Припой для бесфлюсовой пайки и способ его изготовления Российский патент 2017 года по МПК B23K35/26 B23K35/40 

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 мощных электрорадиоизделий на теплоотводящие основания.

Известен способ диффузионной пайки [1] припоем, содержащим равные части галлия, олова и металлического наполнителя.

Недостатками этого припоя являются высокая температура пайки (припой и детали должны иметь температуру не ниже 70°C), большая вязкость композиции и сложная технология ее приготовления и применения, требующая создания разряжения до 10^-5-10^-6 мм. рт.ст. с последующим напуском инертного газа.

Известен припой для бесфлюсовой пайки [2], содержащий, масс. %:

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

Недостатком этого припоя является высокая вязкость припоя и необходимость в постоянном подогреве инструментов и материалов (температура плавления галлия 30°C), что доставляет неудобства в работе.

Известен припой для бесфлюсовой пайки разнородных материалов [3], содержащий, масс. %:

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

Недостатком этого припоя является также необходимость подогрева припоя и соединяемых деталей, высокая вязкость композиции и необходимость работать с использованием давления, что невозможно при монтаже мощных электрорадиоизделий (например, бескорпусных монолитных интегральных микросхем).

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является способ с использованием припоя для бесфлюсовой пайки, включающий галлий, медь с размером частиц 25-45 мкм и олово [4] при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Галлий 54-66,5 Медь 30-40 Олово 3,5-7

К недостаткам прототипа можно отнести:

- неудобство нанесения и низкая смачивающая способность припоя при комнатной температуре (температура плавления эвтектической смеси галлий + олово 20°C [5]);

- высокая вязкость припоя, большая толщина паяного шва;

- малое время жизнеспособности припоя (отверждение начинается через 15 минут) и высокая вязкость, что затрудняет работу с ним при монтаже мощных электрорадиоизделий.

Задачей изобретения является создание композиции припоя и способа его изготовления, позволяющего производить пайку мощных электрорадиоизделий (в частности, кристаллов монолитных интегральных микросхем) на теплоотводящие основания при комнатной температуре (15-35°C) и контактном давлении.

Техническим результатом является увеличение времени жизнеспособности припоя и механической прочности соединения, снижение времени отверждения припоя.

Технический результат достигается тем, что при получении припоя для бесфлюсовой пайки разнородных материалов, индий вводят в расплав галлия, после чего вводят медный порошок с размером частиц 25-40 мкм, причем содержание компонентов выбирают из условия получения припоя следующего состава, мас.%:

Галлий 50-60; Индий 10-15; Медь Остальное

Медный порошок перед введением в состав припоя подвергают обработке (декапированию) раствором соляной кислоты.

Частицы медного порошка после декапирования покрывают тонким слоем серебра.

На первом этапе галлий помещают во фторопластовый стакан, нагревают до температуры 40-60°C и при механическом перемешивании вводят индий. Введение индия в расплав галлия понижает температуру плавления до 15°C и позволяет в дальнейшем работать с составом при комнатной температуре. На втором этапе в полученный расплав вводят медный порошок и механически перемешивают до получения однородной массы. Полученная композиция сохраняет жизнеспособность в течение 2 часов. Композицией смачивают поверхности соединяемых деталей и с помощью пленочной маски формируют на одной из поверхностей слой композиции толщиной 100-150 мкм, после чего поверхности совмещают. Отверждение состава осуществляется без приложения давления по одному из режимов:

при температуре 80°C в течение 18 часов, или

при температуре 120°C в течение 4 часов, или

при температуре 150°C в течение 1 часа.

Данный (заявляемый) припой для диффузионной пайки обладает следующими свойствами:

прочность паяного шва при отрыве (на титановых брусках 10×10×30 мм с покрытием НЗ.ЗлЗ) не менее 80 кгс/см удельное объемное электрическое сопротивление отвержденного припоя 1,2⋅10^-5 Ом⋅см теплопроводность отвержденного припоя (расчетная) 92 Вт/м⋅K

Воздействие климатических факторов не ухудшает прочностные и электрические показатели припоя.

