Способ композиционной пайки

 

Изобретение может быть использовано в электронной технике при пайке разнородных материалов, преимущественно металлов с кремнием, кварцевым стеклом, керамикой. Для пайки используют композиционный припой, содержащий твердофазную пористую ферромагнитную матрицу и легкоплавкую диамагнитную компоненту. Готовое к пайке соединение размещают в магнитном поле из условия увеличения капиллярной силы, действующей на легкоплавкую компоненту, за счет получения магнитной силы, выталкивающей ее из ферромагнитной матрицы. Пайку производят при температуре, ниже магнитного превращения твердофазной матрицы. Способ позволяет получить прочные соединения с заданной толщиной и физико-механическими свойствами.

Изобретение относится к области пайки разнородных изделий, преимущественно металлов с кремнием, кварцевым стеклом и керамикой, с помощью композиционных припоев и может быть использован в электронной технике.

Известны способы композиционной пайки неметаллических материалов с металлами [1], при которых между поверхностью неметаллического материала и припоем создается капиллярно-пористая порошковая среда из тугоплавкого металла (например, титана). В процессе пропитки капиллярно-пористой среды припой обогащается атомами титана, что обеспечивает лучшее смачивание поверхности паяемой детали.

Известен способ композиционной пайки, согласно которому процесс ведут с использованием пористой металлической среды, смачиваемой припоем до или в процессе пайки [2]. При повышении температуры легкоплавкая компонента композиции плавится и по капиллярным каналам пористого металла за счет капиллярного давления подводится к поверхности паяемых деталей. Варьируя пористость металла, можно формировать заранее заданные физико-химические свойства контакта и, в частности, коэффициент теплового расширения. Использование пористых металлических прослоек или композиции на их основе позволяет получать соединения с заданной толщиной.

Из известных способов композиционной пайки наиболее близким является способ соединения разнородных материалов, основанный на пайке припоем с наполнителем из пористой металлической среды, отличающийся тем, что с целью повышения прочности паяных соединений металлическая среда выполнена с размерами пор 0,1-10 мкм [3].

Недостатком этого способа является зависимость капиллярного давления (а следовательно, необходимой для качественной пайки скорости пропитки) от размеров капилляров данной пористой среды. Это ограничивает возможности формирования заданных физико-химических свойств контакта металл-полупроводник (или диэлектрик), так как увеличение капилляров пористого металла уменьшает капиллярное давление, следовательно, уменьшает скорость переноса к паяемой поверхности адгезионно-активного металла (из которого обычно изготавливают пористые прокладки или композиции на их основе) внутри пор, а уменьшение размеров пор с целью увеличения капиллярного давления приводит часто к закупорке капилляров интерметаллидами или же к захлопыванию пор вследствие жидкофазного спекания. Кроме этого, подобным способом трудно проводить пайку шероховатых поверхностей, имеющих микровыступы и углубления. Поверхность с заданным рельефом часто формируется на керамиках с целью усиления адгезионной прочности паяного соединения.

Технический результат изобретения состоит в получении при пайке металлов с полупроводниками и керамиками паяных соединений с заданными толщиной и физико-химическими свойствами.

Технический результат достигается тем, что при пайке металлов с полупроводниками, кварцевым стеклом и керамиками используется композиционный припой на основе пористых ферромагнитных металлов, пропитанных легкоплавкой компонентой диамагнитных металлов (например, пористый никель, пропитанный индием, свинцом или припоем ПОС-1), а пайку производят при температуре, ниже магнитного превращения твердофазной матрицы, при этом готовое к пайке соединение помещают в магнитное поле так, чтобы за счет магнитных сил, выталкивающих диамагнитную компоненту из ферромагнитной матрицы, увеличить капиллярные силы, действующие на легкоплавкую компоненту композиционного припоя.

