Флюс для низкотемпературной пайки Российский патент 2021 года по МПК B23K35/363 

Предлагаемое изобретение относится к области пайки, а более конкретно, к составам флюсов с повышенной термостойкостью для низкотемпературной пайки в широком интервале температур 150-350°С на воздухе, не содержащих в составе щелочей и кислот.

В настоящее время для обеспечения пайки различных металлов и сплавов в интервале температур 250-350°С предложено много флюсов различных составов, например: флюсов, в основе которых лежит канифоль как в чистом виде, так и в разных ее модификациях с добавками хлоридов и кислот, флюсов, в составы которых входят комбинации различных галогенидов легких и тяжелых металлов, а также флюсов, включающих разнообразные полярные растворители и органические соединения с добавками хлоридов и фторидов [Справочник по пайке./ Под ред. И.Е. Петрунина. - 2-ое изд. перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1984. Стр. 119-12, Справочник по пайке. Под ред. С.Н. Лоцманова, И.Е. Петрунина, В.П. Фролова. М.: Машиностроение, 1975. Стр. 112-114, Припои и флюсы для пайки. Марки, состав, свойства и области применения ОСТ4ГО.033.200. Стр. 44, 45].

Однако подавляющее большинство этих флюсов при использовании имеет ряд недостатков, например, сильное газо- и дымовыделение, осмоление с образованием плохо удаляемых остатков, краткое время флюсующего воздействия, что требует постоянной подпитки свежего флюса. В результате не до конца смытые остатки флюса могут стать концентраторами нежелательных электрохимических процессов во время работы изделий электронной техники. Также наличие этих компонентов в составе вносит негативный вклад в окружающую среду.

Еще одним недостатком является наличие узкого интервала температур активности флюса.

Известен флюс [JPH05185277A], представляющий собой смесь спиртов, высшую карбоновую кислоту и тиксотропную добавку. Он не содержит токсичных компонентов, за исключением органических кислот, но применим для пайки в интервале температур до 250°С.

Известен также флюс [JP2007216296], который работает в более широком интервале температур (250-350°С), сохраняющий свои флюсующие свойства в процессе пайки. Флюс содержит сахариды, часть которых является активатором, многоатомные спирты, содержащие от 4-х до 6-ти гидроксильных групп в качестве растворителя и тиксотропный агент.

Недостатком данного флюса является то, что пайка с его участием возможна только в инертной среде (в атмосфере аргона или азота). В противном случае в атмосфере воздуха при высокой температуре (350°С) флюс претерпевает термоокисление, что затрудняет его удаление после пайки.

Техническим результатом изобретения является обеспечение пайки на воздухе при температуре до 350°С, улучшение растекаемости припоя и легкое удаление остатков флюса деионизованной водой. Кроме этого, данный флюс позволяет паять низкотеплопроводные материалы, такие как низкотемпературная вжигаемая керамика, металлизированная серебросодержащей пастой, с сохранением флюсующих свойств на протяжении всего процесса, то есть обеспечение необходимой растекаемости припоя, удаление оксидной пленки с припоя и паяемых поверхностей и дальнейшая защита припоя от окисления в процессе спаивания.

Технический результат изобретения достигается тем, что флюс для пайки, содержит активатор, сахариды, растворитель и тиксотропный агент, дополнительно содержит ребаудиозид А в составе сахаридов, в качестве активатора он содержит карбонаты натрия или калия, в качестве тиксотропного агента - гидрогенизированное касторовое масло, а в качестве растворителя - глицерин или смесь глицерина и диглицерола, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Активатор 1,6-3,1 Сахариды 9-14 Тиксотропный агент до 0,1 Растворитель остальное

Сахариды следующего ряда: эритритол, ксилитол, малтитол, лактитол, рибитол, маннитол - дополнительно содержат ребаудиозид А, причем количество гидроксогрупп в составе этих веществ позволяет получить подходящую липкость флюса к паяемым поверхностям, кроме того, эти сахариды хорошо растворимы в указанных растворителях

Процентное содержание сахаридов выше верхнего предела снижает подвижность жидкой фазы флюса и выходит за пределы растворимости в указанных растворителях. Содержание сахаридов ниже указанного предела приводит к излишне быстрому испарению жидкой фазы флюса и увеличению твердых остатков флюса на паяемых поверхностях, что затрудняет последующее удаление его остатков.

Добавка ребаудиозида А к сахаридам снижает закрепление остатков флюса после пайки, что позволяет провести легкое удаление остатков флюса деионизованной водой, при этом содержание ребаудиозида А не должно превышать 2% общей массы флюса, поскольку начинает проявляться ингибирующий эффект, то есть активность флюса падает.

Процентное содержание активатора выше указанного предела затрудняет растворение карбонатов натрия или калия, что приводит к увеличению количества твердых компонентов и как следствие, затрудняет удаление остатков флюса в потолке заявленного температурного интервала.

В качестве тиксотропного агента могут применяться гидрогенизированное касторовое масло. Присутствие тиксотропного агента увеличивает смачиваемость флюса, при этом не меняется термостойкость флюса, и снижается осмоление во время пайки. Процентное содержание компонента выше указанного предела приводит к отделению его от раствора, а отсутствие тиксотропного агента приводит к снижению смачиваемости флюса.

