СПОСОБ ПОДГОТОВКИ К СВАРКЕ ИЗДЕЛИЙ С СЕРЕБРЯНЫМ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2006 года по МПК B23K20/24 B23K20/10 

Изобретение относится к области сварки, в частности к подготовке к сварке изделий с серебряным покрытием, которое может быть использовано в микроэлектронике, а также в других областях техники.

Основной трудностью сварки изделий с серебряным покрытием является наличие сульфидной пленки Ag₂S на поверхности покрытия.

Известен химический метод обработки серебряных покрытий /1/, заключающийся в растворении пленки Ag₂S в растворе следующего состава: 80 г тиомочевины, 10 г серной кислоты и 1 л воды.

Недостатком данного метода является необходимость промывки и сушки изделий после травления, а также низкое качество обработанной поверхности, особенно в изделиях, имеющих небольшие размеры и сложную форму. Кроме того, использование этой технологии ухудшает экологию производства.

С целью защиты серебра от воздействия серосодержащих соединений и потемнения поверхности разработан способ /2/, по которому на серебро наносят гальванические пленки палладия и родия толщиной до 1 мкм.

Недостатком данного способа является использование в технологии драгоценных металлов, что повышает себестоимость выпускаемых изделий.

Известен способ подготовки к пайке изделий с серебряным покрытием /3/, заключающийся в удалении с поверхности сульфидной пленки Ag₂S путем отжига в кислороде при 250-350°С в течение 15-45 мин.

Основным недостатком данного способа является образование на поверхности серебряного покрытия оксидной пленки Ag₂O толщиной 500-600 Å. Оксидная пленка Ag₂O обеспечивает необходимое растекание припоев при пайке, но при сварке не обеспечивает необходимого качества сварных соединений.

Задачами заявляемого решения являются: упрощение технологического процесса и улучшение экологии; снижение себестоимости выпускаемых изделий; повышение качества сварных соединений.

Технические результаты достигаются тем, что предлагаемый способ подготовки к сварке изделий с серебряным покрытием характеризуется удалением с поверхности сульфидной пленки Ag₂S путем отжига в кислороде при температуре 250-350°С в течение 15-45 мин и последующим восстановлением серебра из оксида путем отжига в водороде при температуре 350-400°С в течение 3-10 мин.

Способ осуществляется следующим образом. Для проведения экспериментальных исследований использовали медные корпуса, покрытые слоем химически осажденного никеля толщиной 4 мкм. Электроосаждение серебра на никелевое покрытие проводили в электролите следующего состава (г/л):

AgCl - 40;

К₄[^-Fe(CN)₆]·3Н₂O - 200;

К₂СО₃ - 20.

В качестве анодов использовались пластины из чистого серебра. Режимы осаждения: I_к=1-1,5 А/дм², температура электролита 50°С, время 10 мин. После осаждения серебра корпуса отмывались в дистиллированной воде.

Исследовались различные способы подготовки к сварке корпусов с серебряным покрытием.

Для оценки влияния состояния поверхности серебряных покрытий изделий на качество сварных соединений с алюминиевой проволокой использовали три группы образцов. Образцы первой группы выдерживали при комнатной температуре и нормальной влажности (с целью образования на поверхности сульфидной пленки Ag₂S) в течение 2880 ч. Вторую группу образцов выдерживали в тех же условиях в течение 3400 ч, а затем отжигали в кислороде при температуре 250-350°С в течение 15-45 мин. Третью группу образцов выдерживали на воздухе в течение 3400 ч, а потом отжигали сначала в кислороде при температуре 250-350°С в течение 15-45 мин, а затем в водороде при температуре 350-400°С в течение 3-10 мин.

Ко всем образцам ультразвуковой сваркой на режимах, обеспечивающих получение максимальной прочности соединений, присоединяли алюминиевую проволоку марки АОЦПоМ диаметром 0,25 мм на установке У-153. Прочность соединений определялась механическим натяжением проволоки до разрушения с одновременным анализом характера разрушений.

Анализ внешнего вида, прочности и характера разрушений сварных соединений показал следующие результаты: поверхность образцов первой группы имеет ярко выраженный желтовато-коричневый цвет с разводами, а поверхность второй и третьей групп - блестящий и серебристый цвет; прочность соединений у образцов первой группы составила 260-300 сН, второй группы - 210-270 сН; третьей группы - 310-340 сН; наблюдались разрушения микросоединений у корпусов первой группы в виде отслоения проволоки от покрытий; на образцах второй и третьей групп разрушение происходило по проволоке.

