Припой для лужения и пайки алюминия и его сплавов Советский патент 1992 года по МПК B23K35/26 

Изобретение относится к пайке, в частности к припоям для бесфлюсовой пайки алюминия и его сплавов с керамическими подложками интегральных схем, и может быть использовано в электронной и радиопромышленности.

Известны легкоплавкие припои, содержащие олово и упрочненные армирующими металлическими частицами никеля или железа размером 40 - 100 мкм в количестве 5 - 15% от массы припоя. Введение таких частиц приводит к повышению прочности легкоплавких припоев. Однако эти припои затруднительно использовать для бесфлюсового лужения алюминия из-за плохого смачивания ими алюминия.

Известны припои, использующиеся в бесфлюсовых способах лужения и пайки алюминия и его сплавов, в частности при кавитационно-абразивной пайке, например

припои системы олово-цинк, в которые вводится порошок ферротитана дисперсностью 0.6 - 1,4 мм в количестве 1 - 7% от массы припоя, выполняющий роль абразивных частиц при кавитационно-абразивной пайке.

В припоях с содержанием цинка Sn - 20% Zn, Sn - 50% Zn роль абразивных частиц играют первичные кристаллы цинка, находящиеся в припое при его жидкотвердом состоянии.

Недостатком этих припоев является то. что их применение связано с использованием ультразвука, в то же время известно, что ультразвуковое лужение алюминия - малопроизводительный процесс. Кроме того, применение припоев при пайке металлизированной керамики с алюминием и его сплавами не обеспечивает достаточно прочного паяного соединения.

х|

S

Ы

Из известных припоев наиболее близким к заявляемому являются легкоплавкие припои системы олово-алюминий-цинк. Припои данной системы при заданном составе, мае.%: Sn 6G; Л 4; Zn 30, соответствует перитектике.

Частицы твердой фазы малых размеров, содержащиеся в перитектике, взаимодействуя с поверхностью алюминия, осаждаются на ней, образуя дисперсную среду, которая и обеспечивает формирование благоприятных свойств паяного шва.

Недостатком этого припоя является наличие в составе высоколетучего цинка, что ограничивает сверху температуру лужения этим припоем, ухудшает условия труда. Кроме того, припой обеспечипает не вполне высокую прочность паяного соединения алюминия с керамическими платами интегральных схем.

Целью изобретения является повышение прочности паяного соединения алюминия и его сплавов с металлизированной керамикой, а также исключение из состава припоев высоколетучих металлов, обладающих токсичными свойствами.

Поставленная цель достигается тем, что для лужения и пайки алюминия и его сплавов используется припой, содержащий, мас.%: алюминий 5 - 15; олово 85 - 95; порошок никеля размером 40 - 100 мкм в количестве 4 - 10% от массы припоя.

Наличие алюминия в припое обеспечивает повышение взаимодействия припоя с поверхностью алюминиевого изделия. Дальнейшее содержание алюминия в сплаве ухудшает прочностные свойства паяного соединения. Наличие в составе припоя армирующих частиц никеля повышает прочность легкоплавкого припоя. Более высокое содержание никеля в припое ухудшает пластические свойства припоя.

Высокая прочность паяного соединения алюминия с металлизированной керамикой объясняется тем, что припой указанного состава содержит как частицы никеля, тзк и микрочастицы алюминия эвтектики Sn - Al, смоченные припоем. Некоторая доля этих частиц вместе с частицами никеля оседает на поверхность алюминиевого изделия и таким образом создастся дисперсная среда, которая способствует усилению растворения окисной пленки алюминия и ускорению масеопереноса (за счет капиллярных процессов) между жидкой и твердой фазами, что способствует формированию более прочностных свойств паяного соединения. Армирование припоя частицами никеля увеличивает прочность припоя и в том числе после термоциклов, так как наличие никеля в припое уменьшает различие в тепловых коэффициентах расширения алюминия и металлизированной керамики. Заявляемый припой не содержит высоколетучих компонентов в отличие от прототипа, в состав которого входит цинк. Поэтому использование предлагаемого припоя улучшает условия труда при пайке. Дополнительным преимуществом заявляе0 мого припоя по сравнению с прототипом является более высокая стойкость его к окислению.

