SK652023A3 - Mäkká aktívna spájka na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, prípadne Al a spôsob spájkovania - Google Patents

Abstract

Mäkká aktívna bezolovnatá spájka pozostáva z 0,5 až 3 hmotn. % Mg, 0,5 až 5 hmotn. % Ti, pričom zvyšok tvorí Zn. Spájkovacia zliatina môže tiež obsahovať Al v rozsahu od 3 do 6 hmotn. %. Touto mäkkou aktívnou spájkou sa spája nekovový materiál s nekovovým materiálom, nekovový materiál s kovovým materiálom priamo alebo postupne ultrazvukom.

Description

Oblasť techniky

Predkladaný vynález sa týka novej mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky na priame spájkovanie kovových, keramických a kompozitných materiálov s kovovými alebo keramickými materiálmi, vo všeobecnosti ťažko spájkovateľných materiálov pre vyššie aplikačné teploty a spôsobu spájkovania. Predkladaný vynález patrí do oblasti spájkovania bezolovnatými spájkami v elektronickom priemysle a to hlavne v progresívnych technológiách zapuzdrovania pri postupnom spájkovaní.

Doterajší stav techniky

Zo stavu techniky je známe, že povrch keramických a iných nekovových materiálov je prirodzene nezmáčateľný, preto pri vytváraní spojenia medzi mäkkou spájkou a keramikou musí byť táto skutočnosť braná do úvahy. Problém so zmáčateľnosťou keramických a iných nekovových materiálov je možné vyriešiť tromi spôsobmi:

• buď vpaľovaním kovových roztokov žiaruvzdorných kovov Mo, Mn, W (s následným poniklovaním) alebo drahých kovov Ag, Au, Pt a podobne, • alebo fyzikálnou a chemickou depozíciou, pomocou ktorej sa vytvárajú tenké Au, Ag, Ni povlaky, • použitím špeciálnej tzv. aktívnej spájky, ktorá obsahuje malé množstvo aktívneho kovu.

V súčasnosti sa keramické materiály (napr. AkO3, AlN, SiC a pod.) a niektoré nekovové (Si, Ge, grafit a pod.) a ťažko spájkovateľné kovové materiály (W, Mo, Ta a pod.) spájkujú nepriamo tak, že na povrch keramického materiálu sa nanesie spájkovateľný kovový povlak až potom sa realizuje samotné spájkovanie. Tento spôsob ale prináša vysoké výdavky na technológie povlakovania a samotný povlakovaný materiál. Z ekonomického hľadiska je preto najvýhodnejšie použitie aktívnej spájky, ktorá obsahuje malé množstvo aktívneho kovu a to z dôvodu, že aktívny kov zabezpečuje zmáčavosť a vznik väzby medzi kovovou spájkou a iným nekovovým materiálom, výhodne keramikou. Teda nie je potrebné už používať spájkovateľné povlaky, a tým sa obíde medzioperácia povlakovania. Vytvorenie spájkovaného spoja dvoch keramických materiálov bez povlakovania tiež výrazne šetrí čas potrebný na vytvorenie takéhoto spoja.

V stave techniky sú známe spájky pre vyššie aplikačné teploty. Vo všeobecnosti, spájky vhodné pre vyššie aplikačné teploty by mali mať teplotu tavenia v rozsahu približne od 350 °C do 420 °C, dobrú tepelnú a elektrickú vodivosť, malú objemovú rozťažnosť, vzduchotesnosť, dobré mechanické vlastnosti, dobrú zmáčavosť. Tieto spájky pre vyššie aplikačné teploty umožňujú zariadeniam pracovať rýchlejšie a úspornejšie a je možné teda obmedziť obvykle zložité chladenie, čo tiež prispieva k šetreniu energií.

K tomuto vyššie spomínanému priamemu spojeniu dochádza v dôsledku aktivácie aktívneho kovu v spájke.

Aktiváciou sa rozumie umožnenie aktívnemu prvku, aby termodynamicky reagoval s niektorou zložkou nekovového materiálu, výhodne keramického materiálu. Najčastejšie používaným aktívnym kovom v spájkach je Ti, ale môžu sa použiť aj iné kovy ako napríklad Zr, lantanoidy, Mg a iné. Pri výbere vhodného aktívneho kovu je dôležité zohľadniť jeho reaktivitu so zložkou konkrétneho keramického materiálu. Najelegantnejším riešením by bolo použitie univerzálneho aktívneho kovu, ktorý by dokázal reagovať s čo najširším spektrom keramických materiálov.

