ПАЯЛЬНЫЙ НАКОНЕЧНИК, ИМЕЮЩИЙ ПОВЕРХНОСТЬ С РЕШЕТЧАТОЙ СТРУКТУРОЙ Российский патент 2012 года по МПК B23K3/02 

Данное изобретение относится к паяльному наконечнику, предназначенному для паяльного или отпаивающего устройства, которое обычно называют паяльным устройством, и выполненному согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Изобретение, таким образом, в равной степени относится к активным и пассивным паяльным наконечникам. В случае активных наконечников нагревательным (резистивным) элементом при подаче электрической энергии служит непосредственно основная часть, т.е. она выделяет тепло. Напротив, в случае пассивных паяльных наконечников тепло вырабатывается внешним нагревательным элементом и подводится к паяльному наконечнику. Таким образом, указанная основная часть в таком пассивном паяльном наконечнике является в первую очередь проводником тепла. Поэтому основная часть (или "сердечник") пассивного паяльного наконечника часто выполняется из меди или серебра.

Действительно, медь и серебро легко смачиваются материалом припоя. Однако в то же время они показывают очень высокую скорость распада сплава в жидком олове и, следовательно, имеют короткий срок службы.

Известно, что срок службы продлевается путем нанесения гальваническим способом слоя железа на основную часть или "сердечник". Железо еще легче смачивается оловом, но показывает значительно более низкую скорость распада сплава по сравнению с медью или серебром.

Одна из проблем состоит в том, что с недавних пор разрешено использование только таких материалов припоя, которые не содержат свинца. Такие не содержащие свинца материалы припоя увеличивают скорость распада сплава благодаря увеличенному количеству олова в сплаве припоя и благодаря более высокой температуре плавления. Флюсы, необходимые для таких паяльников, также оказывают отрицательное воздействие на срок службы и на смачиваемость слоя железа.

Целью данного изобретения является создание паяльного наконечника, в котором свойства значительно улучшены в течение длительного времени по сравнению с обычными наконечниками паяльников. Эта цель достигается с помощью паяльного наконечника, обладающего признаками, описанными в п.1 формулы изобретения. Предпочтительные свойства изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Уже в случае обычных наконечников паяльников материал контактной поверхности, смачиваемой оловянным припоем, обладает такой конфигурацией, что его атомы расположены в виде структуры металлической или кристаллической решетки. Данное изобретение обеспечивает внедрение заряженных элементарных частиц по меньшей мере одного примесного материала в эту решетчатую структуру контактной поверхности, причем термин "примесный материал" в данном контексте подразумевает любой материал, отличающийся от основного или базового материала контактной поверхности. Исходная структура решетки контактной поверхности изменяется благодаря внедрению заряженных элементарных частиц примесного материала. Неожиданно было обнаружено, что контактная поверхность, таким образом, становится значительно более смачиваемой и, кроме того, механически более стабильной. Оба эти эффекта улучшают долгосрочные реологические свойства паяльного наконечника.

Модифицированная контактная поверхность в соответствии с изобретением является особенно важным преимуществом в ультратонких наконечниках паяльников, используемых в микроэлектронике, поскольку такие наконечники до сих пор показывали только очень низкую собственную устойчивость из-за их конфигурации, и, следовательно, они имеют очень ограниченный срок службы. Поскольку контактная поверхность таких наконечников паяльников может быть стабилизирована механически путем внедрения заряженных частиц, средний срок службы указанных наконечников паяльников также может быть значительно увеличен.

На основную часть сперва может быть нанесен специальный контактный слой, который показывает очень хорошую смачиваемость и поверхностью которого является модифицированная контактная поверхность в соответствии с изобретением. Смачиваемость контактной поверхности, таким образом, улучшается вдвое.

В другом варианте контактная поверхность может быть поверхностью непосредственно основной части. Такой вариант выполнения обеспечивает преимущество, состоящее в том, что паяльный наконечник имеет очень простую конструкцию, поскольку нет необходимости в создании дополнительных слоев на основной части. При отсутствии дополнительных покрытий такой паяльный наконечник может сужаться до значительной степени, что особенно полезно при использовании в микроэлектронике.

В зависимости от типа примесного материала и от типа внедрения заряженные элементарные частицы указанного примесного материала могут быть внедрены в узлы и/или между узлами решетки контактной поверхности.

Целесообразно также внедрение в контактную поверхность заряженных элементарных частиц по меньшей мере одного второго примесного материала в дополнение к заряженным элементарным частицам первого примесного материала. В зависимости от выбора соответствующих примесных материалов происходит либо значительное усиление одного эффекта (например, смачиваемости), либо усиление двух других эффектов (смачиваемости и механической стабильности).

