СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРИПОЯ Российский патент 2007 года по МПК B23K35/40 B23K35/26 C22C13/00 

Изобретение относится преимущественно к металлургии легких и цветных металлов и может быть применено при изготовлении легкоплавких и бессвинцовистых припоев.

Известны бессвинцовые припои (Современные технологии пайки с использованием бессвинцовистого припоя/ Танигути Йосикуми// Kinzoku: Metals and Technol. - 2001. - 71, №3. - С.58...63.). Эти припои обычно содержат олово, серебро, медь с добавками германия и висмута. Применение этих припоев несколько повышает прочность паяного соединения. Однако эффект упрочнения относительно невелик.

Обычно эти припои изготавливают смешивая компоненты в твердом состоянии, добавляя в них флюс. Затем расплавляют их и после выдержки охлаждают (Лакедемонский А.В., Хряпин В.Е. Справочник паяльщика. - М.: Машиностроение, 1959). При такой технологии изготовления припоя германий коагулирует в крупные частицы и оказывает лишь незначительный упрочняющий эффект.

Известен также состав припоя, не содержащего свинец (A lead-free solder composition: Пат. 5435968 США, МКИ {6} С22С 13/00 / Panthofer Robert Е.; Touchstone, Inc. - N185114. Заявл. 21.1.94. Опубл. 25.7.95; НКИ 420/561). Этот состав припоя принят за прототип. Припой по прототипу содержит олово, серебро, медь, германий и/или висмут, причем компоненты взяты в следующем соотношении (%): Sn 79...97, Cu 3...15, Ag до 4, Ge до 1 и/или Bi до 1. Этот припой может успешно применяться при замене оловянно-свинцовых припоев и обеспечивает некоторое повышение прочности паяного соединения. Однако припой по прототипу также изготавливается по известной технологии, что не позволяет использовать возможности повышения прочности паяного соединения, обусловленные наличием в припое германия.

Технический результат изобретения - повышение прочности паяных соединений.

Сущность изобретения заключается в том, что при использовании предлагаемого способа изготовления припоя смешивают компоненты в твердом состоянии, добавляют флюс, расплавляют полученную смесь и затем охлаждают ее до комнатной температуры. В отличие от прототипа к смеси из серебра, меди и олова добавляют флюс на основе органических соединений, нагревают расплавленную смесь до температуры 600...800°С. Затем в расплав вводят флюс на основе солевых систем и германий, выдерживают полученный расплав при указанной температуре в течение 5...10 минут, перемешивая его, а затем охлаждают со скоростью не менее 10°С/с. При этом количество компонентов выбирают из условия получения припоя, содержащего, мас.%: серебро 1,5-3,5; медь 0,4-1,0; германий 0,1-0,2; олово - остальное.

Такая совокупность признаков изобретения, характеризующая способ изготовления припоя, обеспечивает повышение прочности припоя и, следовательно, паяного соединения, потому что германий в процессе изготовления припоя и пайки соединений зафиксирован в виде равномерно распределенной мелкодисперсной фазы.

При данном способе изготовления припоя вначале смешивают в твердом состоянии серебро, медь и олово. Это необходимо для того, чтобы можно было вводить германий в уже готовый сплав основных компонентов, представляющий собой эвтектику. В этом случае обеспечивается равномерное распределение германия в матрице эвтектики, образовавшейся в результате предварительного расплавления основных компонентов. Нагрев до температуры 600...800°С необходим для того, чтобы германий, вводимый в расплав, смог полностью находиться в жидком растворе. При температуре ниже 600°С и последующем быстром охлаждении в структуре сплава наряду с мелкодисперсными частицами наблюдаются и отдельные крупные частицы германия. Нагрев выше 800°С вызывает лишние энергозатраты.

Выдерживают расплав при температуре 600...800°С в течение 5...10 мин, перемешивая его. При выдержке меньше 5 минут не происходит полного распространения растворенного германия в жидкой матрице припоя. Выдержку больше 10 минут нецелесообразно проводить, потому что германий равномерно распространился по матрице припоя, и увеличение выдержки повысит трудоемкость его изготовления.

Быстрое охлаждение с температуры 600...800°С позволяет зафиксировать равномерное и мелкодисперсное распределение германия в сплаве. Если охлаждать припой со скоростью менее 10°С/с, то происходит коагуляция упрочняющих частиц германия.

При этом количество компонентов выбирают из условия получения припоя, содержащего, мас.%: серебро 1,5-3,5; медь 0,4-1,0; германий 0,1-0,2; олово - остальное.

Основой припоя является тройная эвтектика Sn/Ag/Cu с температурой плавления 217°С. Низкая температура плавления обеспечивает наименьшие энергозатраты и позволяет паять изделия с ограничением по температуре нагрева. Если основные компоненты припоя будут взяты менее нижних или более верхних пределов их количества, то температура плавления основы припоя повысится, поскольку его состав будет отличаться от эвтектического. Кроме того, увеличение содержания компонентов сверх верхнего предела приведет к существенному удорожанию стоимости припоя.

