Способ бесфлюсовой пайки разнородных материалов


 


Владельцы патента RU 2442680:

Учреждение Российской академии наук Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к пайке, в частности к способам бесфлюсовой пайки разнородных материалов, которые могут быть использованы для соединения деталей сборных плат, термо- и солнечных батарей, опто- и радиоэлектронной техники. Способ включает послойное нанесение на соединяемые поверхности металлической меди и металлического галлия с последующей термообработкой соединяемых поверхностей при температуре 70-150°С, при этом слой металлической меди и слой металлического галлия наносят электролизом поочередно в две ступени, при этом обе ступени электролиза осуществляют при одинаковой катодной плотности тока в интервале 2,5-5,7 А/дм2 и соотношении времени электролиза первой и второй ступеней, равном τCuGa=5÷3:4÷2. Способ обеспечивает возможность получения спая регулируемой толщины при абсолютно ровном покрытии спаиваемых поверхностей. При этом используется простое оборудование - электролизер и сушильный шкаф. 3 пр.

 

Изобретение относится к пайке, в частности к способам бесфлюсовой пайки разнородных материалов, которые могут быть использованы дня соединения деталей сборных плат, термо- и солнечных батарей, в опто- и радиоэлектронной технике.

Известен способ трудно соединяемых материалов, в частности стекла, керамики, а также металлов из группы, включающей Si, Ge, Al, Ti, Zr, Та; путем пайки при температуре ниже 180°С сплавом состава, масс.%: 2÷98 Pb; 1÷97,5 Sn; 0,5÷60 Cd и 0,05÷10 Zn, наносимого на спаиваемые поверхности с применением вибрации, предпочтительно сверхзвуковой (патент US 4106930, МПК В22K 35/12, 1978).

Недостатками известного способа является возможность распая при нагреве изделия во время эксплуатации выше температуры ликвидуса сплава, вследствие недостаточного контакта на отдельных участках поверхностей за счет неравномерного нанесения на соединяемые поверхности сплава, а также токсичность некоторых составляющих припоя (Pb, Cd).

Известен способ бесфлюсовой пайки разнородных материалов путем катодного напыления слоя меди на одну из соединяемых поверхностей с последующим нанесением (набрызгивание) пасты легкоплавкого сплава на основе галлиевых, индиевых, висмутовых или оловянных сплавов, в основном близких к эвтектическому составу, и термообработкой соединяемых поверхностей в интервале температур 70-150°С (прототип) (патент US 5522535, МПК В23K 31/02; 1996).

Известный способ имеет следующие недостатки, во-первых, необходимость в сложном оборудовании для нанесения катодного напыления, во-вторых, возможность непропая отдельных участков соединяемых поверхностей вследствие механического нанесения мягкого припоя, при котором сложно регулировать толщину слоя наносимой пасты.

Таким образом, перед авторами была поставлена задача разработать простой и надежный способ соединения разнородных материалов путем бесфлюсовой пайки.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе бесфлюсовой пайки разнородных материалов путем послойного нанесения на соединяемые поверхности металлической меди и металлического галлия с последующей термообработкой соединяемых поверхностей при температуре 70-150°С, отличающемся тем, что слой металлической меди и слой металлического галлия наносят электролизом поочередно в две ступени; при этом обе ступени электролиза осуществляют при одинаковой катодной плотности тока в интервале 2,5-5,7 А/дм2 и соотношении времени электролиза первой и второй ступени, равном τCuGa=5÷3:4÷2.

