SK452020U1 - Spôsob spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom a prípravok na spájkovanie - Google Patents

Abstract

Spôsob spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom je založený na tom, že medzi dva kombinované spájkované materiály aktívny kov/keramický materiál umiestnené v prípravku sa kladie vrstva neaktívnej spájky; rozfokusovaným elektrónovým lúčom vo vákuu 1.10-2 Pa pri teplote 650 °C až 1 000 °C smerovaným na prípravok sa uskutočňuje prenos tepla z prípravku na kombinované spájkované materiály aktívny kov/keramický materiál a neaktívnu spájku. Prípravkom na vytvorenie spájkovaného spoja je prstencové teleso s horným vnútorným zapusteným osadením.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka spôsobu spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom a prípravku na vytvorenie spájkovaného spoja. Technické riešenie patrí do oblasti spájania materiálov spájkovaním

Doterajší stav techniky

V súčasnosti sa keramické materiály (napr. AI2O3, SiC, S13N4, A1N a pod.) alebo kombinácie keramika a kov spájkujú najmä vo vákuovej peci, pričom sa používajú dva základné spôsoby spájkovania. Spájkovanie vo vákuu sa pri klasickom spôsobe používa z hľadiska zabránenia oxidácie spájkovaných plôch a samotnej spájky. V prípade spájkovania aktívnou spájkou je potrebné ešte ochrániť aktívny kov, ktorý má vysokú afinitu ku kyslíku.

Klasický spôsob predstavuje spôsob, že na povrch keramického materiálu sa nanesie spájkovateľný kovový povlak až potom sa realizuje samotné spájkovanie. Pokovovaním keramiky sa odstraňujú problémy spojené so zmáčateľnosťou keramických a niektorých nekovových materiálov. Z hľadiska voľby typu pokovovania treba poznať, pri akej prevádzkovej teplote bude spájkovaná súčiastka pracovať. Podľa toho sa použije na spájkovanie buď mäkká, alebo tvrdá spájka. Požadovaný kovový spájkovateľný povlak sa potom získa:

• vpaľovanímkovových roztokov buď žiaruvzdorných kovov Mo, Mn, W (s následnýmponiklovaním) alebo drahých kovov Ag, Au, Pt a pod., • íýzikálnou a chemickou depozíciou, ktorými sa vy tvárajú tenké povlaky napr. Au, Ag, Ni a ich kombinácie.

Výtvorený kovový spájkovací povlak zabezpečí vynikajúcu zmáčavosť povrchu materiálu spájkou, ktorý je inak nezmáčavý. Spájkovanie vo vákuovej peci predstavuje časovo náročný proces spájkovania.

Druhý spôsob, ktorý sa v súčasnosti intenzívne skúma je priame spájkovanie použitím špeciálnej tzv. aktívnej spájky, ktorá obsahuje malé množstvo aktívneho kovu. Znižuje sa čas potrebný na vyhotovenie spojov, zlepšuje sa hygiena pracovného prostredia a zlepšuje sa ekonomika výroby spájkovaných spojov. Aktívny prvok je dôležitou súčasťou spájky, pretože zabezpečuje zmáčavosť a vznik väzby medzi kovovou spájkou a keramickým materiálom

Problémom pri spôsobe povlakovania keramických materiálov je technologická a ekonomická náročnosť procesu (je potreba špecializovaných zariadení). Nevýhodou použitia aktívnych spájok je malý sortiment, zložitá výrobaa ich vysoká obstarávacia cena (napr. Sn-Ag-Ti, 0,5 kg/1 200 EUR).

V zmysle opísaného stavu sa naskytla príležitosť riešiť danú problematiku a výsledkom úsilia pôvodcov je spôsob spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom, samotný spájkovaný spoj a prípravok k vytvoreniu spájkovaného spojav predloženom úžitkovom vzore.

Podstata technického riešenia

Uvedené nedostatky sú odstránené spôsobom spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom, spájkovaným spojom vytvoreným týmto spôsobom a prípravkom k vytvoreniu spájkovaného spoja podľa tohto technického riešenia. Podstata spôsobu spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom spočíva v tom, že v prvom kroku sa medzi dva kombinované spájkované materiály, kde jedným je aktívny kov ako napr. Ti alebo Zr alebo Hf alebo Cr a druhým je keramický materiál umiestnené v prípravku kladie vrstva neaktívnej spájky. V druhom kroku sa rozfokusovaným elektrónovým lúčom vo vákuu 1 . 10^-2 Pa pri teplote 650 °C až 1000 °C smerovaným na prípravok uskutočňuje prenos tepla z prípravku na kombinované spájkované materiály a neaktívnu spájku. V procese spájkovania sa aktívny kov čiastočne rozpúšťa v spájke a svojou aktivitou zabezpečuje zmáčanie keramického materiálu a vznik spoja.

