SK288918B6 - Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky - Google Patents

Abstract

Medzi dva spájkované povrchy materiálov sa umiestnia dve vrstvy bežnej spájky (3) a medzi dve vrstvy bežnej spájky (3) sa umiestni medzivrstva (4) aktívneho kovu. Následne sa obe vrstvy spájky (3) a medzivrstva (4) aktívneho kovu zahrejú na spájkovaciu teplotu, ktorá sa rovná alebo je vyššia ako teplota tavenia bežnej spájky (3) a zároveň sa rovná alebo je vyššia ako teplota aktivácie aktívneho kovu v medzivrstve (4). Spájkuje sa pomocou bežnej spájky, ktorá neobsahuje aktívny kov a spájkuje sa priamo bez predchádzajúceho pokovovania spájkovaného povrchu, čím sa dosahuje rýchly a efektívny proces, pričom vytvorený spoj je stabilný, bez prasklín a s vysokou pevnosťou na hranici pevnosti použitej bežnej spájky (3).

Description

Vynález sa týka spájkovania ťažko spájkovateľných materiálov pomocou bežnej spájky bez predchádzajúceho pokovovania povrchu materiálov, pričom sa pri spájkovaní dosiahne zmáčavosť bežnej spájky aj na inak nezmáčavých povrchoch. Vynález tiež opisuje medzivrstvu použitú na spájkovanie.

Doterajší stav techniky

Sú známe viaceré postupy na spájkovanie ťažko spájkovateľných materiálov, ako sú keramické materiály (napr. AI2O3, SiOz, T1O2 a pod.), niektoré nekovové materiály (Si, Ge, grafit a pod.) alebo niektoré kovové materiály (W, Mo, Ta a pod.). Tieto materiály sa môžu spájkovať nepriamo tak, že na ich povrch sa najskôr nanesie spájkovateľný kovový povlak, až potom sa realizuje samotné spájkovanie. Pokovovaním povrchov sa odstraňujú problémy spojené so zmáčavosťou keramických materiálov a niektoiých nekovových materiálov. Potrebný kovový spájkovateľný povlak sa získa:

• vpaľovaním kovových roztokov buď žiaruvzdorných kovov Mo, Mn, W (s následným poniklovaním), alebo drahých kovov Ag, Au, Pt a pod., • fýzikálnou a chemickou depozíciou, ktoiými sa vytvárajú tenké povlaky, napr. Au, Ag, Ni a ich kombinácie.

Vytvorený kovový spájkovací povlak zabezpečí potrebnú zmáčavosť inak nezmáčavého povrchu materiálu (napríklad ako pri US 4 312 896). To umožní použiť bežné spájky, ktoré sú dostupné vo veľmi širokom rozsahu vlastností. Nevýhodou je komplikovaný postup s viaceíými krokmi, ktoré si vyžadujú použitie špecializovaných zariadení.

Druhý prístup pri spájkovaní ťažko spájkovateľných materiálov spočíva v použití špeciálnej, tzv. aktívnej spájky, ktorá obsahuje relatívne malé množstvo aktívneho kovu, napríklad Ti, Zr, Hf, Cr, La, Y. Aktívny prvok je dôležitou súčasťou spájky, zabezpečuje zmáčavosť a vznik väzby medzi kovovou spájkou a spájkovaným materiálom. Takéto priame spájkovanie (napr. podľa US 2016/0228966) skracuje technologický čas zlepšuje hygienu pracovného prostredia. Nevýhodou využívania aktívneho kovu v spájkach je malá škála dostupných spájok s aktívnym kovom oproti bežným spájkam, ktoré sú dostupné pre rozmanité aplikácie a pre rôzne dvojice spájkovaných materiálov.

Patentové zverejnenie US 2002/0038813 A1 opisuje použitie vrstvy aktívneho kovu, ktorá je vhodná na špecifické spájky na báze Au, resp. Au-Ag. Nevýhodou je nízka univerzálnosť objasnenej metódy.