Предлагаемый способ позволяет осуществить соединение деталей, например, в сборных платах термо- и солнечных батарей, опто- и радиоэлектронной техники с использованием состава для низкотемпературного бесфлюсового соединения изделий, полученного путем электрохимического осаждения на сочленяемые поверхности детали и подложки слоями регулируемой толщины электролитных меди и галлия из соответствующих медно-сульфатных и щелочно-галлатных водных электролитов, последующей водной и спиртовой промывки, просушки и термообработки под небольшим давлением при температуре, допускаемой для используемых материалов соединяемых изделий, с получением соединения, имеющего температуру распая не ниже 460°С. В настоящее время известен способ электролитического осаждения меди из раствора медного купороса с поверхностно-активной добавкой, например желатины (В.А.Козлов, С.С.Набойченко, Б.Н.Смирнов. "Рафинирование меди", М.: Металлургия, 1992, с.105). Также известен способ электрохимического получения галлия из натрий-галлатного раствора, полученного выщелачиванием водой спека оксида галлия и едкого натра (Н.А.Сабирзянов, С.П.Яценко. "Гидрохимические способы комплексной переработки бокситов", Екатеринбург: УрО РАН, 2006, с.174). Однако без проведения экспериментальных исследований было не ясно, возможно ли, и если возможно, то при каких условиях, получить прочное соединение разнородных материалов с использованием в качестве состава для бесфлюсовой пайки нанесенных электролитически на соединяемые поверхности слоев меди и галлия. Экспериментальные исследования, осуществленные авторами, позволили установить, что прочное соединение с высокой температурой распая может быть получено в случае проведения последовательного электролитического осаждения сначала меди, а потом галлия в идентичном интервале плотностей катодного тока, соблюдая при этом определенное соотношение времени электролиза, необходимого для получения слоев соответствующей толщины меди и галлия, обеспечивающих при последующей термообработке прочное соединение разнородных материалов. Так, экспериментально установлено, значения катодной плотности тока на первой и второй ступенях электролиза должны лежать в интервале 2,5-5,7 А/дм2. При этом необходимость ведения процесса электролиза на обеих ступенях при одинаковом значении катодного тока объясняется следующими причинами. Толщина слоя осаждаемого электролитически металла напрямую связана с его массой. В соответствии с законом Фарадея масса осаждаемого металла зависит от трех факторов, а именно от катодной плотности тока, времени электролиза и природы осаждаемого элемента. При условии проведения первой и второй ступеней электролиза при одинаковых значениях плотности тока для осаждения конкретных элементов (медь и галлий) авторами экспериментально были установлены временные промежутки первой и второй стадий электролиза. В случае увеличения значений катодного тока более 5,7 А/дм2 начинается переход от компактных осадков к порошковым покрытиям и интенсивный рост дендритов, имеющих перпендикулярное направление к основе, что препятствует получению прочного соединения. Уменьшение значений катодного тока менее 2,5 А/дм2 приводит к образованию частиц разных размеров вследствие локальных изменений плотности тока, что в конечном итоге также является причиной ухудшения прочности соединения. Существенным признаком осуществления предлагаемого способа является соотношение времени проведения первой и второй ступеней электролиза. Авторами экспериментально установлено, что для получения достаточно прочного соединения необходимо соблюдение соотношения времени осаждения меди и времени осаждения галлия в интервале 5÷3:4÷2. В случае отклонения соотношения времени осаждения меди и галлия в большую и меньшую сторону после термообработки соединяемых деталей в соединительном шве наблюдается остаточная низкотемпературная фаза CuGa2 с температурой плавления 254°С, что обусловливает возможность распая шва при высоких рабочих температурах.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Предварительно готовят два водных электролита. Для осаждения медного слоя применяют 0,5-1,5-молярный раствор медного купороса (CuSO4) с поверхностно-активной добавкой, например желатины 0,1-0,5% раствор. Для осаждения галлиевого слоя применяют натрий-галлатный раствор с щелочностью 2,0-8,0 молей и щелочным модулем (Na2O/Ga2O=α) 2,0-6,0; полученный выщелачиванием водой спека оксида галлия и едкого натра.

Первую ступень электролиза для осаждения слоя меди осуществляют при катодной плотности тока 2,5-5,7 А/дм2. Анодом служит медная пластина. Выход по току составляет 80-90% от теоретического. Толщину слоя меди на катоде (h) вычисляют по формуле h=i·q-B·τ/ρ, где i - плотность катодного тока, В - выход меди по току, τ - время осаждения, q - электрохимический эквивалент, ρ - плотность меди. Электролиз ведут до получения слоя толщиной 1-3 мкм.

Вторую ступень электролиза для получения слоя галлия осуществляют при той же катодной плотности, что и первую ступень. При этом время электролиза определяют из соотношения τCu=5÷3:4÷2. Анодом может служить металлический галлий или нерастворимый анод (никелевый, нержавеющая сталь и др.). Выход по току галлия составляет около 80% от теоретического.

Уточнение времени осаждения как меди, так и галлия проводят взвешиванием просушенных образцов.

