Припой для бесфлюсовой пайки и способ его изготовления
SOLDER FOR FLUX-FREE SOLDERING AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к пайке диффузионно-твердеющими припоями на основе галлия и может быть использовано для получения неразъемных соединений разнородных материалов, в частности, для низкотемпературной бесфлюсовой пайки мощных электрорадиоизделий на теплоотводящие основания.
Известен способ диффузионной пайки [1] припоем, содержащим равные части галлия, олова и металлического наполнителя.
-5
-6
Недостатками этого припоя являются высокая температура пайки (припой и детали должны иметь температуру не ниже 70°C), большая вязкость композиции и сложная технология ее приготовления и применения, требующая создания разряжения до 10-10 мм. рт.ст. с последующим напуском инертного газа.
Известен припой для бесфлюсовой пайки [2], содержащий, масс. %:
Галлий
45-50
Медно-серебряный сплав
8-12
Медно-оловянный сплав
Остальное
Недостатком этого припоя является высокая вязкость припоя и необходимость в постоянном подогреве инструментов и материалов (температура плавления галлия 30°C), что доставляет неудобства в работе.
Известен припой для бесфлюсовой пайки разнородных материалов [3], содержащий, масс. %:
Галлий
32-45
Медно-серебряный сплав
8-12
Оксид алюминия
0,5-3
Цинк
3-7
Латунь
Остальное
Недостатком этого припоя является также необходимость подогрева припоя и соединяемых деталей, высокая вязкость композиции и необходимость работать с использованием давления, что невозможно при монтаже мощных электрорадиоизделий (например, бескорпусных монолитных интегральных микросхем).
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является способ с использованием припоя для бесфлюсовой пайки, включающий галлий, медь с размером частиц 25-45 мкм и олово [4] при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Галлий
54-66,5
Медь
30-40
Олово
3,5-7
К недостаткам прототипа можно отнести:
- неудобство нанесения и низкая смачивающая способность припоя при комнатной температуре (температура плавления эвтектической смеси галлий + олово 20°C [5]);
- высокая вязкость припоя, большая толщина паяного шва;
- малое время жизнеспособности припоя (отверждение начинается через 15 минут) и высокая вязкость, что затрудняет работу с ним при монтаже мощных электрорадиоизделий.
Задачей изобретения является создание композиции припоя и способа его изготовления, позволяющего производить пайку мощных электрорадиоизделий (в частности, кристаллов монолитных интегральных микросхем) на теплоотводящие основания при комнатной температуре (15-35°C) и контактном давлении.
Техническим результатом является увеличение времени жизнеспособности припоя и механической прочности соединения, снижение времени отверждения припоя.
Технический результат достигается тем, что при получении припоя для бесфлюсовой пайки разнородных материалов, индий вводят в расплав галлия, после чего вводят медный порошок с размером частиц 25-40 мкм, причем содержание компонентов выбирают из условия получения припоя следующего состава, мас.%:
Галлий
50-60;
Индий
10-15;
Медь
Остальное
Медный порошок перед введением в состав припоя подвергают обработке (декапированию) раствором соляной кислоты.
Частицы медного порошка после декапирования покрывают тонким слоем серебра.
На первом этапе галлий помещают во фторопластовый стакан, нагревают до температуры 40-60°C и при механическом перемешивании вводят индий. Введение индия в расплав галлия понижает температуру плавления до 15°C и позволяет в дальнейшем работать с составом при комнатной температуре. На втором этапе в полученный расплав вводят медный порошок и механически перемешивают до получения однородной массы. Полученная композиция сохраняет жизнеспособность в течение 2 часов. Композицией смачивают поверхности соединяемых деталей и с помощью пленочной маски формируют на одной из поверхностей слой композиции толщиной 100-150 мкм, после чего поверхности совмещают. Отверждение состава осуществляется без приложения давления по одному из режимов:
при температуре 80°C в течение 18 часов, или
при температуре 120°C в течение 4 часов, или
при температуре 150°C в течение 1 часа.
Данный (заявляемый) припой для диффузионной пайки обладает следующими свойствами:
прочность паяного шва при отрыве (на титановых брусках 10×10×30 мм с покрытием НЗ.ЗлЗ)
не менее 80 кгс/см
удельное объемное электрическое сопротивление отвержденного припоя
1,2⋅10<sup>-5</sup> Ом⋅см
теплопроводность отвержденного припоя (расчетная)
92 Вт/м⋅K
Воздействие климатических факторов не ухудшает прочностные и электрические показатели припоя.
При проведении экспериментальных работ с припоями для диффузионной пайки была выявлена некоторая нестабильность времени жизнеспособности и отверждения композиций, содержащих медный порошок. Было установлено, что данное явление проявляется только при длительном хранении порошка и обусловлено наличием оксидной пленки на поверхности частиц меди. Одним из путей решения данной проблемы является обработка медного порошка (декапирование) раствором соляной кислоты с последующей отмывкой дистиллированной водой и сушкой.
3
2
2
При необходимости длительного хранения медного порошка, используемого для приготовления припоев возможно покрытие частиц медного порошка тонким слоем серебра. Для этого медный порошок помещается в раствор, содержащий 26-52 г/л AgNO, 60-240 г/л лимонной кислоты и 40-80 г/л тиомочевины, и перемешивается при комнатной температуре в течение 10-20 минут. Затем медный порошок отделяется (седиментацией или фильтрованием), промывается дистиллированной водой и сушится. Эта технология обработки металлического наполнителя позволяет уменьшить время отверждения припоя до 1,5 часов по сравнению с заявляемой композицией и увеличить прочность клеевого соединения при отрыве с 80 кгс/см до 100-120 кгс/см.
Использование галлия и индия в указанном соотношении и наполнителя - медного порошка с указанным размером частиц обеспечивает возможность пайки при комнатной температуре, низкую вязкость композиции, позволяющую производить пайку мощных электрорадиоизделий без приложения давления (при контактном давлении), высокую механическую прочность, минимальную толщину и высокую теплопроводность паяного шва.
Список литературы
6
1. Патент РФ: RU 2053063 от 27.01.1996, МПК B23K 1/00 - «Способ пайки деталей диффузионно-твердеющими припоями».
8
2. Патент РФ: RU 2317882 от 27.02.2008, МПК B23K 35/26 - «Припой для бесфлюсовой пайки».
8
3. Патент РФ: RU 2432242 от 27.10.2011, МПК B23K 35/28 - «Припой для бесфлюсовой пайки».
8
4. Патент РФ: RU 2498889 от 20.11.2013, МПК B23K 35/26 - «Припой для бесфлюсовой пайки».
5. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т. 2 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1997. - 1024 с.