SK9892Y1 - Mäkká aktívna spájka na báze Au a Sn s prídavkom Ti, prípadne In a spôsob spájkovania - Google Patents

Mäkká aktívna spájka na báze Au a Sn s prídavkom Ti, prípadne In a spôsob spájkovania Download PDF

Info

Publication number
SK9892Y1
SK9892Y1 SK116-2022U SK1162022U SK9892Y1 SK 9892 Y1 SK9892 Y1 SK 9892Y1 SK 1162022 U SK1162022 U SK 1162022U SK 9892 Y1 SK9892 Y1 SK 9892Y1
Authority
SK
Slovakia
Prior art keywords
soldering
solder
active
soft active
soft
Prior art date
Application number
SK116-2022U
Other languages
English (en)
Other versions
SK1162022U1 (sk
Inventor
prof. doc. 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 SK116-2022U priority Critical patent/SK9892Y1/sk
Publication of SK1162022U1 publication Critical patent/SK1162022U1/sk
Publication of SK9892Y1 publication Critical patent/SK9892Y1/sk

Links

Landscapes

  • Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)

Abstract

Mäkká aktívna bezolovnatá spájka pozostáva z 0,5 až 5 hmotn. % Ti, 10 až 25 hmotn. % Sn a zvyšok tvorí Au. Spájka môže tiež obsahovať In v rozsahu od 3 do 15 hmotn. %. Touto mäkkou aktívnou spájkou sa spája nekovový materiál s nekovovým materiálom, nekovový materiál s kovovým materiálom priamo alebo postupne ultrazvukom.