Затем после водной и спиртовой промывки и просушки осуществляют наложение поверхностей соединяемых пластин, одна из которых (в случае соединения электропроводного и неэлектропроводного материалов) или обе (в случае соединения электропроводных материалов) покрыты слоем меди и галлия, с последующей выдержкой под нагрузкой при температуре 70-150°С. По данным рентгенофазового анализа получают соединительный шов, имеющий структуру типа γ-латуни с температурами перитектических реакций: γ3=468°С, γ2=485°С, γ1=645°C.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами конкретного исполнения.

Пример 1. Соединение кремниевых тонких пластин (толщиной 205 мкм) между собой. Площадь соединяемых поверхностей составляет 17,5 см2.

На обеих сторонах пластин из кремния закрепляют в виде спирали медную проволоку в качестве токоподвода. Анодом служит медная пластинка. Электроды располагают вертикально на расстоянии 5 см в водном растворе 1,5 мол. медного купороса (10 г Сu/дм3, Н2SO4 50 г/дм3) с добавлением 0,1% желатина. Первую ступень электролиза ведут при комнатной температуре и плотности катодного тока 5,7 А/дм2 в течение 2 минут. Выход по току 90%.

На второй ступени осуществляют осаждение слоя галлия на соединяемую поверхность одной из пластин путем электролиза натрий-галлатного водного раствора состава 70 г Gа2O3 и 232 г Na2O в 1 дм3 (α=3,5) при температуре 35°С и плотности катодного тока 5,7 А/дм2 в течение 1,5 мин (при этом τCu=4:3). В качестве анода используют галлий. Выход по току около 95%.

Соединение пластин после водной и спиртовой промывки и просушки осуществляют наложением поверхности, покрытой слоем галлия, на поверхность, покрытую слоем меди, и последующей выдержкой в сушильном шкафу при температуре 150°С под давлением 1,0 кг/см2, создаваемой с помощью струбцины, в течение 6 часов. Прочность на разрыв 6,25 кгс/см2. Толщина спая составляет 2 мкм.

Пример 2. Соединение пластины из стали 3 (проводящий электрический ток образец) и пластины из ситалла (непроводящая электрический ток керамика) между собой. Площадь соединяемых поверхностей составляет 17,5 см2.

На стороне пластины из стали 3 закрепляют в виде спирали медную проволоку в качестве токоподвода. Анодом служит медная пластинка. Электроды располагают вертикально на расстоянии 5 см в водном растворе 1,5 мол. медного купороса (10 г Сu/дм3, Н2SO4 50 г/дм3) с добавлением 0,1% желатина. Первую ступень электролиза ведут при комнатной температуре и плотности катодного тока 2,9 А/дм2 в течение 3 минут. Выход по току 90%.

На второй ступени осуществляют осаждение слоя галлия на соединяемую поверхность пластины из стали 3 путем электролиза натрий-галлатного водного раствора состава 70 г Gа2О3 и 232 г Na2O в 1 дм3 (α=3,5) при температуре 35°С и плотности катодного тока 2,9 А/дм2 в течение 2 мин (при этом τCu=3:2). В качестве анода используют галлий. Выход по току около 95%.

Соединение пластин после водной и спиртовой промывки и просушки осуществляют наложением поверхности пластины из стали 3, покрытой сначала слоем меди, а затем слоем галлия, на поверхность пластины из ситалла и последующей выдержкой в сушильном шкафу при температуре 150°С под давлением 1,0 кг/см2, создаваемой с помощью струбцины, в течение 6 часов. Прочность на разрыв 5,4 кгс/см2. Толщина спая составляет 2 мкм.

Пример 3. Соединение пластин из стекла (не проводящих электрический ток) и пластины из никеля в виде фольги (проводящей электрический ток), помещаемой между пластинами из стекла. Площадь соединяемых поверхностей составляет 20 см2.

На обе стороны никелевой фольги, подвешенной в электролизер за подсоединенный токоподвод, электролитически осаждают слой меди из водного раствора 1,5 мол. медного купороса (10 г Сu/ дм3, H2SO4 50 г/дм3) с добавлением 0,1% желатина. Первую ступень электролиза ведут при комнатной температуре и плотности катодного тока 2,5 А/дм2 в течение 5 минут. Выход по току 90%.

На второй ступени осуществляют осаждение слоя галлия на обе стороны никелевой фольги путем электролиза натрий-галлатного водного раствора состава 70 г Gа2О3 и 232 г Na2O в 1 дм3 (α=3,5) при температуре 35°С и плотности катодного тока 2,5 А/дм2 в течение 4 мин (при этом τCu=5:4). В качестве анода используют галлий. Выход по току около 95%.