Termodynamická aktivácia aktívneho kovu nastáva, ak je zvolená správna technológia spájkovania. Ak má byť spájkovanie kovových, keramických alebo kompozitných materiálov pomocou spájky ekonomicky a environmentálne výhodné, aktívne spájky podľa predkladaného vynálezu sú určené pre beztavivové spájkovanie. Moderným spôsobom spájkovania bez taviva a súčasne na vzduchu pri teplotách tavenia spájky je spájkovanie ultrazvukom.

Vzhľadom na to, aby sa skrátil čas potrebný na vyrobenie spájkovaného spoja dvoch keramických materiálov alebo spoja keramického materiálu s kovom bez medzioperácie povlakovania, nastala snaha vyriešiť tento problém technickými prostriedkami. Výsledkom tohto úsilia je ďalej opisované zloženie bezolovnatej mäkkej aktívnej spájky na spájkovanie nekovových materiálov s nekovovými/kovovými materiálmi pri vyššej aplikačnej teplote a jej použitie v spôsobe ultrazvukového spájkovania podľa vynálezu.

Podstata vynálezu

Nedostatky vyplývajúce z opisu doterajšieho stavu techniky v podstatnej miere odstraňuje mäkká aktívna bezolovnatá spájka pre vyššie aplikačné teploty podľa predkladaného vynálezu. Prínos spočíva v návrhu

SK 65-2023 A3 vhodnej základnej bázy a vo výbere vhodného aktívneho kovu. Ako základná báza bol navrhnutý Zn. Spájka na báze Zn je perspektívnou náhradou spájok za olovnaté spájky pre vyššie aplikačné teploty. Spolu s touto bázou boli odskúšané viaceré aktívne kovy. Pri návrhu a výrobe spájky sa použili nasledovné kritéria: vyrobiteľnosť spájky s aktívnym kovom, prijateľná cena, relatívne nízka toxicita, štruktúrna kompatibilita so základnou bázou Zn. Aktívny kov musí mať dostatočnú reakčnú schopnosť s čo najväčšou škálou spájkovaných materiálov. Za najlepší výber možno považovať legovanie Mg a Ti a vo variantnom riešení aj Al. Horčík je mäkký ľahký kov, ktorý rýchlo reaguje s kyslíkom. Titán je vo všeobecnosti tiež veľmi reaktívny kov. Má vysokú afinitu ku kyslíku a ďalším prvkom, ktoré sú zložkami spájkovaných materiálov. Hliník znižuje teplotu tavenia Zn spájky a pôsobí čiastočne ako aktívny kov. Podstatou vynálezu je spájkovacia zliatina na báze Zn, ktorá obsahuje dva aktívne kovy Mg a Ti, prípadne Al. Spájka pozostáva z 0,5 až 3 hmotn. % Mg, 0,5 až 5 hmotn. % Ti, zvyšok tvorí Zn. Spájkovacia zliatin môže tiež obsahovať Al v rozsahu od 3 do 6 hmotn. Táto spájkovacia zliatina (spájka) je v kombinácii s ultrazvukovou aktiváciou vhodná na priame spájkovanie keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov bez použitia povlakovania a bez použitia taviva. V procese spájkovania, aktívne kovy spájky Mg a Ti reagujú s povrchom spájkovaného substrátu, čo zabezpečuje zmáčavosť a následne vznik pevnej väzby. Pevnosť spojov bola od 10 do 112 MPa.