Description

Oblasť techniky
Predkladané technické riešenie sa týka novej mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky na priame spájkovanie kovových, keramických a kompozitných materiálov s kovovými alebo keramickými materiálmi, vo všeobecnosti ťažko spájkovateľných materiálov pre vyššie aplikačné teploty a spôsobu spájkovania. Predkladané technické riešenie patrí do oblasti spájkovania bezolovnatými spájkami v elektronickom priemysle, a to hlavne v progresívnych technológiách zapuzdrovania pri postupnom spájkovaní.
Doterajší stav techniky
Výkonová elektronika je kľúčovým komponentom elektrických trakčných pohonov používaných a navrhovaných pre hybridné elektrické vozidlá, plug-in hybridné elektrické vozidlá, elektrické vozidlá s palivovými článkami a čisté elektrické vozidlá.
Tieto technológie vozidiel zohrávajú kľúčovú úlohu pri znižovaní emisií, znižovaní príspevku sektora dopravy ku globálnemu otepľovaniu a pri zvyšovaní energetickej bezpečnosti v dôsledku zníženej závislosti od dovážanej ropy na účely dopravy.
Výkonová elektronika je srdcom mnohých elektronických systémov. Riadi procesy prepínania energie a zaisťuje jej čo najefektívnejšie využitie. Výkonové polovodiče zaisťujú, že výkonová elektronika zahŕňa spájanie rôznych materiálov odlišných vlastností do jedného puzdra. Pričom často ide o materiály kovové, keramické alebo najnovšie aj kompozitné materiály zabezpečujúce vysokú elektrickú vodivosť v kombinácii s nízkym koeficientom teplotnej rozťažnosti.
Spájkovanie týchto materiálov medzi sebou prináša viacero technických obmedzení. Je potrebné zohľadniť vlastnosti a životnosť spojov a tiež v nemalej miere aj výrobné náklady a 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.
V súčasnosti sa keramické materiály (napr. A^O3, AlN, SiC a pod.) a niektoré nekovové (Si, Ge, grafit a pod.) a ťažko spájkovateľné kovové materiály (W, Mo, Ta a pod.) spájkujú nepriamo tak, že na povrch keramického materiálu sa nanesie spájkovateľný kovový povlak a až potom sa realizuje samotné spájkovanie. Tento spôsob ale prináša vysoké výdavky na technológie povlakovania a samotný povlakovaný materiál. Z ekonomického hľadiska je preto najvýhodnejšie použitie aktívnej spájky, ktorá obsahuje malé množstvo aktívneho kovu, a to z dôvodu, že aktívny kov zabezpečuje zmáčavosť a vznik väzby medzi kovovou spájkou a iným nekovovým materiálom, výhodne keramikou. Teda nie je potrebné už používať spájkovateľné povlaky, a tým sa obíde medzioperácia povlakovania. Vytvorenie spájkovaného spoja dvoch keramických materiálov bez povlakovania tiež výrazne šetrí čas potrebný na vytvorenie takéhoto spoja.
V stave techniky sú známe spájky pre vyššie aplikačné teploty. Vo všeobecnosti, spájky vhodné pre vyššie aplikačné teploty by mali mať teplotu tavenia v rozsahu približne od 260 °C do 420 °C. Tieto spájky pre vyššie aplikačné teploty umožňujú zariadeniam pracovať rýchlejšie a úspornejšie a je možné teda obmedziť obvykle zložité chladenie, čo tiež prispieva k šetreniu energií.
K tomuto spomínanému priamemu spojeniu 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.
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 predkladaného 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 vyššie aplikačné teploty podľa predkladaného technického riešenia.
Spájka na báze Au-Sn je perspektívnou náhradou spájok za olovnaté spájky pre vyššie aplikačné teploty vo všeobecnosti na spájkovanie kovových materiálov bez medzioperácie povlakovania. Prínos aktívnej spájky spočíva v návrhu vhodnej základnej bázy a vo výbere vhodného aktívneho kovu a vhodnej technológie spájkovania. Ako základná báza bolo navrhnuté zloženie Au-Sn.
Ak je táto báza legovaná malým množstvom aktívneho kovu, dokáže zmáčať aj keramické materiály alebo kompozity. Pre bázu Sn-Au boli odskúšané viaceré aktívne kovy. Za najlepší výber možno považovať legovanie Ti. K spájke na báze Sn-Au legovanej Ti sa pridal, v jednom variante, ďalší aktívny kov, a to indium. Použili sa dva varianty typu spájky Au-Sn-Ti a Au-Sn-In-Ti. Pri návrhu a výrobe spájky sa použili nasledujúce kritériá: vyrobiteľnosť spájky s aktívnym kovom, relatívne nízka toxicita a štruktúrna kompatibilita so základnou bázou Au-Sn.
Aktívny kov musí vykazovať dostatočnú reakčnú schopnosť s čo najväčšou škálou spájkovaných materiálov. Za najlepší výber možno považovať legovanie titánom, keďže titán je vo všeobecnosti veľmi reaktívny kov. Má vysokú afinitu ku kyslíku a ďalším prvkom, ktoré sú zložkami spájkovaných materiálov. V procese spájkovania reaguje titán zo spájky s povrchom spájkovaného substrátu, čo zabezpečuje zmáčavosť a následne vznik pevnej väzby. V druhom variante spájky sa na podporu titánu využíva ešte indium, ktoré zlepšuje zmáčavosť aj ťažko spájkovateľných materiálov.
Podstatou predkladaného technického riešenia je spájkovacia zliatina na báze Sn a Au, ktorá obsahuje dva aktívne kovy titán a indium. Spájka pozostáva z 0,5 až 5 hmotn. % titánu a od 3 do 15 hmotn. % In. Spájka tiež obsahuje cín v rozsahu od 10 do 25 hmotn. %, zvyšok tvorí Au. 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.
Výhody mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky podľa predkladaného 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 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 vznik väzby medzi spájkou a substrátom, výhodne keramickým substrátom. 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
Obrázok 1 znázorňuje funkčný spájkovaný spoj keramiky SiC a keramiky Cu-SiC použitím spájky podľa technického riešenia.
Príklady uskutočnenia
Jednotlivé uskutočnenia mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky na báze Sn-Au pre vyššie aplikačné teploty na spájkovanie kovových, keramických a kompozitných materiálov s kovovou alebo keramickou matricou podľa predkladaného technického riešenia sú predstavované na ilustráciu a nemajú byť chápané ako obmedzenie predkladaného technického riešenia. Odborníci v príslušnom odbore sú schopní nájsť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov ku konkrétnym uskutočneniam predkladaného technického riešenia. Aj takéto ekvivalenty budú spadať do rozsahu nasledujúcich nárokov na ochranu.
Príklad 1
V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predkladaného technického riešenia je opísané zloženie mäkkej aktívnej spájky na báze Sn a Au s prídavkom Ti. Mäkká aktívna spájka pozostáva z 3 hmotn. % Ti, 20 hmotn. % Sn, pričom zvyšok je Au.
Príklad 2
V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predkladaného technického riešenia je opísané zloženie mäkkej aktívnej spájky na báze Sn a Au s prídavkom Ti a In. Mäkká aktívna spájka pozostáva z 3 hmotn. % Ti, 20 hmotn. % Sn, 5 hmotn. % In, pričom zvyšok je Au.
Príklad 3
Na spájkovanie keramického materiálu SiC/Cu a SiC sa použila aktívna spájka AuSn20Ti3. Spájkovanie bolo realizované ohrevom horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 290 °C.
Príklad 4
V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia sa na spájkovanie keramiky A^Oa s Ni použila aktívna spájka AuSn20In5Ti3 vo forme ingotu. Spájkovanie bolo realizované ohrevom horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 280 °C.
Priemyselná využiteľnosť
Priemyselná využiteľnosť mäkkej aktívnej spájky na báze Au-Sn podľa predkladaného technického riešenia spočíva v perspektívnej náhrade spájok za olovnaté spájky pre vyššie aplikačné teploty. Uplatnenie môže nájsť v rámci elektronického priemyslu, a to hlavne pri progresívnych technológiách zapuzdrovania pri postupnom spájkovaní. Sú to napríklad technológie Ball Grid Array (BGA), Flip-Chip technológia (C4), Chip-Scale-Package (CSP) alebo Multi-chip 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 (6)