Преимущество указанного способа пайки перед известными состоит в обеспечении нужной толщины паяного шва, заданных физико-химических свойств соединения. Последнее обеспечивается тем, что скорость процесса пайки может регулироваться величиной магнитного поля. Увеличение капиллярного давления за счет магнитных сил позволяет использовать композиционные припои с более широким по размерам капилляров спектром пористых металлов, что обеспечивает формирование заранее заданных физико-химических свойств контакта металл-полупроводник, кварцевое стекло или керамика.

Способ осуществляется следующим образом: на припаиваемый металл накладывается полоска композиционного припоя (пористый ферромагнитный металл, пропитанный легкоплавким диамагнитным припоем) и затем керамика, кварцевое стекло или полупроводник. Все соединение, готовое к пайке, помещается в специальной (из немагнитного материала) кассете в магнитное поле. Кассета с паяемыми образцами располагается таким образом, чтобы выталкивающая магнитная сила, действующая на диамагнитную легкоплавкую компоненту композиции, была направлена к поверхности детали и усиливала капиллярные силы, действующую на легкоплавкую компоненту композиционного припоя. Затем готовое к пайке соединение нагревают до температуры пайки легкоплавкой компоненты композиции, но не выше температуры Кюри ферромагнитного пористого металла.

Пример 1

На шайбу из стали внешним диаметром 35 мм внутренним диаметром 14 мм помещали шайбу композиционного припоя толщиной 100 мкм, с внешним диаметром 25 мм и внутренним диаметром 14 мм. Композиционный припой представляет собой пористый никель пористостью 30% и с размером пор 1-2 мкм, пропитанный индием. Затем сверху шайбы композиционного припоя помещался кварцевый диск с внешним диаметром 25 мм. Готовое к пайке соединение зажималось в медную кассету, помещалось в магнитное поле величиной 2000 Э. Нагревание образцов производилось с помощью плоского нагревателя с бифиллярной обмоткой в вакууме 10^-2 Па до температуры 170°-180°С и выдерживалось в течение 3-5 минут, в результате достигалось прочное паяное соединение.

Пример 2.

На подложку из меди 35×35 мм помещали шайбу композиционного припоя толщиной 100 мкм с внешним диаметром 25 мм и внутренним диаметром 14 мм. Композиционный припой представляет собой пористый никель пористостью 30% и с размером пор 1-2 мкм, пропитанный индием. Затем сверху шайбы композиционного припоя помещался кварцевый диск с внешним диаметром 25 мм, толщиной 1 мм. Готовое к пайке соединение зажималось в медную кассету, помещалось в магнитное поле величиной 2000 Э. Нагревание образцов производилось с помощью плоского нагревателя в вакууме 10^-2 Па до температуры 125-130°С. Данный режим позволял получать прочное паяное соединение.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.С. 219770 (СССР) Найдич Ю.В. Способ спаивания деталей из оптического кварцевого стекла с деталями из меди. - Опубл. в Б.И. №19, 1968.

2. Лоцманов С.Н. и др. Справочник по пайке. М.: Машиностроение, 1975, С.59-60.

3. А.С. 971602 (СССР) Чижик С.П., Скляров И.К., Чепкунов В.В., Касьянов В.В., Терехов С.Б., Григорьева Л.К., Лаповок В.Н., Боравская Г.Б. Способ соединения разнородных материалов. Опубл. в Б.И. №41, 1982.

Формула изобретения

Способ композиционной пайки металлов с полупроводниками, или кварцевым стеклом, или керамиками, при котором используют композиционный припой, содержащий твердофазную пористую ферромагнитную матрицу и легкоплавкую диамагнитную компоненту, отличающийся тем, что готовое к пайке соединение размещают в магнитном поле из условия увеличения капиллярной силы, действующей на легкоплавкую компоненту, за счет получения магнитной силы, выталкивающей ее из ферромагнитной матрицы, при этом пайку производят при температуре ниже магнитного превращения твердофазной матрицы.