Spôsobom spájkovania sa vytvorí spájkovaný spoj keramika/kov podľa technického riešenia, ktorý pozostáva z keramického materiálu ako napr. SiC, AI2O3, A1N, SÍ3N4 a pod. a vrstvy aktívneho kovu Ti, Zr, Hf, Cr a pod. s neaktívnou spájkou ako je napr. In70Sn30, čistý Sn, SnAg3,5 a pod. medzi nimi. Pritom medzi vrstvou aktívneho kovu a neaktívnou spájkou je pásmo robustnosti aktívneho kovu. Medzi vrstvou keramického materiálu a neaktívnou spájkou je reakčné pásmo aktívneho kovu s keramickým materiálom Plošný tvar neaktívnej spájky a aktívneho kovu zodpovedá tvaru spájkovaného dielca. Bežnú neaktívnu spájku je najvhodnejšie použiť vo forme fólie, ktorá sa dá strihať, alebo vo forme pasty (prášok kovu + tekutina), ktorá sadá presne nanášať (napr. aj pomocou sieťotlače).

Podstata prípravku na vytvorenie spájkovaného spoja spôsobom spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom spočíva v tom, že prípravok je prstencové teleso s horným vnútorným zapustenýmosadením.

S K 45-2020 U1

Výhody technického riešenia spôsobu spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom a prípravku na vytvorenie spájkovaného spoja sú zjavné z jeho účinkov, ktorými sa prejavuje navonok. Účinky tohto technického riešenia spočívajú najmä v tom, že v snahe vyrobiť spájkovaný spoj keramický materiáí/kov, povrch keramického materiálu nebol povlakovaný a na spájkovanie sa nepoužila aktívna spájkovacia zliatina, ktorá sa vyznačuje vysokou obstarávacou cenou (napr. Sn-Ag-Ti, 0,5 kg/1 200 EUR). Na spájkovanie kombinácie aktívny kov/keramika sa nepoužije časovo náročné spájkovanie vo vákuovej peci, ale použije sa spájkovanie elektrónovým lúčom. Výhodou spájkovania elektrónového lúča je, že proces prebieha vo vákuu 1 . 10^-2 Pa v pracovnej komore, takže nemôže dochádzať k oxidácií spájkovaných plôch a spájkovacej zliatiny privysokej spájkovacej teplote, taktiež nedochádza k oxidácii aktívneho kovu. V novo navrhnutom procese spájkovania sa nevyužíva klasický spôsob spájkovania povlakovaných keramických materiálov. Na spájkovanie sa použila bežná spájka. Týmto spôsobom možno spájkovať všetky reaktívne kovy, ako je

Ti, Zr, Hf, Cr a pod. s rôznymi typmi keramických materiálov. Aktívny kov sa v procese spájkovania čiastočne rozpúšťa v spájke. Aktívny kov zabezpečuje zmáčavosť povrchu keramického substrátu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Spôsob spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom, spájkovaný spoj a prípravok podľa technického riešenia budú bližšie objasnené na výkresoch, kde obr. 1 znázorňuje umiestnenie spájkovaného spoja keramika/kov v prípravku a samotný prípravok. Obr. 2 znázorňuje mechanizmus vzniku spoja.

Príklady uskutočnenia

Rozumie sa, že jednotlivé uskutočnenia spôsobu spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom a prípravku podľa technického riešenia sú predstavované na ilustráciu a nie ako obmedzenia technických riešení. Odborníci poznajúci stav techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam technického riešenia. Aj takéto ekvivalenty budú potompatriť do rozsahu nasledujúcich nárokov na ochranu.

Odborníkom poznajúcim stav techniky nemôže robiť problém vhodná volba materiálov a dimenzovanie, preto tieto znalý neboli detailne riešené.

Parametre spajkovama su nasledovne:

- Urýchľovacie napätie

- Prúd

- Fokusačný prúd

- Vákuum

- Čas ohrevu

- Teplota ohrevu

- Čas ochladzovania

- Vzdialenosť od elektrónového dela

- Oscilácia

- Kanál A

- Kanál B

- Frekvencia

- Tvar oscilácie

Príklad 1

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opísaný spôsob spájkovania kombinácie materiálov keramika SiC/kov titán elektrónovým lúčom, ako to vyplýva z obr. 1 a 2. V prvom kroku sa medzi dva kombinované spájkované materiály, kde jedným je aktívny kov titán a druhýmje keramický materiál SiC umiestnené v prípravku kladie vrstva neaktívnej spájky SnAg3,5 vo forme fólie. V druhom kroku sa rozfokusovaným elektrónovým lúčom vo vákuu 1 . 10^-2 Pa pri teplote 850 °C smerovaným na prípravok uskutočňuje prenos tepla z prípravku na kombinované spájkované materiály a neaktívnu spájku. V procese spájkovania sa aktívny kov čiastočne rozpúšťa v spájke za vzniku spoja.