В качестве растворителя применяется глицерин или смесь глицерина и диглицерола, которые имеют высокую точку кипения и способность растворить все компоненты флюса.

Примеры осуществления заявленного изобретения. Флюс приготавливают следующим образом. В емкость, содержащую необходимое процентное количество растворителя, вводят компоненты флюса в соответствии с их процентным содержанием, нагревают смесь на водяной бане при постоянном перемешивании, на температуре 100°С выдерживают до полного растворения компонентов. После охлаждения емкости с раствором до комнатной температуры флюс готов к применению.

Эффективность предложенного состава флюса проверялась экспериментально.

Для проверки растекаемости припоя с использованием заявленного флюса проводили лужение тремя видами (А, Б, В) припоев: SnPb63 (А); SnAg5.0 (Б); AuSn80 (В), точки плавления которых находятся в заявленном температурном диапазоне (до 350°С).

Были использованы образцы для лужения и пайки:

- образец 1 изготовлен из псевдосплава МД-50, покрытый золотом (далее -МД-50);

- образец 2 изготовлен из сплава Д16, покрытый никелем (далее - Д16);

- образец 3 изготовлен из низкотемпературной вжигаемой керамики (LTCC), покрытый серебросодержащей пастой.

Лужение производили с помощью пластинок припоев размером 1×1 мм, изготовленных из фольги толщиной 100 мкм (AuSn80 - 25 мкм).

Для каждого вида образца были использованы 3 состава заявленного флюса (представлены в таблице 1, состав I, II, III).

Капли флюса наносили на поверхность образцов перед укладкой пластинок, далее образцы нагревали до температуры лужения. Лужение проводили в 2 этапа: сначала нагревали образцы до температуры 150-160°С с выдержкой 30 секунд, затем нагревали до температуры оплавления припоя SnPb63 - 210°C; SnAg5.0 - 240°C; AuSn80 - 320-340°C. После визуального подтверждения расплавления припоя образцы охлаждали до комнатной температуры, затем окунали в деионизованную воду комнатной температуры до полного растворения остатков флюса. Продували образцы сжатым воздухом и вычисляли коэффициент растекаемости навески припоя для каждого образца.

Коэффициент растекаемости Кр припоя является показателем активности флюса. Коэффициент растекаемости Кр припоя согласно [Припои и флюсы для пайки. Марки, состав, свойства и области применения ОСТ4ГО.033.200. Стр. 51] определялся по формуле:

Кр = Sp/So, где

Sp - площадь, занятая припоем после его расплавления, мм²;

So - площадь, занятая припоем до его расплавления, мм².

Значение коэффициента Кр ≥ 1 является показателем того, что припой имеет достаточную смачиваемость к паяемым поверхностям и позволяет создать качественное и надежное паянное соединение, следовательно, применение флюса эффективно.

В таблице 2 приведены значения коэффициентов растекаемости припоев образцов при использовании указанных составов флюса для каждого из образцов.

Как видно из данных в таблицах 1 и 2, указанные в формуле изобретения соотношения компонентов флюса обеспечивают необходимые значения коэффициента растекаемости припоев SnPb63, SnAg5.0, AuSn80, с блестящими или светло-матовыми поверхностями припоев, повторяющие формы заготовок, без раковин и необлуженных участков.

Представленные результаты обосновывают правильность числовых значений соотношений компонентов, указанных в формуле изобретения.

Таким образом, предлагаемый флюс для низкотемпературной пайки обладает повышенной термостойкостью в интервале температур 150-350°С.

Несомненным достоинством заявленного флюса является то, что после пайки и лужения его остатки легко удаляются деионизованной водой, что исключает применение органических растворителей, к тому же нельзя не отметить простоту его изготовления, доступность компонентов отечественного производства и полное отсутствие токсичных веществ в его составе.

Изобретение относится к составам флюсов с повышенной термостойкостью, не содержащих в составе щелочей и кислот, предназначенных для низкотемпературной пайки в интервале температур 150-350°С на воздухе. Флюс для пайки содержит активатор, сахариды, растворитель и тиксотропный агент. В качестве активатора флюс содержит карбонаты натрия или калия, а сахариды дополнительно содержат ребаудиозид А, при следующем соотношении компонентов, мас. %: активатор 1,6-3,1, сахариды 9-14, тиксотропный агент до 0,01, растворитель остальное. Флюс позволяет паять низкотеплопроводные материалы, такие как низкотемпературная вжигаемая керамика, металлизированная серебросодержащая паста (далее - LTCC), с сохранением флюсующих свойств на протяжении всего процесса и удалением остатков флюса деионизованной водой. 2 табл.

Флюс для низкотемпературной пайки, содержащий активатор, сахариды, растворитель и тиксотропный агент, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ребаудиозид А в составе сахаридов, в качестве активатора он содержит карбонаты натрия или калия, в качестве тиксотропного агента - гидрогенизированное касторовое масло, а в качестве растворителя - глицерин или смесь глицерина и диглицерола, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Активатор 1,6-3,1 Сахариды 9-14 Тиксотропный агент до 0,1 Растворитель остальное