Способ пайки деталей из разнородных материалов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«ii737144 (61) До пол нител ьн ое к а вт. св ид- ву— (51) М. Кл. (22) Заявлено 11.01.78 (21) 2567111/25-27 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

В 23 К 1/00

Государстееииый комитет

IIo делам изооретеиий и открытий

Опу>бликовано 30.05.80. Бюллетень № 20

Дата опубликования описания 05.06.80 (53) УДК 621.791..3 (088. 8) (72) Автор изобретения

1О. К. Непочатов (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПАЙКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ РАЗНОРОДНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к пайке, в частности к способам пайки разнородных материалов, и может быть использовано в электронной технике. . Известен способ пайки разнородных материалов, при котором между соединяемыми деталями размещают компенсационные прокладки из материала, смачиваемого припоем и имеющего коэффициент термического расширения (КТР) средний между паяемыми материалами (1).

Однако данный способ не позволяет полностью ликвидировать термомеханические ,напряжения.

Известен также способ пайки, при котором в зазоре. между соединяемыми деталями размещают сетку из металла, смачиваемого припоем (2).

Однако применение сетки лишь частично компенсирует различие КТР соединяемых материалов за счет пластической деформации в толстом слое припоя.

Известен способ пайки деталей из разнородных материалов, преимущественно плоской металлизированной керамической подложки с металлическим основанием, при котором между соединяемыми деталями размещают сетку из несмачиваемого припоем материала и припой, после чего производят нагрев до температуры пайки (3). Данный способ позволяет снизить термомеханические напряжения и повысить термическую прочность спая за счет расчленения спая на множество локальных точек пайки и помещения в зону спая между керамикой и металлом упругой сетки из силиконовой резины.

Однако данный способ пайки кераммктт с металлами эффективен лишь при малых

10 уровнях рассеиваемой мощности.

При больших (-20 Вт/см ) удельных мощностях рассеивания керамическими элементами, расположенными на керамической подложке, например, тонкопленочных резисторов, используемых в качестве поглотителей отраженной СВЧ энергии, возрастает перепад температур между соединяемыми деталями. Это обусловлено тем, что резиновая сетка обладает низкими теплопроводящими свойствами и увеличивает контактное

2о тепловое сопротивление, вследствие чего ухудшается теплоотвод, возникает перегрев элементов и они выходят из строя.

Цель изобретения — улучшение теплоотвода от керамической подложки.

737144

Поставленная цель достигается тем, что сетку получают путем напыления пленки металла на металлизированную поверхность керамики с последующим локальным прот, равливанием указанной пленки, производят лужение смачиваемой поверхности металлизированной керамики и поверх сетки устанавливают рамку, обусловливающую образование микрополостей, а после пайки микрополости заполняют теплопроводящим материалом.

На фиг. 1 — 5 изображена последовательность операций при изготовлении керамической подложки и частичной сборке паяемого узла; на фиг. 6 — паяное соединение плоской керамической подложки с металли ческим основанием; на фиг. 7 — сечение

А — А на фиг. 6.

Способ осуществляется следующим образом.

Первоначально на керамическую подложку 1 (фиг. 1) наносят сплошной металлизированный слой 2,,имеющий хорошую способность смачиваться мягкими припоями.

Затем на металлизированный слой 2 напыляют слой металла 3, который практически не смачивается мягкими припоями, и проводят локальное его травление на всю толщину путем фотолитографии. Полученный рисунок облуживают, при этом вскрытые окна в материале 3 заполняются припоем, образуя столбики 4. На подготовленную таким образом подложку устанавливают рамку 5.

Затем к металлическому основанию 7 припаивают с помощью столбиков припоя керамическую подложку. В зоне спая между подложкой и металлическим основанием образуются микрополости 6, которые заполняют теплопроводящим материалом 8 через отверстие 9 в рамке.

Пример. На поверхность подложки из керамики типа «Поликор» размером 30 Х

X48X I мм последовательно напыляют слои хрома толщиной 300 —,500 А, меди 7 — 8 мкм) и хрома (300 — 500 Л). Затем rio слою хрома, нанесенного на медь, проводят фотолитографию, в результате которой на поверхности подложки получают рисунок, представляющий собой сетку с квадратными ячейками размером 1 Х 1 мм с шагом 2 мм. Слой хрома протравливают на всю толщину, в результате чего в ячейках обнажается слой меди. Затем подложку погружают в ванну с расплавленным припоем на основе олова и индия типа ОИ-52, при этом вытравленные ячейки заполняются данным припоем, образуя столбики высотой 200 — 300 мкм. Образование последних происходит за счет сил поверхностного натяжения и хорошей смачиваемости участков медной пленки припоем.