К примесным материалам, заряженные элементарные частицы которых могут быть внедрены в контактную поверхность, могут, например, относиться платина, вольфрам, молибден, титан, кобальт, германий, кремний, мышьяк, галлий, азот или углерод. Внедрение заряженных элементарных частиц платины, вольфрама, молибдена, титана, никеля или кобальта в целом увеличивает срок службы предложенных наконечников паяльников. Если заряженные элементарные частицы германия, кремния, мышьяка или галлия внедрены в решетчатую структуру контактной поверхности, то смачиваемость паяльного наконечника возрастает. Внедрение азота или углерода обеспечивает выдерживание наконечниками паяльников более высокой механической нагрузки.

Предпочтительно заряженные элементарные частицы примесного материала равномерно распределены по контактной поверхности. Долгосрочные реологические свойства на всем паяльном наконечнике могут, таким образом, быть улучшены без образования слабых участков или участков, обладающих уменьшенной смачиваемостью.

Однако, наоборот, возможно также изменение плотности элементарных заряженных частиц по паяльному наконечнику. Таким образом, это может обеспечить особенно высокую механическую прочность самой дальней точки паяльного наконечника или возможность усиления потока материала припоя к дальней точке наконечника.

В соответствии с изобретением заряженные элементарные частицы могут быть внедрены в структуру решетки не только непосредственно на самой контактной поверхности, но также в объеме под ней.

Это может обеспечить преимущество, состоящее в поддержании условий на поверхности даже в случае износа контактной поверхности во время работы паяльного наконечника.

Если заряженные элементарные частицы также присутствуют под контактной поверхностью в объеме паяльного наконечника, то возможно изменение концентрации указанных частиц под контактной поверхностью с увеличением глубины. Например, концентрация заряженных элементарных частиц может уменьшаться, так что при износе паяльного наконечника его смачиваемость будет ухудшаться, таким образом, показывая пользователю, что паяльный наконечник следует заменить.

С другой стороны, возможно также возрастание концентрации заряженных элементарных частиц под контактной поверхностью с увеличением глубины. Благодаря этому, например, внутренняя часть паяльного наконечника может быть сделана механически высокостабильной.

Предпочтительно заряженные элементарные частицы вводятся не только непосредственно на контактную поверхность, но по меньшей мере на расстояние до глубины 0,3 мм под ней. Еще более предпочтительным является введение заряженных элементарных частиц на глубину по меньшей мере 1,0 мм. Таким образом, может обеспечиваться по возможности долгое поддержание улучшенного режима потока материала припоя на паяльном наконечнике даже при его износе.

Возможно изменение глубины, на которую водятся в структуру решетки заряженные элементарные частицы, по паяльному наконечнику. Эта глубина может, например, зависеть от диаметра паяльного наконечника в соответствующем месте.

Если контактный слой нанесен на внешнюю сторону паяльного наконечника, то между основной частью и указанным контактным слоем может быть нанесен по меньшей мере один дополнительный слой, обеспечивающий дополнительную модификацию и улучшение свойств паяльного наконечника.

Например, может быть выполнен по меньшей мере один барьерный слой между основной частью и контактным слоем. Этот барьерный слой может обеспечивать предотвращение проникновения или диффузии заряженных элементарных частиц в более глубокие области паяльного наконечника. Другой барьерный эффект может быть вызван тем, что барьерный слой не смачивается оловянным припоем для обеспечения, таким образом, защиты внутреннего сердечника или основной части паяльного наконечника.

Кроме того, на частях внешней стороны контактной поверхности может быть выполнено защитное покрытие, обеспечивающее предотвращение смачивания контактной поверхности в выбранных местах. Возможно также нанесение такого защитного покрытия в определенных местах, где требуется предотвращение внедрения заряженных элементарных частиц в контактную поверхность. Для этого подходят защитные покрытия, содержащие олово, серебро или золото.

Далее приведено подробное описание предпочтительного варианта изобретения со ссылкой на чертежи, где

фиг.1 изображает продольное сечение первого варианта выполнения предложенного паяльного наконечника;

фиг.2 изображает продольное сечение второго варианта выполнения предложенного паяльного наконечника.

Одинаковые компоненты обозначены на чертежах одинаковыми номерами позиций.

