ПРИПОЙ ДЛЯ БЕСФЛЮСОВОЙ ПАЙКИ Российский патент 2011 года по МПК B23K35/28 

Изобретение относится к пайке диффузионно-твердеющими припоями на основе галлия и может быть использовано для получения неразъемных соединений разнородных материалов, в частности для низкотемпературной бесфлюсовой пайки керамики с металлами.

Известен припой на основе серебра (патент РФ №2367552, МПК B23K 35/28, C22C 5/08, опубл. 20.09.2009), содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Серебро 39-41 Медь 30-35 Цинк 22-36 Индий 1-3 Олово 1-2

Недостатком этого припоя является высокое содержание серебра, сложность нанесения порошкового припоя на припаиваемые поверхности, высокая температура пайки.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является припой для бесфлюсовой пайки (патент РФ №2317882, МПК B23K 35/26, опубл. 27.02.2008), включающий галлий, медно-серебряный сплав с размером частиц 5-10 мкм, медно-оловянный сплав с размером частиц 40-60 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Галлий 45-50 Медно-серебряный сплав 8-12 Медно-оловянный сплав остальное

Недостатком этого припоя является высокое содержание галлия, высокая хрупкость и низкая прочность паяного соединения керамики с металлами из-за разности коэффициентов температурного расширения припаиваемых керамики и металлов.

Задачей изобретения является снижение расхода дорогостоящего галлия и повышение прочности паяного соединения керамики с металлами.

Поставленная задача решается тем, что припой для бесфлюсовой пайки разнородных материалов, включающей галлий, медно-серебряный сплав, согласно изобретению дополнительно содержит оксид алюминия, цинк и латунь, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Галлий 32-45 Медно-серебряный сплав 8-12 Оксид алюминия 0,5-3 Цинк 3-7 Латунь остальное

В латуни содержится цинк до 37 мас.%, остальное - медь.

Пример:

Для получения припоя были приготовлены три смеси компонентов, массовый состав которых приведен в табл.1.

Таблица 1 № состава Состав припоев Медно-серебряный сплав Галлий Оксид алюминия Цинк Латунь 1 8 32 0,5 3 Остальное 2 10 37,5 2 5 Остальное 3 12 45 3 7 Остальное

Для приготовления припоя использовались: галлий; цинк с размером частиц 10-20 мкм; латунь с содержанием цинка до 37 мас.%, остальное - медь, с размером частиц 40-60 мкм; медно-серебряный сплав с содержанием меди 28 мас.%, серебро - остальное, с размером частиц 5-10 мкм и оксид алюминия с размером частиц 0,7 мкм. На первом этапе галлий помещают во фторопластовый тигель, нагревают до температуры 40-60°C и при механическом перемешивании вводят цинк. Введение цинка в расплав галлия понижает температуру плавления и обеспечивает равномерное распределение компонентов смеси в пасте. На втором этапе в полученный расплав вводят латунь, медно-серебряный сплав, оксид алюминия и механически перемешивают до получения однородной массы.

Полученную пасту применяют сразу после ее приготовления. Для осуществления процесса пайки пасту наносят на предварительно облуженные галлием заготовки равномерным тонким слоем и подвергают изотермической выдержке при температуре 70, 150 и 200°C.

После затвердения производят испытания по определению механической прочности припоев, образцы изготавливают по ГОСТ 28830-90 (ИСО 5187-85). На крутильно-разрывной машине МИ-40КУ определяют прочность паяного соединения на срез. Температура распая была определена по ГОСТ 21547-81 и составила 750-780°C. Критический коэффициент интенсивности напряжений (К_1C) определялся при нагрузке 100 H по методу Палмквиста путем измерения длины трещины, распространяющейся от угла отпечатка пирамидки Виккерса, для этого использовался прибор ТП-7Р-1 и оптический микроскоп ZEISS Observer. Z1m. Результаты испытаний приведены в табл.2.

Использование в составе припоя порошков различной дисперсности обеспечивает высокую скорость фазообразования при взаимодействии порошков с жидким расплавом галлия и цинка и обеспечивает высокую механическую прочность припоя за счет уменьшения внутренней пористости при высокой скорости затвердевания. Введение в состав припоя оксида алюминия частично уравнивает коэффициенты температурного расширения припаиваемых керамики и металла, что также повышает прочность паяного соединения.

Таблица 2 № состава Время затвердения (час) при температуре затвердения (°C) Прочность на срез (МПа) при температуре затвердения (°C) Критический коэффициент интенсивности напряжений, К_1C, МПа·м^1/2   70 150 200 70 150 200 2,9 1 0,8 0,5 0,3 50 55 55 3 2 0,7 0,5 0,25 53 57 57 3,5 3 0,8 0,6 0,35 50 50 50 3 Прототип 0,8 0,5 0,3 46 50 50 2,8

Проведенные испытания показали, что лучшие показатели скорости затвердения, прочности на срез и критического коэффициента интенсивности напряжения получены на припое с составом №2. Высокая скорость взаимодействия частиц многофракционной смеси с расплавом галлия и цинка позволяют снизить стоимость припоя и увеличить его прочность.

Изобретение может быть использовано для получения неразъемных соединений разнородных материалов, в частности для низкотемпературной бесфлюсовой пайки керамики с металлами диффузионно-твердеющими припоями на основе галлия. Припой включает компоненты в следующем соотношении, мас.%: галлий 32-45; медно-серебряный сплав 8-12; оксид алюминия 0,5-3; цинк 3-7; латунь - остальное. Латунь содержит цинк до 37 мас.% и медь - остальное. Припой обеспечивает повышение прочности паяного соединения. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Припой для бесфлюсовой пайки разнородных материалов, содержащий галлий, медно-серебряный сплав, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид алюминия, цинк и латунь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Галлий 32-45 Медно-серебряный сплав 8-12 Оксид алюминия 0,5-3 Цинк 3-7 Латунь остальное.

2. Припой по п.1, отличающийся тем, что латунь содержит цинк до 37 мас.%, остальное медь.