Výhody mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky podľa predkladaného vynálezu sú zjavné z účinkov, ktorými sa prejavujú navonok. Vo všeobecnosti možno konštatovať, že spájka podľa predkladaného vynálezu je v kombinácii s ultrazvukovou aktiváciou vhodná na priame spájkovanie rôznych keramických a iných ťažko spájkovateľných materiálov bez použitia povlakovania a bez použitia taviva. Znižuje sa tak čas potrebný na vyrobenie spojov, zlepšuje sa hygiena pracovného prostredia a zlepšuje sa ekonomika výroby spájkovaných spojov. Aktívne kovy sú dôležitou súčasťou spájky tým, že zabezpečia zmáčavosť keramického substrátu a tým sa umožní vznik väzby medzi spájkou a substrátom, výhodne keramickým substrátom. Podstatnou výhodou predmetnej spájky je jej využiteľnosť pri vyšších aplikačných teplotách bez využitia taviva. Vyššia aplikačná teplota predurčuje využiteľnosť tejto spájky najmä v spôsobe ultrazvukového postupného spájkovania podľa vynálezu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obrázku 1 je graf znázorňujúci šmykovú pevnosť spájkovaného spoja pri rôznych spájkovaných dvojiciach materiálov.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Jednotlivé uskutočnenia mäkkej aktívnej bezolovnatej spájky na báze Zn s prídavkom Mg a Ti poprípade Al pre vyššie aplikačné teploty na spájkovanie kovových, nekovových a kompozitných materiálov s kovovou alebo nekovovou matricou sú predstavované na ilustráciu a nemajú byť chápané ako obmedzenie predkladaného vynálezu. Odborníci v príslušnom odbore sú schopní nájsť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov ku konkrétnym uskutočneniam predkladaného vynálezu. Aj takéto ekvivalenty budú spadať do rozsahu nasledujúcich patentových nárokov.

Príklad 1

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predkladaného vynálezu je opísané zloženie mäkkej aktívnej spájky na báze Zn s prídavkom Mg a Ti a Al. Mäkká aktívna spájka pozostáva z 5 hmotn. % Al, 1,5 hmotn.% Mg, 1,5 hmotn. % Ti, pričom zvyšok tvorí Zn.

Príklad 2

Na spájkovanie keramického materiálu Si3N4/Si3N4 sa použila aktívna spájka ZnAl5Mg1,5Ti1,5 v liatom stave. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 380 °C.

Príklad 3

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia sa na spájkovanie SiC s meďou použila aktívna spájka ZnMg3Ti1,5 vo forme ingotu. Pri spájkovaní sa spoj ohrieval horúcou doskou za podpory aktivácie ultrazvukom s frekvenciou 40 kHz. Teplota spájkovania bola 380 °C.

Príklad 4

SK 65-2023 A3

V tomto príklade uskutočnenia podľa obrázku 1 sa spájkou ZnAl5Mg1,5Ti1,5 spájkovali rôzne dvojice materiálov a to AI2O3/AI2O3, AlN/AIN, SÍ3N4/SÍ3N4, SiC/SiC, ZrO2/ZrO2, AI2O3/CU, AlN/Cu, Cu/Cu a SiC/Cu. Dosiahnuté šmykové pevnosti spojov sú znázornené v grafe na obrázku 1.

Priemyselná využiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť mäkkej aktívnej spájky na báze Zn s prídavkom Mg a Ti, poprípade Al podľa predkladaného vynálezu spočíva v perspektívnej náhrade spájok za olovnaté spájky pre vyššie aplikačné 10 teploty. Uplatnenie môže nájsť v rámci elektronického priemyslu a to hlavne pri progresívnych technológiách zapuzdrovania pri postupnom spájkovaní. Sú to napríklad technológie Ball Grid Array (BGA), Flip-Chip technológia (C4), Chip-Scale-Package (CSP) alebo Multi-chip Module (MCM), ako aj zapuzdrovanie (Die Attach), pri ktorom dochádza k spojeniu kremíkového čipu so základným materiálom.

Claims (6)

1. Mäkká aktívna spájka, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa 0,5 až 3 hmotn. % Mg, 0,5 až 5 hmotn. % Ti, pričom zvyšok tvorí Zn.

5

2. Mäkká aktívna spájka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že zahŕňa Al v rozsahu od

3 do 6 hmotn. %.

3. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa ktoréhokoľvek nároku 1 až 2, vyznačujúci sa tým, že aktívny kov je v spájke aktivovaný termodynamicky.

4. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že 10 termodynamická aktivácia aktívneho kovu prebieha ultrazvukom.

5. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa ktoréhokoľvek nároku 3 až 4, vyznačujúci sa tým, že sa spájkujú nekovové materiály s nekovovými materiálmi a tým, že zahrnuje krok kontaktného ohrevu za súčasného pôsobenia ultrazvuku.

6. Spôsob spájkovania mäkkou aktívnou spájkou podľa ktoréhokoľvek nároku 3 až 4, v y z n a č u j ú c i 15 s a t ý m , ž e sa spájkujú nekovové materiály s kovovými materiálmi a tým, že zahrnuje krok kontaktného ohrevu za súčasného pôsobenia ultrazvuku.