Je žiadané a nie je známe také technické riešenie, ktoré bude poskytovať výhody použitia bežnej spájky s výhodami priameho spájkovania, pričom sa zachová lýchlosť postupu pri dosiahnutí dobiých vlastnosti spájkovaného spoja.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky vo forme vrstvy bez predchádzajúceho pokovovania povrchu spájkovaného materiálu podľa tohto vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že medzi dva spájkované povrchy materiálov sa umiestnia dve vrstvy bežnej spájky, ktoré sú určené na priľnutie k spájkovaným povrchom, a medzi dve vrstvy bežnej spájky sa umiestni medzivrstva aktívneho kovu a následne sa obe vrstvy spájky a medzivrstva aktívneho kovu zahrejú na spájkovaciu teplom. Spájkovacia teplota sa rovná alebo je vyššia ako teplota tavenia bežnej spájky a zároveň sa rovná alebo je vyššia ako teplota aktivácie aktívneho kovu. Teplota aktivácie aktívneho kovu pritom zvyčajne bude nižšia ako teplota tavenia aktívneho kovu.

Pojem priame spájkovanie vyjadruje, že postup nepotrebuje prípravu povrchov nanášaním pomocných vrstiev. Pojem bežná spájka zahŕňa všetky známe spájky bez významného obsahu aktívneho kovu. Aktívny kov môže byť predovšetkým Ti, Zr, Hf, Cr, La, Y, Ce, Pr, Mg a ich zliatiny alebo ich vzájomné kombinácie. Významným obsahom sa má na mysli taký podiel na obsahu alebo na objeme spájky, pri ktorom sa prejavujú účinky aktívneho kovu v spájke, nejde teda o obsah tvoriaci znečistenie alebo stopové množstvo.

Pomenovanie vrstvy aktívneho kovu ako „medzivrstva“ vyjadruje pozíciu tejto vrstvy, pričom však neurčuje, v akom poradí má byť táto medzivrstva položená, medzivrstva môže byť uložená napríklad ako druhá vrstva pri poradí - vrstva bežnej spájky/medzivrstva aktívneho kovu/vrstva bežnej spájky.

Ako sa ukázalo pri vynaliezaní, dochádza v relatívne tenkých vrstvách bežnej spájky k pozitívnemu ovplyvneniu jej schopnosti zmáčať povrch spájkovaného materiálu. Aktívny kov difúznymi procesmi v roztavenej vrstve spájky preniká do oboch vrstiev spájky a pozitívne ovplyvňuje jej zmáčavosť. Pri týchto podmienkach sa dosahujú účinky nového spôsobu priameho spájkovania, zabezpečuje sa zmáčavosť a vznik väzieb medzi kovovou spájkou a ťažko spájkovateľným materiálom aj bez nutnosti natavovať aktívny kov pri vysokej teplote.

Nový spôsob priameho spájkovania je použiteľný pri spájkovaní vo vákuu alebo pri ultrazvukovom spájkovaní keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov bez nutnosti povlakovania a bez použitia špeciálnej aktívnej spájky. Na výrobu spoja sa použije bežná spájka, ktorá je dostupná s rôznymi vlastnosťami. Spájkovanie vo vákuu sa odporúča na tvrdé a vysokoteplotné spájkovanie. Spájkovanie pomocou ultrazvuku je vhodné najmä na mäkké spájkovanie.

Vrstva spájky môže mať podobu fólie, čo umožňuje strihať vrstvu na potrebný tvar, ktoiý zodpovedá pôdorysu spoja. V inom vyhotovení sa môže vrstva spájky vytvoriť nanášaním pasty, ktorá pozostáva najmä z prášku spájkovacieho kovu a tekutiny. Pasta sa môže presne nanášať pomocou šablón alebo sieťotlačou, alebo iným spôsobom známym zo stavu techniky. Bežná spájka môže byť mäkká, tvrdá alebo vysokoteplotná. Dôležité je, aby hodnota spájkovacej teploty vhodnej pre danú spájku zodpovedala aspoň teplote aktivácie aktívneho kovu. Spájkovať spôsobom podľa tohto vynálezu sa pritom môže vo vákuu pri vyššej teplote alebo na vzduchu s použitím nižšej spájkovacej teploty, kedy je nutné lokálne zvýšiť teplotu medzivrstvy na hodnotu aktivácie aktívneho kovu. Na to sa môže použiť napríklad energia dodaná ultrazvukom do miesta spájky.