При проведении экспериментальных работ с припоями для диффузионной пайки была выявлена некоторая нестабильность времени жизнеспособности и отверждения композиций, содержащих медный порошок. Было установлено, что данное явление проявляется только при длительном хранении порошка и обусловлено наличием оксидной пленки на поверхности частиц меди. Одним из путей решения данной проблемы является обработка медного порошка (декапирование) раствором соляной кислоты с последующей отмывкой дистиллированной водой и сушкой.

При необходимости длительного хранения медного порошка, используемого для приготовления припоев возможно покрытие частиц медного порошка тонким слоем серебра. Для этого медный порошок помещается в раствор, содержащий 26-52 г/л AgNO₃, 60-240 г/л лимонной кислоты и 40-80 г/л тиомочевины, и перемешивается при комнатной температуре в течение 10-20 минут. Затем медный порошок отделяется (седиментацией или фильтрованием), промывается дистиллированной водой и сушится. Эта технология обработки металлического наполнителя позволяет уменьшить время отверждения припоя до 1,5 часов по сравнению с заявляемой композицией и увеличить прочность клеевого соединения при отрыве с 80 кгс/см² до 100-120 кгс/см².

Использование галлия и индия в указанном соотношении и наполнителя - медного порошка с указанным размером частиц обеспечивает возможность пайки при комнатной температуре, низкую вязкость композиции, позволяющую производить пайку мощных электрорадиоизделий без приложения давления (при контактном давлении), высокую механическую прочность, минимальную толщину и высокую теплопроводность паяного шва.

Список литературы

1. Патент РФ: RU 2053063 от 27.01.1996, МПК⁶ B23K 1/00 - «Способ пайки деталей диффузионно-твердеющими припоями».

2. Патент РФ: RU 2317882 от 27.02.2008, МПК⁸ B23K 35/26 - «Припой для бесфлюсовой пайки».

3. Патент РФ: RU 2432242 от 27.10.2011, МПК⁸ B23K 35/28 - «Припой для бесфлюсовой пайки».

4. Патент РФ: RU 2498889 от 20.11.2013, МПК⁸ B23K 35/26 - «Припой для бесфлюсовой пайки».

5. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т. 2 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1997. - 1024 с.

Изобретение может быть использовано для получения неразъемных соединений разнородных материалов пайкой диффузионно-твердеющими припоями на основе галлия. При получении припоя в расплав галлия вводят индий и в полученный расплав вводят наполнитель в виде медного порошка с размером частиц 25-40 мкм. Медный порошок перед введением в расплав обрабатывают раствором соляной кислоты (декапируют) и покрывают его частицы слоем серебра. Содержание компонентов выбирают из условия получения припоя следующего состава, мас.%: галлий 50-60, индий 10-15, медный порошок остальное. Припой позволяет производить пайку мощных электрорадиоизделий, в частности кристаллов монолитных интегральных микросхем, на теплоотводящие основания при комнатной температуре и контактном давлении. 2 н.п. ф-лы.

1. Способ получения припоя для бесфлюсовой пайки разнородных материалов, включающий введение индия в расплав галлия и последующее введение в полученный расплав наполнителя в виде медного порошка с размером частиц 25-40 мкм, при этом медный порошок перед введением в полученный расплав обрабатывают раствором соляной кислоты и покрывают его частицы слоем серебра, а содержание компонентов выбирают из условия получения припоя следующего состава, мас.%:

Галлий 50-60 Индий 10-15 Медный порошок Остальное

2. Припой для бесфлюсовой пайки разнородных материалов, содержащий галлий и индий, а также наполнитель в виде медного порошка, частицы которого предварительно обработаны раствором соляной кислоты и покрыты слоем серебра и имеют размер 25-40 мкм, при следующем содержании компонентов припоя, мас.%:

Галлий 50-60 Индий 10-15 Медный порошок Остальное