Оптимальным составом является состав припоя, мас.%: алюминий 10; олово 90; порошок никеля размером 40 - 100 мкм в ко5 личестве 5% от массы припоя.

Прочность на разрыв о паяных соединений алюминия с металлизированной керамикой показана в таблице.

Пример 1. Берется алюминиевая пластина высокой чистоты толщиной 3 мм и

0 размером 20 х 40 мм и активируется ее поверхность путем механической обработки (зачистка напильником или шлифовальной бумагой). Затем образец нагревается с по- мош,ыо злектропечки на воздухе до 240°С.

5 При этой температуре осуществляют натирание вручную припоем состава, мас.%: олово 90; алюминий 10; порошок никеля размером 40 - 100 мкм в количестве 5% от массы припоя. Металлической щеткой или

0 скребком создают равномерный слой припоя на поверхности. Затем или проводят пайку обычным способом, или луженую пластину охлаждают. При этом луженый слой при длительном хранении практически не

5 окисляется и п любое время можно осуществлять пайку.

Пример 2. Брали пластину из сплава алюминия АМГ-6 толщиной Змм и размером 30 х 50 мм и металлизированную керамику

0 и нагревали до 240°С и тем же, что и в примере 1, припоем осуществлялось лужение на воздухе без использования флюсов по схеме, описанной о примере 1. Затем образцы охлаждались до температуры плав5 ления припоя ПОСсу 61 - 0,5 и производили пайку в течение 30 с этим припоем. На специальных образцах паяных таким образом проводились испытания на отрыв на разрывной машине МРС-500 с чувствительно0 стью 20 Н (см. таблицу). Предлагаемый припой позволяет получать более прочные паяные соединения с металлизированной керамикой.

Пример 3. Проводили лужение пла5 стины сплава из алюминия АМГ-6 тех же

размеров и тем же припоем, что и в примере

2, Но пайка осуществлялась припоем ПОСКJ50-18, Результаты испытаний на отрыв паяных соединений на установке МРС-500 приводятся в таблице.

Пример 4. Лужение и пайка осуществлялись, как и в примере 2. на таких же образцах, но в качестве припоя для пайки использовался припой ПСР-1,5. Результаты испытаний на отрыв паяных соединений на установке МРС-500 приводятся в таблице.

Пример 5. Лужение и пайка осуществлялись, как и в примере 2, на таких же образцах, но в качестве припоя для лужения использовался припой состава, мас.%: алюминий 5; олово 95; порошок никеля размером 40- 100 мкм в количестве 10% от массы припоя. Испытание на отрыв на установке МРА-500 показали, что прочность паяного соединения 9,4 МПз.

Пример 6. Лужение и пайка осуществлялись, как и в примере 2 и 5, на таких же образцах, но в качестве припоя для лужения использовался припой состава, мас.%: алюминий 15; олово 85; порошок никеля размером 40- 100 мкм в количестве 4% от массы припоя. Прочность паяного соединения на отрыв оказалась равной 9 МПа. Формула изобретения Припой для лужения и пайки алюминия и его сплавов, содержащий олово и алюминий, отличающийся тем, что, с целью

повышения прочности паяного соединения при пайке алюминия и его сплавов с металлизированной керамикой и исключения из состава припоя высоколетучих металлов, он дополнительно содержит порошок никеля

размером 40- 100 мкм в количестве 4- 10% от массы припоя, при этом алюминий и олово содерхотся в следующих соотношениях мас.%:

алюминий5 - 15,

оловоостальное

Использование: изготовление интегральных схем пайкой. Для бесфлюсового лужения алюминия используется припой состава, мас.%: AI 5 - 15; порошок никеля, размером 40-100 мкм в количестве4 - 10% от массы припоя; олово остальное. Лужение указанным припоем осуществляется путем натирания алюминиевого изделия, нагретого до температуры, при которой припой находится в жидкотвердом состоянии. 1 табл.