Medzivrstva aktívneho kovu môže mať formu fólie alebo pasty. Aktívny kov môže byť predovšetkým Ti, Zr, Hf, Cr, La, Y, Ce, Pr, Mg a ich zliatiny alebo vzájomné kombinácie. V prípade fólie bude jej hrúbka v rozsahu 0,0001 až 1 mm.

Tiež sa pri vynaliezaní nového spôsobu priameho spájkovania zistilo, že použitie troch vrstiev lepšie kompenzuje zvyškové napätia v spoji vznikajúce v dôsledku rôznej teplotnej rozťažnosti rôznych spájkovaných materiálov, napríklad keramického a kovového materiálu. Zabráni sa tým praskaniu keramickej časti spoja ihneď po spájkovaní alebo pri tepelnom cyklovaní v prevádzke. Spoj má tiež väčšiu hrúbku, čo pri kombinovaných spojoch keramika/kov zvyšuje ich pevnosť. Pojmy prvý spájkovaný materiál a dmhý spájkovaný materiál vzájomne odlišujú rôzne materiály, napríklad keramiku a kov alebo sklo a kov. Označenia „prvý“ a „druhý“ pritom vyjadrujú len odlišnosť, neoznačujú explicitné poradie alebo dôležitosť a sú teda aj vzájomne zameniteľné.

Podstatnou výhodou predloženého vynálezu je teda nielen lýchle priame spájkovanie ťažko spájkovateľných materiálov pri využití bežnej spájky, ale aj vysoká kvalita a stabilita vytvoreného spoja. Používame bežnej spájky zjednodušuje a zlacňuje technologický proces, pričom s medzivrstvou aktívneho kovu sa môžu kombinovať všetky dostupné bežné spájky, ktorých je k dispozícii široká škála. Nie je teda potrebné na príslušnú dvojicu ťažko spájkovateľných materiálov vyvíjať a vyrábať špeciálnu spájku s aktívnym kovom.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený pomocou obrázkov 1 a 2. Konkrétne tvary a hrúbky spájkovaných materiálov, vrstiev spájky a medzivrstvy majú len ilustračný charakter a nie je ich možné považovať za obmedzujúce rozsah ochrany.

Na obrázku 1 sú znázornené vrstvy použité pri spájkovaní keramiky a kovu.

Obrázok 2 znázorňuje vrstvy spájky nanesené sieťotlačou, medzi ktoré je vložená medzivrstva aktívneho kovu pri spájkovaní dvoch keramických materiálov.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

V tomto príklade podľa obrázka 1 je spájkovaná keramika AI2O3 s nehrdzavejúcou oceľou pomocou tvrdej bežnej spájky 3 na báze striebra Ag72Cu, ktorá má podobu fólie. Na vytvorenie medzivrstvy 4 z aktívneho kovu sa použila tenká fólia z čistého Ti.

Zostava spoj a pred tepelnou expozíciou j e nasledujúca:

prvý spájkovaný materiál 1 - keramika A1₂O₃, bežná spájka 3 - Ag72Cu, medzivrstva 4 - Ti fólia, bežná spájka 3 - Ag72Cu a druhý spájkovaný materiál 2 - nehrdzavejúca oceľ.

Po vytvorení zostavy uvedených vrstiev sa spájkovalo vo vákuu pri teplote 890 °C. V procese spájkovania sa medzivrstva 4 čiastočne rozpúšťala v bežnej spájke 3 a titán z medzivrstvy 4 svojou aktivitou zabezpečil zmáčame keramického materiálu, ako aj lepšie zmáčame nehrdzavejúcej ocele.

Príklad 2

Pri spájkovaní keramiky SiC s kovarom sa ako bežná spájka 3 použila mäkká spájka na báze cínu SnAg5 vo forme fólie. Na vytvorenie medzivrstvy 4 aktívneho kovu bola použitá tenká fólia z čistého Ti.

Zostava spoj a pred tepelnou expozíciou j e nasledujúca:

prvý spájkovaný materiál 1 - keramika SiC, bežná spájka 3 - SnAg5, medzivrstva 4 - Ti fólia, bežná spájka 3 - SnAg5 a druhý spájkovaný materiál 2 - kovar.