55,0 kV

10,0 mA

890,0 mA x ΙΟ'² Pa

30,0 s

850 °C min.

200 ±1 mm kruhová 0 25,0 mm

13,499 V

13,499 V

1000,0 Hz

4· í'cas/H

I x | ~ í | . < 0; '>

iyi.ú-ú lé 4*

Opísaným spôsobom sa vytvorí spájkovaný spoj keramika/kov znázornený na obr. 1. Pozostáva z keramického materiálu SiC a vrstvy aktívneho kovu Ti s neaktívnou spájkou SnAg3,5 vo forme fólie medzi nimi. Pritom medzi vrstvou aktívneho kovu a neaktívnou spájkou je pásmo robustnosti aktívneho kovu. Medzi

S K 45-2020 U1 vrstvou keramického materiálu a neaktívnou spájkou je reakčné pásmo aktívneho kovu s keramickým materiálom Plošný tvar neaktívnej spájky a aktívneho kovu zodpovedá tvaru spájkovaného dielca.

Príklad 2

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opísaný spájkovaný spoj keramika/kov vytvorený uvedeným spôsobom, ako je znázornený na obr. 1. Pozostáva z keramického materiálu AI2O3 a vrstvy aktívneho kovu Ti s neaktívnou spájkou na báze Sn vo forme fóhe medzi nimi. Pritom medzi vrstvou aktívneho kovu a neaktívnou spájkou je pásmo robustnosti aktívneho kovu. Medzi vrstvou keramického materiálu a neaktívnou spájkou je reakčné pásmo aktívneho kovu s keramickým materiálom Plošný tvar neaktívnej spájky a aktívneho kovu zodpovedá tvaru spájkovaného dielca. Vyrobil sa spoj bez trhlín. Pevnosť spoja zodpovedala pevnosti spájky.

Príklad 3

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opísaný spájkovaný spoj keramika/kov vytvorený uvedeným spôsobom, ako je znázornený na obr. 1. Pozostáva z keramického materiálu A1N a vrstvy aktívneho kovu Ti s neaktívnou spájkou In70Sn30 vo forme fóhe medzi nimi. Pritom medzi vrstvou aktívneho kovu a neaktívnou spájkou je pásmo robustnosti aktívneho kovu. Medzi vrstvou keramického materiálu a neaktívnou spájkou je reakčné pásmo aktívneho kovu s keramickým materiálom. Plošný tvar neaktívnej spájky a aktívneho kovu odpovedá tvaru spájkovaného dielca. Vyrobil sa spoj bez trhlín. Pevnosť spoja zodpovedala pevnosti spájky.

Príklad 4

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opísaný prípravok na vytvorenie spájkovaného spoja spôsobom spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom, ako je znázornené na obr. 1. Prípravok je prstencové teleso s horným vnútomýmzapustenýmosadením.

Priemyselná využiteľnosť

Spôsob spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom a prípravok podľa technického riešenia nachádza uplatnenie všade tam, kde je potrebné keramické, nekovové a iné ťažko spájkovateľné materiály s reaktívnym kovom Môže sa použiť v elektronickom, elektrotechnickom, automobilovom, leteckom priemysle ale aj vo vákuovej technike. Konkrétne pri spájkovaní prechodiek vysokého napätiazkeramiky AI2O3. Pri výrobe UHV (Ultra High Vacuum) komponentov, tranzistorových puzdier a pod. Medzi novšie spojovacie aplikácie patria komponenty motora, ako napríklad SÍ3N4 rotor turbodúchadla spojený s kovovým hriadeľom

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Spôsob spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom, vyznačujúci sa tým, že najskôr sa medzi dva kombinované spájkované materiály aktívny kov/keramický materiál 5 umiestnené v prípravku kladie vrstva neaktívnej spájky : následne sa rozfokusovaným elektrónovým lúčom vo vákuu pri teplote 650 °C až 1000 °C smerovaným na prípravok uskutočňuje prenos tepla z prípravku na kombinované spájkované materiály aktívny kov/keramický materiál a neaktívnu spájku.
2. 2. Prípravok na vytvorenie spájkovaného spoja spôsobom spájkovania kombinácie materiálov keramika/kov elektrónovým lúčom, vyznačujúci sa tým, že je to prstencové teleso s horným vnú10 tomým zapusteným osadením