúšané viaceré aktívne kovy. Napríklad je známa spájka Sn-Ag s prídavkom Ti. Pri návrhu a výrobe spájky sa použili nasledujúce kritériá: vyrobiteľnosť spájky s aktívnym kovom, relatívne nízka toxicita a štruktúrna kompatibilita so základnou bázou Sn-Ag.

Aktívny kov musí vykazovať dostatočnú reakčnú schopnosť s čo najväčšou škálou spájkovaných materiálov. Vďaka vynikajúcej afinite ku kyslíku a iným zložkám keramických materiálov bol ako aktívny kov vybraný vanád. Vanád pri svojej aktivácii reaguje s povrchom keramického alebo kompozitného materiálu, pričom vzniká reakčný produkt zabezpečujúci zmáčanie substrátu roztavenou spájkou. Podstatou technického riešenia je spájkovacia zliatina na báze Sn a Ag, ktorá obsahuje aktívny kov vanád. Spájka pozostáva z 1,5 až 3 hmotn. % vanádu. Striebro je prítomné v rozsahu od 3,5 do 6 hmotn. %, pričom zvyšok tvorí Sn. Táto spájkovacia zliatina (spájka) je v kombinácii s ultrazvukovou aktiváciou vhodná na priame spájkovanie keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov bez použitia povlakovania a bez použitia taviva pri stredných až mierne vysokých aplikačných teplotách v rozsahu od 200 do 300 °C.

Výhody mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky podľa technického riešenia sú zjavné z účinkov, ktorými sa prejavujú navonok. Vo všeobecnosti možno konštatovať, že spájka podľa predkladaného technického riešenia je v kombinácii s ultrazvukovou aktiváciou vhodná na priame spájkovanie rôznych keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov, čo znamená bez použitia povlakovania a bez použitia taviva. Znižuje sa tak čas potrebný na vyrobenie spojov, zlepšuje sa hygiena pracovného prostredia a zlepšuje sa ekonomika výroby spájkovaných spojov. Aktívne kovy sú dôležitou súčasťou spájky tým, že zabezpečia zmáčavosť keramického substrátu, a tým sa umožní vzniku väzby medzi spájkou a substrátom. Podstatnou výhodou predmetnej spájky je jej potenciál na spájanie rôznych druhov materiálov. Vďaka stredným až mierne vysokým aplikačným teplotám nachádzajú hlavný odbyt najmä v procese postupného spájkovania, ktorý je využívaný pri montáži dosiek plošných spojov. Pri tomto procese postupného spájkovania sa nanášajú spájky s rôznou teplotou tavenia od najvyššej teploty po najnižšiu teplotu tavenia. Výhodou tohto postupu je zabrániť opätovnému roztaveniu spájkovaných spojov.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je graf znázorňujúci namerané šmykové pevnosti spájkovaných spojov rôznych materiálov s použitím spájky na báze Sn-Ag-V.

Príklady uskutočnenia

Jednotlivé uskutočnenia mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky na báze Sn-Ag pre stredné až mierne vysoké aplikačné teploty na spájkovanie kovových, keramických a kompozitných materiálov s kovovou alebo keramickou matricou podľa technického riešenia sú predstavované na ilustráciu a nemajú byť chápané ako obmedzenie technického riešenia. Odborníci v príslušnom odbore sú schopní nájsť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov ku konkrétnym uskutočneniam technického riešenia. Aj takéto ekvivalenty budú spadať do rozsahu nasledujúcich nárokov na ochranu.

Príklad 1

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia technického riešenia je opísané zloženie mäkkej aktívnej spájky na báze Sn a Ag s prídavkom V. Mäkká aktívna spájka pozostáva z 1,5 hmotn. % V, 3,5 hmotn. % Ag, pričom zvyšok je Sn.

Príklad 2

Na spájkovanie keramického materiálu Al₂O₃ a ZrO₂ sa použila aktívna spájka SnAg3,5V1,5. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval na horúcej doske za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 62 kHz pri výkone 9 W. Teplota spájkovania bola 230 °C.

Príklad 3

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia sa na spájkovanie polovodičovej keramiky SiC použila aktívna spájka SnAg3,5V1,5. Spájkovanie prebiehalo na horúcej doske. Aktívny ultrazvuk privedený do roztavenej spájky mal frekvenciu 62 kHz pri výkone 9 W. Teplota spájkovania bola 230 °C.

Príklad 4

V tomto príklade uskutočnenia podľa obrázka 1 sa spájkou SnAg3,5V1,5 spájkovali rôzne druhy materiálov, 5 a to Cu, AI2O3, ZrO2, AlN, SÍ3N4 a SiC. Dosiahnuté šmykové pevnosti spojov sú znázornené v grafe na obrázku 1.

Priemyselná využiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť mäkkej aktívnej spájky na báze Sn-Ag s prídavkom vanádu (Sn-Ag-V) podľa predkladaného technického riešenia spočíva v perspektívnej náhrade spájok na báze Sn-Ag-Ti. Spájka je určená pre stredné až mierne vysoké aplikačné teploty. Uplatnenie môže nájsť v rámci elektronického priemyslu, a to hlavne pri progresívnych technológiách zapuzdrovania pri postupnom spájkovaní. Sú to 15 napríklad technológie Ball Grid Array (BGA), Flip-Chip technológia (C4), Chip-Scale-Package (CSP) alebo Multichip Module (MCM). Pri výrobe výkonového modulu (napr. IGBT) je využiteľnosť spájok pre vyššie aplikačné teploty v oblasti spájania DBC (direct bond on copper, „priame naviazanie na meď“) substrátu s výkonovým čipom (IGBT), prípadne diódou.

Claims (5)

1. Mäkká aktívna spájka, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa 1,5 až 3 hmotn. % V, 3,5 až 6 hmotn. % Ag, pričom zvyšok je Sn.

5

2. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že aktívny kov je v spájke aktivovaný termodynamicky.

3. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že termodynamická aktivácia aktívneho kovu prebieha ultrazvukom.

4. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 2 až 3, 10 vy značujúci sa tým, že sa spájkujú nekovové materiály s nekovovými materiálmi a zahrnuje krok kontaktného ohrevu za súčasného pôsobenia ultrazvuku.

5. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa nárokov 2 až 3, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že sa spájkujú nekovové materiály s kovovými materiálmi a zahrnuje krok kontaktného ohrevu za súčasného pôsobenia ultrazvuku.