SK9940Y1 - Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al a spôsob spájkovania - Google Patents

Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al a spôsob spájkovania Download PDF

Info

Publication number
SK9940Y1
SK9940Y1 SK92-2023U SK922023U SK9940Y1 SK 9940 Y1 SK9940 Y1 SK 9940Y1 SK 922023 U SK922023 U SK 922023U SK 9940 Y1 SK9940 Y1 SK 9940Y1
Authority
SK
Slovakia
Prior art keywords
soldering
solder
active
soft active
soft
Prior art date
Application number
SK92-2023U
Other languages
English (en)
Other versions
SK922023U1 (sk
Inventor
prof. doc. Ing. Koleňák Roman, PhD.
Ing. Pluhár Alexej
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 SK92-2023U priority Critical patent/SK9940Y1/sk
Publication of SK922023U1 publication Critical patent/SK922023U1/sk
Publication of SK9940Y1 publication Critical patent/SK9940Y1/sk

Links

Landscapes

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

Abstract

Mäkká aktívna bezolovnatá spájka pozostáva z 0,5 až 3 hmotn. % Mg, 0,5 až 5 hmotn. % Ti, pričom zvyšok tvorí Zn. Spájkovacia zliatina môže tiež obsahovať Al v rozsahu od 3 do 6 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
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 350 °C do 420 °C, dobrú tepelnú a elektrickú vodivosť, malú objemovú rozťažnosť, vzduchotesnosť, dobré mechanické vlastnosti a dobrú zmáčavosť. 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.
Vzhľadom na to, aby sa skrátil čas potrebný na vyrobenie spájkovaného spoja dvoch keramických materiálov alebo spoja keramického materiálu s kovom bez medzioperácie povlakovania, nastala snaha vyriešiť tento problém technickými prostriedkami. Výsledkom tohto úsilia je ďalej opisované zloženie bezolovnatej mäkkej aktívnej spájky na spájkovanie nekovových materiálov s nekovovými/kovovými materiálmi pri vyššej aplikačnej teplote a jej použitie v spôsobe ultrazvukového spájkovania podľa technického riešenia.
Podstata technického riešenia
Nedostatky vyplývajúce z opisu doterajšieho stavu techniky v podstatnej miere odstraňuje mäkká aktívna bezolovnatá spájka pre vyššie aplikačné teploty podľa predkladaného technického riešenia. Prínos spočíva v návrhu vhodnej základnej bázy a vo výbere vhodného aktívneho kovu. Ako základná báza bol navrhnutý Zn. 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 a 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 Ti a vo variantnom riešení aj Al. Horčík je mäkký ľahký kov, ktorý rýchlo reaguje s kyslíkom. Titán je vo všeobecnosti tiež veľmi reaktívny kov. Má vysokú afinitu ku kyslíku a ďalším prvkom, ktoré sú zložkami spájkovaných materiálov. Hliník znižuje teplotu tavenia Zn spájky a pôsobí čiastočne ako aktívny kov. Podstatou technického riešenia je spájkovacia zliatina na báze Zn, ktorá obsahuje dva aktívne kovy Mg a Ti, prípadne Al. Spájka pozostáva z 0,5 až 3 hmotn. % Mg, 0,5 až 5 hmotn. % Ti, zvyšok tvorí Zn. Spájkovacia zliatina môže tiež obsahovať Al v rozsahu od 3 do 6 hmotn. 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. V procese spájkovania reagujú aktívne kovy spájky Mg a Ti s povrchom spájkovaného substrátu, čo zabezpečuje zmáčavosť a následne vznik pevnej väzby. Pevnosť spojov bola od 10 do 112 MPa.
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 spôsobe ultrazvukového postupného spájkovania podľa technického riešenia.
Prehľad obrázkov na výkresoch
Na obrázku 1 je graf znázorňujúci šmykovú pevnosť spájkovaného spoja pri rôznych spájkovaných dvojiciach materiálov.
Príklady uskutočnenia
Jednotlivé uskutočnenia mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al pre vyššie aplikačné teploty na spájkovanie kovových, nekovových a kompozitných materiálov s kovovou alebo nekovovou matricou 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 Zn s prídavkom Mg, Ti a Al. Mäkká aktívna spájka pozostáva z 5 hmotn. % Al, 1,5 hmotn. % Mg a 1,5 hmotn. % Ti, pričom zvyšok tvorí Zn.
Príklad 2
Na spájkovanie keramického materiálu SÍ3N4/SÍ3N4 sa použila aktívna spájka ZnAl5Mg1,5Ti1,5 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 spájkovanie SiC s meďou použila aktívna spájka ZnMg3Ti1,5 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 uskutočnenia podľa obrázka 1 sa spájkou ZnAl5Mg1,5Ti1,5 spájkovali rôzne dvojice materiálov, a to AI2O3/AI2O3, AlN/AlN, SÍ3N4/SÍ3N4, SiC/SiC, ZrO2/ZrO2, AI2O3/CU, AlN/Cu, Cu/Cu a SiC/Cu. Dosiahnuté šmykové pevnosti spojov sú znázornené v grafe na obrázku 1.
Priemyselná využiteľnosť
Priemyselná využiteľnosť mäkkej aktívnej spájky na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al podľa 15 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), ako aj zapuzdrovanie (Die Attach), pri ktorom dochádza k spojeniu kremíkového čipu so základným materiálom.