1. Mäkká aktívna spájka, vyznačujúca sa tým, že obsahuje zliatinu Au a Sn s obsahom Sn od 10 do 25 hmotn. % a Ti v množstve od 0,5 do 5 hmotn. %.
5
2. Mäkká aktívna spájka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že obsahuje In v množstve od 3 do 15 hmotn. %.
3. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 2, vyznačujúci sa tým, že aktívny kov je v spájke aktivovaný termodynamicky.
4. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že 10 termodynamická aktivácia aktívneho kovu prebieha ultrazvukom.
5. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 3 až 4, vyznačujúci sa tým, že sa spájkujú nekovové materiály s nekovovým materiálmi a že zahrnuje krok kontaktného ohrevu za súčasného pôsobenia ultrazvuku.
6. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 3 až 4, 15 vyznačujúci sa tým, že sa spájkujú nekovové materiály s kovovými materiálmi a že zahrnuje krok kontaktného ohrevu za súčasného pôsobenia ultrazvukom.
SK116-2022U 2022-09-09 2022-09-09 Mäkká aktívna spájka na báze Au a Sn s prídavkom Ti, prípadne In a spôsob spájkovania SK9892Y1 (sk)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK116-2022U SK9892Y1 (sk) 2022-09-09 2022-09-09 Mäkká aktívna spájka na báze Au a Sn s prídavkom Ti, prípadne In a spôsob spájkovania

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK116-2022U SK9892Y1 (sk) 2022-09-09 2022-09-09 Mäkká aktívna spájka na báze Au a Sn s prídavkom Ti, prípadne In a spôsob spájkovania

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SK1162022U1 SK1162022U1 (sk) 2023-07-26
SK9892Y1 true SK9892Y1 (sk) 2023-11-22

Family

ID=87349331

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SK116-2022U SK9892Y1 (sk) 2022-09-09 2022-09-09 Mäkká aktívna spájka na báze Au a Sn s prídavkom Ti, prípadne In a spôsob spájkovania

Country Status (1)

Country Link
SK (1) SK9892Y1 (sk)

Also Published As

Publication number Publication date
SK1162022U1 (sk) 2023-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4972503B2 (ja) 半導体パワーモジュール
JP2007536088A (ja) インジウム、ビスマス及び/またはカドミウムを含有する低温活性半田を用いて形成した電子パッケージ
TWI494441B (zh) Bi-Sn high temperature solder alloy
CN109755208A (zh) 一种接合材料、半导体装置及其制造方法
Chang et al. Low temperature bonding of alumina/alumina and alumina/copper in air using Sn3. 5Ag4Ti (Ce, Ga) filler
Xu et al. Novel Au‐Based Solder Alloys: A Potential Answer for Electrical Packaging Problem
JP5828352B2 (ja) 銅/セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板
JP2008080393A (ja) 包晶系合金を用いた接合体、接合方法、及び半導体装置
SK9892Y1 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Au a Sn s prídavkom Ti, prípadne In a spôsob spájkovania
Mao et al. Interfacial reactions between Sn-2.5 Ag-2.0 Ni solder and electroless Ni (P) deposited on SiCp/Al composites
SK962022A3 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Au a Sn s prídavkom Ti, prípadne In a spôsob spájkovania
SK9940Y1 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al a spôsob spájkovania
SK1112022U1 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Sn a Ag s prídavkom vanádu a spôsob spájkovania
JP6069135B2 (ja) 電力用半導体装置及びその製造方法、並びに、そのための半田
SK500432022U1 (sk) Aktívna spájkovacia zliatina na báze Sn legovaná Sc
SK289191B6 (sk) Aktívna spájkovacia zliatina na báze Sn legovaná Sc
Chiang et al. Reflow and burn-in of a Sn-20In-0.8 Cu ball grid array package with a Au/Ni/Cu pad
SK289150B6 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Sr pre vyššie aplikačné teploty a jej použitie
Lang et al. Soldering of non-wettable Al electrode using Au-based solder
Liu Advanced Pb-free interconnect materials and manufacture processes to enable high-temperature electronics packaging
KR100572151B1 (ko) Sn-In계 솔더를 이용한 반도체 칩의 본딩 방법
SK572020U1 (sk) Mäkká aktívna bezolovnatá spájka na báze Zn pre vyššie aplikačné teploty a jej použitie
Kumar et al. Influence of phosphorus content on the interfacial microstructure between Sn–3.5 Ag solder and electroless Ni–P metallization on Cu substrate
TWI647316B (zh) Solder alloy
SK422019U1 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Bi-Ag s prídavkom Ti a jej použitie