В качестве металлического основания используют пластины из алюминиевого сплава

Д-16 размером ЗОХ48Х2 мм»,=покрытые сло- ем никеля (15 мкм), меди (6 мкм) и сплавом олово-висмут (9 мкм) и облуженные припоем ОИ -52.

Между подложкой и пластиной укладывают фольгу припоя ОИ-52 толщиной 50 мкм и несмачиваемую припоем никелевую рамку толщиной 200 мкм и шириной 2 мм. Эта рамка обеспечивает образование микрополос-. тей в зоне спая между подложкой и металлическим основанием, что создает условия для формирования в зоне спая множества !

Î столбиков припоя, соединяющих собой подложку с основанием. Поскольку сетка на подложке выполнена с шагом, позволяющим чередовать участки, смачиваемые и несмачиваемые припоем, то столбики припоя повторяют этот шаг, поэтому между ними образуется пространство, в котором они могут деформироваться при возникновении термомеханических напряжений и тем самым компенсировать их.

Пайку образцов производят в печи в атмосфере азота при + 150 С с использованием контрольно-спиртового флюса.

Подложки из полнкора, припаянные на металлические основания из сплава Д-16 предлагаемым способом, выдерживают 750800 термоциклов в диапазоне температур от

-60 до + 120 С.

Подложка опирается своими кромками на рамку так, что между металлическим основанием и подложкой образуются микрополости. Через отверстие в рамке этот зазор заполняют теплопроводящим материалом в виде жидкости, в виде пасты, приобретающей текучесть при нагреве, а затем твердеющей, и т. д. с-наполнителями из высокодисперсных очищенных окислов и металлов. Так, заполнение микрополостей алюминиевой пудрой, смешанной с техническим маслом или теплопроводящей пастой типа

КПТ-8 снижает тепловое сопротивление в

3 — 4 раза. Благодаря тому, что имеются микрополости, наибольший эффект дает применение пасты на основе окиси бериллия. Рас4о четы показывают, для резистора, расположенного на подложке, с мощностью рассеяния 1 Вт заполнение микрополостей пастой

КПТ-8 дает снижение температуры резистора примерно иа 100 С по сравнению с температурой резистора, когда между подлож45 мои и металлическим основанием расположена резиновая сетка. Так как паста обладает достаточной вязкостью, она не вытекает из микрополостей в течение срока службы аппаратуры.

Таким образом, предлагаемый способ соединения позволяет обеспечить качественное и надежное соединение керамики с металлом работающее в условиях циклических изменений температур, и улучшить теплоотвод за счет того; что подложка опирается своими кромками на рамку и при этом между металлическим основанием и подложкой в зоне спая образуются микрополости, заполненные теплопроводящим материалом. г

737144

Формула изобретения

Фиг. f

Фиг. 2.

Уменьшение термомеханических напряжений, возникающих из-за разницы КТР на границах подложка-припой и припой-ме-, таллическое основание, происходит за счет пластической деформации столбиков специальной формы и высоты, образованных припоем в зоне спая. Соединение в этом случае является «островковым» и распределение общего напряжения представляет собой сумму локальных напряжений, которые зависят от геометрической формы столбиков припоя. Увеличение высоты столбиков припоя 1ф в соединении приводит к уменьшению объемного напряжения сдвига, а также максимального локального напряжения сдвига.

Это связано с тем, что с увеличением высоты столбиков (т. е. толщины рамки) изме15 няется площадь горизонтального поперечного сечения столбиков, влияющего на распределение локального напряжения.

Наличие микрополостей позволяет улучшить отвод тепла от подложки путем заполнения их .теплопроводящим материалом.

Способ пайки деталей из разнородных материалов, преимущественно плоской метал/ ь лизированной керамической подложки с металлическим основанием, при котором между соединенными деталями размещают сетку из несмачиваемого припоем материала и припой, после чего производят нагрев до температуры пайки, отличающийся тем, что, с целью улучшения теплоотвода от керамической подложки, сетку получают путем напыления пленки металла на металлизированную поверхность керамики с последующим локальным протравливанием указанной пленки, затем производят лужение смачиваемой поверхности металл изированной керамики и поверх сетки устанавливают рамку, обусловливающую образование микрополостей, а после пайки микрополости заполняют теплопроводящим материалом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Имшенник К. П. и Бухман H. А. Технология пайки твердосплавного инструмента. М., Машгиз, 1954, с. 28 — 38.

2. Лашко Н. Ф. и Лашко С. В. Пайка металлов. M., «Машиностроение», 1977, с. 175 — 176.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2473300/25-27, 12.03.77.

737144

Составитель Ф. Конопелько

Редактор Л. Веселовская Техред К. Шуфрич Корректор Н. Григорук

Заказ 2529/2 Тираж П60 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий! 13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4