Припой для лужения и пайки алюминия и его сплавов

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 23 К 35/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4851529/08 (22) 16.07.90 (46) 07.11.92. Бюл, hh 41 (71) Кабардино-Балкарский государственный университет (72) B А. Созаев, Х. Т. Шидов и А. К. Шухостанов

{73) Кабардино-Балкарский государственный университет (56) Авторское свидетельство СССР

М 310764, кл.. В 23 К 35/26, 1970.

Лашко С. В. и Лашко Н, Ф. Пайка металлов. М,: Машиностроение, 1988, с. 269 — 270.

Патент Великобритании hb 907734, кл. В

23 К 35/26, 1962.

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-эа плохого смачивания ими алюминия.

Известны припои, использующиеся в бесфлюсовых способах лужения и пайки алюминия и его сплавов, в частности при кавитационно-абразивной пайке, например. Ж,» 1774907 АЗ (54) ПРИПОЙ ДЛЯ ЛУЖЕНИЯ И ПАЙКИ

АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ (57) Использование: изготовление интегральных схем пайкой, Для бесфлюсового пужения алюминия используется припой состава, мас.%: Al 5 — 15; порошок никеля размером 40 — 100 мкм в количестве 4 — 10 от массы припоя; олово остальное. Лужение укаэанным припоем осуществляется путем натирания алюминиевого иэделия, нагретого до температуры, при которой припой находится в жидкотвердом состоянии. 1 табл, припои системы олово-цинк, в которые BBQ дится порошок ферротитана дисперсностью 0,6 — 1,4 мм в количестве 1 — 7% от массы припоя, выполняющий роль абразив- р ных 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. бд

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.

1774907

Из известных припоев наиболее близким к заявляемому являются легкоплавкие припои системы олово-алюминий-цинк.

Принои данной системы при заданном составе, л ас. g: Sn 66; Al = 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. Кроme того, припой обеспечивает 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 иэ состава припоев высоколетучих металлов, обладающих токсичными свойствами.

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

Наличие алюминия в припое обеспечивает повышение взаимодействия припоя с поверхностью алюминиевого изделия, Дальнейшее содержание алюминия в сплаве ухудшав 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 ксрамикой объясняется тем, что припой укаэанного состава содержит как частицы никеля, так и микрочастицы алюминия эвтектики Sn — А), смоченные припоем. Некоторая доля этих частиц вместе с частицами никеля оседает на поверхность алюминиеBolo изделия и таким образом создается дисперсная среда, которая способствует усилению растворения окисной пленки алюминия и ускорению массопереноса (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 на10

20 личие 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 заявляемого 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 количестве 57, 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 размером 20 х 40 мм и активируется ее поверхность путем механической обработки (зачистка напильником или шлифовальной бумагой). Затем образец нагревается с помощью злектропечки на воздухе до 240 С.

25 При этой температуре осуществляют натирание вручную припоем состава, мас.%: олово 90; алюминий 10; порошок никеля размером 40 — 100 мкм в количестве 57 от массы припоя. Металлической щеткой или

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

35 окисляется и в гнобое время можно осуществлять пайку, Пример 2. Брали пластину из сплава алюминия АМГ-6 толщиной 3 мм.и размером

30 х 50 мм и металлизированную керамику

40 и нагревали до 240 С и тем же, что и в примере 1, припоем осуществлялось лужение на воздухе без использования флюсов по схеме, описанной в примере 1. Затем образцы охлаждались до температуры плав45 ления припоя ПОС у 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 чувствительно50 стью 20 Н (см. таблицу). Предлагаемый припой позволяет получать более прочные паяные соединения с металлизированной керамикой, Пример 3. Проводили лу>кение пла55 стины сплава из алюминия АМГ-6 тех же размеров и тем же припоем, что и в примере

2, Но пайка осуществлялась припоем CLOCK50-18, Результаты испытаний на отрыв пая1774907

5 — 15, остальное

Припой состава. мас. в о, МПа

Пайка

Л жение

1,ПОСсу 61-0.5

2.ПОСК 50-18

3, ПСР 1,5

8,7

8,9

7,9

Sn-66; Al-4; Zn-30 (и рототи п) 1.ПОСсу 61-0,5

2.ПОСК 50-18

3. ПСР 1,5

9,2

94

Sn-90; Al-10; порошок никеля размером 40-100 мкм в количестве 5 от массы и ипоя

ПОСсу 61-0,5

ПОСсу 61-0,5

9,4

Sn 95; Л15: порошок никеля в кол. 10 от массы и ипоя

Sn 85; Л1 15; порошок никеля в кол. 4, от массы и ипоя

Составитель В.Созаев

Техред M.Моргентал Корректор Л.Козориз

Редактор

Заказ 3941 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ных 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

MPA-500 показали, что прочность паяного соединения 9,4 МПа, 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 соеди5 нения 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

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

15 размером 40 — 100 мкм в количестве 4 — 10 от массы припоя, при этом алюминий и олово содержатся в следующих соотношениях мас,%: алюминий

20 олово