Spoj sa spájkoval vo vákuu pri teplote 850 °C. V procese spájkovania sa titán z medzivrstvy 4 čiastočne rozpúšťal v bežnej spájke 3 a titán svojou aktivitou zabezpečil zmáčame keramického materiálu. Vytvorený spoj je bez trhlín a pevnosť spoja zodpovedá pevnosti použitej bežnej spájky 3.

Príklad 3

Spôsob priameho spájkovania v tomto príklade je použitý pri spájkovaní prechodiek z keramiky A1₂O₃.

Príklad 4

Tepelný výmenník je prispájkovaný ku keramickému substrátu s využitím bežnej spájky 3 a medzivrstvy 4 z aktívneho kovu.

Príklad 5

Spôsob priameho spájkovania v tomto príklade je použitý pri spájkovaní keramických a nekovových terčov na naprašovanie, napríklad magnetrónové naprašovanie.

Príklad 6

Kovové kontakty sú na sklo prispájkované pomocou dvoch vrstiev bežnej spájky 3, medzi ktoiými je medzivrstva 4 aktívneho kovu.

Príklad 7

Súčiastky z keramiky podľa obrázka 2 sú vzájomne spájkované bez predchádzajúceho povlakovania príslušných povrchov, pričom vrstva bežnej spájky 3 na prvom spájkovanom materiáli 1 ako aj medzivrstva 4 aktívneho kovu sú vytvorené nanášaním pasty z bežnej spájky 3 a pasty z aktívneho kovu.

Priemyselná využiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť je zrejmá. Podľa tohto vynálezu je možné priemyselne a opakovane spájkovať materiály s ťažko zmáčavým povrchom pomocou bežnej spájky s využitím medzivrstvy aktívneho kovu. Vynález nájde uplatnenie najmä v elektronickom, elektrotechnickom a automobilovom priemysle, vo vákuovej technike a podobne.

Zoznam vzťahových značiek

- prvý spájkovaný materiál

- druhý spájkovaný materiál

3 - spájka

- medzivrstva

Claims (8)

1. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky vo forme vrstvy bez predchádzajúceho pokovovania spájkovaného povrchu, pri ktorom sa bežná spájka (3) zohreje na spájkovaciu teplotu, pričom medzi dva spájkované povrchy materiálov sa umiestnia dve vrstvy bežnej spájky (3), ktoré sú určené na priľnutie k spájkovaným povrchom a medzi dve vrstvy bežnej spájky (3) sa umiestni medzivrstva (4) aktívneho kovu, vyznačujúci sa tým, že následne sa obe vrstvy spájky (3) a medzivrstva (4) aktívneho kovu zahrejú na spájkovaciu teplotu, ktorá sa rovná alebo je vyššia ako teplota tavenia bežnej spájky (3) a zároveň sa rovná alebo je vyššia ako teplota aktivácie aktívneho kovu v medzivrstve (4), pričom medzivrstva (4) aktívneho kovu má hrúbku 0,0001 až 1 mm.

2. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že teplota aktivácie aktívneho kovu v medzivrstve (4) je nižšia ako teplota tavenia tohto aktívneho kovu.

3. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že aktívny kov v medzivrstve (4) je niektolý z kovov zo skupiny Ti, Zr, Hf, Cr, La, Y, Ce, Pr, Mg a/alebo ich zliatina, a/alebo ich vzájomná kombinácia.

4. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že prvý spájkovaný materiál (1) a/alebo druhý spájkovaný materiál je keramika a/alebo sklo, a/alebo kov.

5. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že sa spájkuje vo vákuu s tvrdou alebo vysokoteplotnou bežnou spájkou (3).

6. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že sa spájkuje s mäkkou bežnou spájkou (3), pričom sa ultrazvukom zvyšuje teplota medzi vrstvy (4).

7. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 6, vyznačujúci sa tým, že vrstva bežnej spájky (3) má formu fólie.

8. Spôsob priameho spájkovania pomocou bežnej spájky podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že vrstva bežnej spájky (3) má formu pasty, ktorá je nanesená na povrch prvého spájkovaného materiálu a/alebo na povrch druhého spájkovaného materiálu (2).