Германий введен в состав припоя как упрочняющий компонент. Уменьшение его содержания от нижнего предела приведет к снижению эффекта упрочнения. Увеличение содержания германия выше верхнего предела повышает прочность припоя незначительно, но ведет к существенному увеличению стоимости припоя.

Примером применения предложенного способа может служить изготовление предлагаемого припоя состава Sn - 2,5Ag - 0,7Cu - 0,15Ge. Сначала смешивали олово - 46,65 г, серебро - 2,5 г, медь - 0,7 г, засыпали в тигель и сверху вводили флюс КЭ, представляющий собой спиртовой раствор канифоли. Далее тигель со смесью ставили в электропечь сопротивления СНОЛ - 1,6.2,5.1/11 - M1 У4,2. После того как полученная смесь расплавилась, ее нагревали до температуры 600°С, после этого в расплав засыпали 0,15 г германия и флюс «Ноколок», представляющий собой смесь KF (46%) и AlF₃ (54%), выдерживали этот расплав в течение 8 минут, перемешивая его. После этого полученный припой выливали на алюминиевый поддон, обеспечивая скорость охлаждения 10°С/с, при этом количество компонентов выбирали из условия получения припоя, содержащего, мас.%: серебро - 2,5; медь - 0,7; германий - 0,15; олово - остальное.

Для определения механических свойств предлагаемого припоя изготавливали литые образцы. Для этого выплавленный по предлагаемому способу припой расплавляли в графитовом тигле и нагревали до 260°С, затем в кокиле отливали образец для испытаний на прочность растяжением. Перед заливкой в кокиль зеркало расплавленного припоя очищали канифолью.

По такой же технологии отливали аналогичные образцы из припоя по прототипу, изготовленному известным способом.

Образцы разрывали на машине Н50КТ со скоростью перемещения захватов 4 мм/мин.

Предел прочности образцов по прототипу составил 51,39 МПа, относительное удлинение 32,19%. Предлагаемый припой, изготовленный по предложенному способу, имел предел прочности 72,86 МПа, а относительное удлинение - 38,54%.

Припоем, изготовленным по предложенному способу, производили пайку медной проволоки диаметром 3,8 мм с квадратной медной пластиной, со стороной 15 мм и толщиной 4 мм, с отверстием диаметром 4 мм в центре. Проволоку и пластину зачищали наждачной бумагой и обезжиривали ацетоном. Флюсование проволоки и зоны пайки пластины производили флюсом «Прима 2». Проволоку вставляли в отверстие в пластине и фиксировали. Собранный образец с размещенной у паяльного зазора навеской припоя 0,15 г нагревали до температуры 250°С в печи СНОЛ - 1,6.2,5.1/11 - M1 У4,2, выдерживали 1 минуту и по визуальному контролю конца формирования галтелей заканчивали выдержку и охлаждали на воздухе.

Прочность паяного образца на срез составила 70,3-77,5 МПа.

Предлагаемый способ изготовления припоя может быть реализован из известных в технике материалов. Для его реализации можно применять известные средства, например графитовые тигли, нагрев компонентов припоя можно осуществлять в известных термических печах, охлаждение припоя со скоростью не менее 10°С/с можно производить разливая припой на алюминиевый поддон, охлаждаемый снизу водой, регулировать скорость охлаждения можно изменяя толщину припоя, разливаемого на поддон.

Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаемый способ изготовления припоя обеспечивает технический эффект, заключающийся в повышении прочности паяных соединений. Следовательно, изобретение обладает промышленной применимостью.

Изобретение может быть использовано при пайке деталей электроники и радиоаппаратуры. Полученный припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: серебро - 1,5...3,5; медь - 0,4...1,0; германий - 0,1...0,2; олово - остальное. При изготовлении припоя смешивают серебро, медь и олово в количестве, выбранном из условия получения припоя приведенного состава. В твердом состоянии засыпают полученную смесь компонентов в тигель. Заливают туда флюс на основе органических соединений. Расплавляют смесь, и расплав нагревают до температуры 600...800°С. В расплав добавляют расчетное количество германия и флюс на основе солевых систем. Выдерживают расплав при этой температуре в течение 5...10 мин, перемешивая его. Охлаждают припой со скоростью не менее 10°С/с. Технология изготовления припоя обеспечивает повышение прочности припоя и паяного соединения за счет того, что германий в процессе изготовления припоя и пайки зафиксирован в виде равномерно распределенной мелкодисперсной фазы.

Способ изготовления припоя, при котором смешивают компоненты в твердом состоянии, добавляют флюс, расплавляют полученную смесь и затем охлаждают ее до комнатной температуры, отличающийся тем, что сначала смешивают серебро, медь и олово, добавляют к ним флюс на основе органических соединений и нагревают расплавленную смесь до температуры 600-800°С, после чего в расплав вводят флюс на основе солевых систем и германий, выдерживают полученный расплав при указанной температуре в течение 5-10 мин, перемешивая его, а затем охлаждают со скоростью не менее 10°С/с, при этом количество компонентов выбирают из условия получения припоя, содержащего, мас.%: серебро 1,5-3,5, медь 0,4-1,0, германий 0,1-0,2, олово - остальное.