На фиг.1 изображен первый вариант предложенного паяльного наконечника 1 для паяльного устройства. Наконечник 1 обладает осевой симметрией и содержит по существу цилиндрический стержень 2 и примыкающую коническую часть 3. Изображенный вариант выполнения относится к пассивному наконечнику 1, содержащему внутри теплопроводящую основную часть 4, которая может, например, быть выполнена из меди или серебра. В активном паяльном наконечнике основная часть 4 содержит нагревательный элемент и, возможно, датчик температуры.

На цилиндрическом стержне 2 выполнен крепежный элемент 5, который в данном случае выполнен в виде выемки, с помощью которой паяльный наконечник может быть прикреплен к паяльному устройству. Например, наконечник 1 может быть присоединен к паяльнику паяльного устройства. Для обеспечения лучшего захвата на паяльнике в крепежном элементе 5 может быть выполнен паз.

На поверхность основной части 4 нанесен барьерный слой 6, который не смачивается материалом припоя и сплавлен с поверхностью основной части 4. Если барьерный слой 6 выполнен из металла, он может быть присоединен к основной части 4, в частности, с помощью плавления металла. Указанный слой имеет толщину от 50 мкм до 1 мм и служит для защиты основной части 4 от смачивания и, таким образом, от ее удаления материалом припоя.

На внешнюю сторону барьерного слоя 6 нанесен контактный слой 7, который имеет структуру кристаллической решетки и содержит внутреннюю область 8 и внешнюю область 9. В рабочей зоне 10 на переднем конце наконечника 1 внешняя область 9 контактного слоя 7 обнажена, и ее открытая поверхность образует контактную поверхность 11, смачиваемую материалом 12 припоя.

Заряженные элементарные частицы примесного материала внедряются в решетчатую структуру внешней области 9 контактного слоя 7 и, таким образом, также в решетчатую структуру контактной поверхности 11. В изображенном варианте выполнения контактный слой 7 является слоем железа. Заряженные элементарные частицы платины, вольфрама, молибдена, титана, никеля, кобальта, германия, кремния, мышьяка, галлия, азота и/или углерода вводятся во внешние области 9 контактного слоя 7 для обеспечения улучшения, таким образом, долгосрочных реологических свойств наконечника 1.

За рабочей областью 10 на задней части наконечника 1, на несущем слое 13 выполнен защитный слой 14, причем указанный несущий слой 13 выполнен, например, из никеля, а защитный слой 14 - из хрома. Слой 14 из хрома не смачивается материалом 12 припоя, что, таким образом, предотвращает течение указанного материала 12 к стержню 2 наконечника 1. Защитный слой или защитное покрытие 14 может также содержать олово, серебро или золото.

На фиг.2 изображен второй вариант выполнения предложенного паяльного наконечника 20, имеющего намного более простую конструкцию, чем наконечник 1 первого варианта выполнения. Наконечник 20 также содержит теплопроводящую основную часть 4 с крепежным элементом 5, выполненным в виде выемки. Однако наконечник 1 не имеет барьерного слоя и специального контактного слоя. Вместо этого заряженные элементарные частицы примесного материала, отличающегося от материала основной части 4, внедряются в поверхностный слой 21 указанной основной части 4. Поверхностный слой 21 проходит до глубины Т. В рабочей зоне 10 наконечника 20 поверхностный слой 21 обнажен, так что его внешняя сторона представляет собой контактную поверхность 11. В решетчатую структуру указанной контактной поверхности 11 также внедряются заряженные элементарные частицы примесного материала (или нескольких примесных материалов). Таким образом, смачиваемость наконечника 20 и долгосрочные реологические свойства материала припоя улучшаются. Поскольку барьерный слой и специальный контактный слой отсутствуют, наконечник 20 второго варианта выполнения может быть изготовлен с меньшей стоимостью, а также может иметь меньшие размеры, чем наконечник 1 первого варианта выполнения. Во втором варианте выполнения наконечник 20 также содержит защитное покрытие 14 на задней части, расположенной за рабочей зоной 10.

Предложенный паяльный наконечник может быть подвергнут различным модификациям на основе представленных вариантов. Например, возможно внедрение заряженных элементарных частиц различных примесных материалов в решетчатую структуру контактной поверхности 11. Прежде всего, также возможно явное отклонение от геометрии паяльных наконечников 1, 20, показанных на чертежах. Кроме того, показанные пропорции определенно не соответствуют масштабу, в особенности, поскольку они могут изменяться для каждого варианта. В более простом варианте защитное покрытие 14 также может отсутствовать.