Соединение пластин после водной и спиртовой промывки и просушки осуществляют помещением никелевой фольги, покрытой слоем меди и галлия, между двумя стеклянными пластинами и последующей выдержкой в сушильном шкафу при температуре 150°С под давлением 1,0 кг/см2, создаваемой с помощью струбцины, в течение 6 часов. Прочность на разрыв 4,2 кгс/см2. Толщина спая составляет 1 мкм (без учета толщины фольги).

Таким образом, авторами предлагается простой и надежный способ соединения разнородных материалов, который обеспечивает возможность получения спая регулируемой толщины при абсолютно ровном покрытии спаиваемых поверхностей. При этом используется простое оборудование (электролизер, сушильный шкаф). Рабочие температуры эксплуатации паяных изделий составляют порядка 460°С.

Способ бесфлюсовой пайки разнородных материалов путем послойного нанесения на соединяемые поверхности металлической меди и металлического галлия с последующей термообработкой соединяемых поверхностей при температуре 70-150°С, отличающийся тем, что слой металлической меди и слой металлического галлия наносят электролизом поочередно в две ступени, при этом обе ступени электролиза осуществляют при одинаковой катодной плотности тока в интервале 2,5-5,7 А/дм2 и соотношении времени электролиза первой и второй ступени, равном τCuGa=5÷3:4÷2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области сварки, а именно к способу изготовления осесимметричных сварных конструкций из алюминиевых сплавов, работающих под давлением. .

Изобретение относится к способу изготовления осесимметричных сварных конструкций из алюминиевых сплавов, работающих под давлением. .

Изобретение относится к способу и устройству стыкового соединения лазерной сваркой полос (В) листового проката. .

Изобретение относится к аппарату для автоматической электродуговой сварки рельсов. .

Изобретение относится к способу дуговой сварки в среде защитных газов полос на специализированных машинах, которые устанавливаются в непрерывных металлургических агрегатах, например травильных линиях, агрегатах укрупнения или формирования рулонов.

Изобретение относится к сварочному производству, а точнее к способам и устройствам для замоноличивания сваркой кромок гофр стенок корпусов трансформаторов, и может быть использовано в энергомашиностроении при изготовлении гофростенок сварных корпусов трансформаторов с протяженными поверхностями активного охлаждения.

Изобретение относится к многоэлектродному устройству для контактной сварки арматурной сетки. .

Изобретение относится к области сварки, а именно к способам изготовления стальных осесимметричных сварных конструкций ответственного назначения, и может быть использовано при сварке сложнопрофильных конструкций, включающих сочетание разнотолщинных элементов.

Изобретение относится к ремонту моноблочного оснащенного лопатками диска турбомашины. .

Изобретение относится к судостроению, мостостроению, строительству и другим отраслям промышленности, где широко используются ребристые панели, а также длинномерные тавровые и двутавровые профили

Изобретение относится к способу изготовления осесимметричных сварных конструкций

Изобретение относится к области сварки, а именно к способам изготовления осесимметричных стальных сварных конструкций ответственного назначения, работающих под давлением, и может быть использовано при сварке сложнокомбинированных конструкций, включающих сочетание массивных и тонкостенных элементов

Изобретение относится к способу получения соединения сваркой трением нескольких плоских, прилегающих друг к другу деталей, удерживаемых вместе посредством соединительного элемента, буртик которого опирается на верхнюю деталь, и торцевая сторона которого вместе с нижней деталью образует зону сварки трением путем вращения и давления соединительного элемента

Изобретение относится к области сварки, а именно к способам изготовления осесимметричных сварных конструкций из алюминиевых сплавов, и может быть использовано при сварке сложных конструкций, включающих сочетание массивных и тонкостенных элементов

Изобретение относится к области изготовления сопла камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (далее ЖРД), содержащего наружную и внутреннюю оболочки

Изобретение относится к области сварки, а именно к способам изготовления высокопрочных тонкостенных осесимметричных стальных оболочковых корпусов ответственного назначения, и может быть использовано при сварке конструкций в виде сосудов, работающих под высоким давлением
Изобретение относится к керамическим материалам и их соединениям с металлическими изделиями при изготовлении отдельных узлов электровакуумной аппаратуры, использующейся в радио- и электронной технике

Изобретение относится к области металлообрабатывающей промышленности
Наверх