Исследования показали, что наиболее эффективным способом подготовки, к сварке изделий с серебряным покрытием, заключающийся в удалении с поверхности сульфидной пленки Ag₂S, является способ, при котором изделия, отожженные в кислороде при температуре 250-350°С в течение 15-45 мин, перед сваркой отжигают в водороде при температуре 350-400°С в течение 3-10 мин.

Повышение качества сварных соединений у образцов третьей группы объясняется физико-химическими процессами, протекающими на поверхности серебряных покрытий.

Известно, что восстановление серебра водородом из сульфида серебра протекает в соответствии с реакцией

Ag₂S+H₂↔2Ag+H₂S.

Из термодинамических расчетов следует, что эта реакция в стандартных условиях (Т=25°С) не идет, поскольку изменение свободной энергии Гиббса ΔG°>0 (ΔG°=7,0 кДж). Используя значения стандартных энтальпий и энтропий, участвующих в реакции веществ, рассчитаны значения энтальпии (), энтропии (ΔS⁰) и температуры равновесного состояния или начала реакции (Т):

, т.е. реакция эндотермическая.

Температура равновесного состояния

Таким образом, для проведения реакции восстановления сульфида серебра водородом необходимо повышать температуру выше 443°С, что неприемлемо в технологии производства полупроводниковых изделий.

Поверхность серебра от сульфидной пленки Ag₂S можно очищать и в атмосфере кислорода

Ag₂S+O₂→2Ag+SO₂.

Эта реакция может протекать в стандартных условиях, поскольку ΔG⁰<0 (ΔG⁰=-259,57 кДж). С заметной скоростью она протекает при температуре 250-350°С в течение 15-45 мин. Однако в избытке кислорода серебро частично окисляется.

Образующуюся оксидную пленку восстанавливают до чистого серебра в водороде

Ag₂O+H₂→2Ag+Н₂О.

Для этой реакции ΔG⁰<0 (ΔG⁰=-217,98 кДж), т.е. она может протекать в стандартных условиях.

Для ускорения процессов восстановления серебра из его оксида отжиг проводят в водороде при температуре 350-400°С в течение 3-10 мин.

Отсутствие на серебряном покрытии сульфидных и оксидных пленок повышает качество сварных соединений с алюминиевой проволокой.

На основании вышеизложенного сделано заключение, что восстановление серебра из его сульфида целесообразно проводить в кислороде с последующим восстановлением оксидной пленки в водороде.

Таким образом, использование предлагаемого способа подготовки к сварке изделий с серебряным покрытием обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1. Упрощается технологический процесс и улучшается экология за счет исключения химического метода очистки.

2. Снижается себестоимость выпускаемых изделий за счет исключения из технологии драгоценных металлов.

3. Повышается качество сварных соединений по покрытиям без сульфидных и оксидных пленок.

Источники информации

1. Буркат Г.К. Серебрение, золочение, палладирование и родирование. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1984. С.24.

2. Буркат Г.К. Серебрение, золочение, палладирование и родирование. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1984. С.28.

3. Патент RU 2194597 С1 В 23 R 1/20. Способ подготовки к пайке изделий с серебряным покрытием / Зенин В.В., Сегал Ю.Е., Беляев В.Н. (RU). Опубл. 20.12.2002. Бюл. № 35. - 3 с.

Изобретение может быть использовано в микроэлектронике при ультразвуковой сварке изделий. С поверхности изделия удаляют сульфидную пленку Ag₂S путем отжига в кислороде при температуре 250-350°С в течение 15-45 мин и последующим восстановлением серебра из оксида путем отжига в водороде при температуре 350-400°С в течение 3-10 мин. Отсутствие на серебряном покрытии сульфидных и оксидных пленок повышает качество сварных соединений.

Способ подготовки к сварке изделий с серебряным покрытием, характеризующийся удалением с поверхности сульфидной пленки Ag₂S путем отжига в кислороде при температуре 250-350°С в течение 15-45 мин и последующим восстановлением серебра из оксида путем отжига в водороде при температуре 350-400°С в течение 3-10 мин.