Изобретение может быть использовано при изготовлении ультратонких наконечников, применяемых в микроэлектронике. Паяльный наконечник (1) содержит генерирующую или проводящую тепло основную часть (4). На внешней стороне он имеет контактную поверхность (11), по меньшей мере, части которой могут смачиваться оловянным припоем (12). В структуру кристаллической решетки указанной контактной поверхности (11), а также в решетчатую структуру под контактной поверхностью (11) внедрены заряженные частицы по меньшей мере одного примесного материала. Примесный материал выбран из группы, содержащей платину, вольфрам, молибден, титан, никель, кобальт, германий, кремний, мышьяк, галлий, азот и углерод. Заряженные частицы могут быть внедрены в решетчатую структуру по меньшей мере на глубину 0,3 мм ниже контактной поверхности (11), предпочтительно на глубину 1,0 мм. Концентрация заряженных частиц под контактной поверхностью (11) может изменяться с увеличением глубины. Распределение их по контактной поверхности (11) может быть равномерным или с изменяющейся плотностью. Между основной частью (4) и контактным слоем (7) может быть расположен барьерный слой (6). На участках контактной поверхности (11) может быть выполнено защитное покрытие (14). Модифицирование контактной поверхности с помощью указанных заряженных частиц обеспечивает ее механическую стабильность, улучшает смачиваемость и долгосрочные реологические свойства паяльного наконечника. 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Паяльный наконечник (1) для паяльного устройства, содержащий генерирующую тепло или проводящую тепло основную часть (4) и имеющий на внешней стороне контактную поверхность (11), по меньшей мере части которой могут смачиваться оловянным припоем (12), причем атомы материала контактной поверхности (11) расположены в виде структуры кристаллической решетки, отличающийся тем, что заряженные частицы по меньшей мере одного примесного материала внедрены в решетчатую структуру указанной контактной поверхности (11), а также в решетчатую структуру под контактной поверхностью (11).

2. Паяльный наконечник по п.1, отличающийся тем, что указанная контактная поверхность (11) является поверхностью контактного слоя (7), расположенного на основной части (4).

3. Паяльный наконечник по п.1, отличающийся тем, что указанная контактная поверхность (11) является поверхностью основной части (4).

4. Паяльный наконечник по п.1, отличающийся тем, что заряженные частицы внедрены в узлы и/или между узлами решетчатой структуры контактной поверхности (11).

5. Паяльный наконечник по п.1, отличающийся тем, что, кроме заряженных частиц первого примесного материала, в контактную поверхность (11) также внедрены заряженные элементарные частицы по меньшей мере одного второго примесного материала.

6. Паяльный наконечник по п.5, отличающийся тем, что первый и/или второй примесный материал выбраны/выбран из группы, содержащей платину, вольфрам, молибден, титан, никель, кобальт, германий, кремний, мышьяк, галлий, азот и углерод.

7. Паяльный наконечник по п.1, отличающийся тем, что заряженные частицы примесного материала равномерно распределены по контактной поверхности (11).

8. Паяльный наконечник по п.1, отличающийся тем, что плотность заряженных элементарных частиц изменяется по указанному наконечнику (1).

9. Паяльный наконечник по п.1, отличающийся тем, что концентрация заряженных частиц под контактной поверхностью (11) изменяется с увеличением глубины.

10. Паяльный наконечник по п.1, отличающийся тем, что концентрация заряженных элементарных частиц под контактной поверхностью (11) уменьшается с увеличением глубины.

11. Паяльный наконечник по п.1, отличающийся тем, что заряженные частицы внедрены в решетчатую структуру по меньшей мере на глубину (Т) 0,3 мм ниже контактной поверхности (11), предпочтительно на глубину по меньшей мере 1,0 мм.

12. Паяльный наконечник по п.1, отличающийся тем, что глубина, на которую заряженные элементарные частицы внедрены в решетчатую структуру, изменяется по указанному наконечнику (1).

13. Паяльный наконечник по п.2, отличающийся тем, что между основной частью (4) и контактным слоем (7) расположен по меньшей мере один дополнительный слой (6).

14. Паяльный наконечник по п.2, отличающийся тем, что между основной частью (4) и контактным слоем (7) расположен по меньшей мере один барьерный слой (6).

15. Паяльный наконечник по п.14, отличающийся тем, что указанный барьерный слой (6) является несмачиваемым для оловянного припоя (12).

16. Паяльный наконечник по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что по меньшей мере на участках указанной контактной поверхности (11) выполнено защитное покрытие (14).

17. Паяльный наконечник по п.16, отличающийся тем, что указанное защитное покрытие (14) содержит олово, хром, серебро или золото.