Claims (6)

1. Mäkká aktívna spájka, v y z n a č u j ú c a sa tým, že zahŕňa 0,5 až 3 hmotn. % Mg, 0,5 až 5 hmotn. % Ti, pričom zvyšok tvorí Zn.
5
2. Mäkká aktívna spájka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa Al v rozsahu od
3 do 6 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 nekovovými materiálmi a tým, že zahrnuje krok kontaktného ohrevu za súčasného pôsobenia ultrazvuku.
6. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 3 až 4,
15 v y z n a č u j ú c i s a t ý m , ž e sa spájkujú nekovové materiály s kovovými materiálmi a tým, že zahrnuje krok kontaktného ohrevu za súčasného pôsobenia ultrazvuku.
SK92-2023U 2023-06-01 2023-06-01 Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al a spôsob spájkovania SK9940Y1 (sk)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK92-2023U SK9940Y1 (sk) 2023-06-01 2023-06-01 Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al a spôsob spájkovania

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK92-2023U SK9940Y1 (sk) 2023-06-01 2023-06-01 Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al a spôsob spájkovania

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SK922023U1 SK922023U1 (sk) 2023-09-27
SK9940Y1 true SK9940Y1 (sk) 2024-01-24

Family

ID=88099362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SK92-2023U SK9940Y1 (sk) 2023-06-01 2023-06-01 Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al a spôsob spájkovania

Country Status (1)

Country Link
SK (1) SK9940Y1 (sk)

Also Published As

Publication number Publication date
SK922023U1 (sk) 2023-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2009070863A (ja) 半導体パワーモジュール
Shiue et al. Infrared brazing of Ti-6Al-4V and 17-4 PH stainless steel with a nickel barrier layer
Xu et al. Novel Au‐Based Solder Alloys: A Potential Answer for Electrical Packaging Problem
SK9940Y1 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al a spôsob spájkovania
SK9792Y1 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Sn a Ag s prídavkom vanádu a spôsob spájkovania
SK962022A3 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Au a Sn s prídavkom Ti, prípadne In a spôsob spájkovania
SK9892Y1 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Au a Sn s prídavkom Ti, prípadne In a spôsob spájkovania
SK289150B6 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Sr pre vyššie aplikačné teploty a jej použitie
SK352019A3 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Bi-Ag s prídavkom Ti a jej použitie
SK500432022U1 (sk) Aktívna spájkovacia zliatina na báze Sn legovaná Sc
SK422019U1 (sk) Mäkká aktívna spájka na báze Bi-Ag s prídavkom Ti a jej použitie
SK500302022A3 (sk) Aktívna spájkovacia zliatina na báze Sn legovaná Sc
SK572020U1 (sk) Mäkká aktívna bezolovnatá spájka na báze Zn pre vyššie aplikačné teploty a jej použitie
SK1392018A3 (sk) Mäkká aktívna spájka na ultrazvukové spájkovanie nekovových a kovových alebo dvoch nekovových materiálov pri vyšších aplikačných teplotách
SK8133Y1 (sk) Mäkká bezolovnatá aktívna spájka a spôsob spájkovania
SK8575Y1 (sk) Mäkká aktívna spájka na ultrazvukové spájkovanie nekovových a kovových alebo dvoch nekovových materiálov
Liu et al. Electroless Ni-WP alloy as a barrier layer between Zn-based high temperature solders and Cu substrates
Chang et al. Effect of thermal cycling on the adhesion strength of Sn-9Zn-xAg-Cu interface
Wu et al. Intermetallic reactions in a Sn-20In-2.8 Ag solder ball-grid-array package with Au/Ni/Cu pads
EP3890919A1 (en) Active soft solder for ultrasonic soldering at higher application temperatures
Liu et al. Intermetallic compounds and adhesion strength between the Sn-9Zn-1.5 Ag-0.5 Bi lead-free solder and unfluxed Cu substrate
Liu et al. A composite solder alloy preform for high temperature Pb-free soldering applications
SK702014A3 (sk) Mäkká spájka na báze bizmut-striebro s prídavkom lantánu
Qu et al. Effect of Interval Aging Mode on IMC Growth between Low Ag Content Sn-0.3 Ag-0.7 Cu-0.5 Bi-Ni and Cu Substrate
SK50112016A3 (sk) Mäkká aktívna spájka a spôsob spájkovania