ПРИПОЙ ДЛЯ ПАЙКИ
SOLDER METAL FOR SOLDERING

Изобретение относится к технологическим процессам, а именно к пайке различных материалов электронной техники и, прежде всего, элементов электровакуумных изделий СВЧ.
Дальнейшее развитие электронной техники, в том числе электронной техники СВЧ, предъявляет особые требования как к надежности паяных соединений элементов изделий СВЧ при заданной рабочей температуре, так и составу применяемых в них припоев, так как они влияют, прежде всего, на их термомеханические характеристики и, следовательно, выходную мощность СВЧ.
При пайке элементов электровакуумных изделий СВЧ нашли широкое применение твердые припои, содержащие в большинстве своем значительное количество драгоценных металлов, таких как золото, платина, серебро, палладий, которые определяют низкую упругость паров, хорошую пластичность, смачивающую способность и жидкотекучесть.
Одной из характеристик припоя является запас по температуре плавления, позволяющий осуществлять проведение последующих, обусловленных технологией изготовления, многоступенных паек.
Известен твердый припой на основе меди [1], содержащий никель, олово, фосфор и одну или несколько поверхностно-активных добавок из следующих элементов периодической системы - галлий, индий, висмут, свинец, кадмий, цинк при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Никель
5-20
Олово
2-10
Фосфор
10-15
Поверхностно-активные добавки
0,01-0,5
Медь
остальное
Данный припой имеет ограниченные функциональные возможности - используется только для пайки металлов.
Кроме того, некоторые из указанных поверхностно-активных компонентов нежелательны, а другие недопустимы при пайке вакуумных соединений диэлектрических материалов с металлами.
Известен твердый припой также на основе меди, содержащий золото в количестве 35 вес.% [2]. Благодаря сочетанию меди и золота, имеющих достаточно высокие температуры плавления, 1083°С и 1063°С соответственно, данный припой имеет также высокую температуру плавления и, следовательно, достаточный запас по температуре плавления, что обеспечивает возможность проведения последующих многоступенных паек, как было указано выше, обусловленных технологией изготовления изделий электронной техники.
Однако данный припой благодаря пластичности и меди, и золота, а также их близким температурам плавления обладает пластичностью и хорошей смачивающей способностью, а также низкой жидкотекучестью, но только по отношению к металлам.
Кроме того, данный припой:
во-первых, непригоден для пайки неметаллизированных диэлектрических материалов вследствие
а) практического отсутствия их смачивания,
б) их низкой химической активности;
во-вторых, и это немаловажно, имеет в своем составе высокое содержание драгоценного металла - золота.
Известен твердый припой также на основе меди (прототип [3]) и содержащий германий и марганец при следующем соотношении компонентов, в вес.%:
Германий
5-12
Марганец
0,1-1,5
Медь
остальное
Германий в данном припое ведет себя как легирующий компонент и тем самым обеспечивает заданную температуру плавления припоя.
Марганец, который в данном припое ведет себя как химически и межфазно-активный элемент, обеспечивает и активность припоя в целом и тем самым позволяет осуществлять пайку металлов как с металлизированными, так и неметаллизированными диэлектрическими материалами.
Кроме того, как было сказано выше, и это немаловажно, данный припой не содержит драгоценных металлов.
Однако данный припой:
во-первых, имеет неэвтектический состав и, как следствие, его интервал кристаллизации близок к критическому, примерно равный 50°С, что может привести к нежелательным процессам растворения в припое металлической составляющей материала элементов изделия при пайке и, как следствие этого, снижению надежности как паяного соединения, так и изделия в целом;
во-вторых, имеет ограничения с точки зрения функциональных возможностей:
а) как с точки зрения используемых в паяном соединении материалов,
-3
б) так и среды, в которой осуществляют пайку - только высокий вакуум, давление не хуже чем 1,33×10 Па либо остроосушенный водород с температурой точки росы не более чем -35°С.
Техническим результатом предложенного изобретения являются повышение надежности паяного соединения, расширение функциональных возможностей при сохранении экономии драгоценных металлов.
Указанный технический результат достигается предложенным припоем для пайки на основе меди, германия и марганца.
В который дополнительно введен галлий в количестве 0,05-0,5 вес.% при следующем соотношении исходных компонентов, вес.%:
Германий
7-12,5
Марганец
0,08-1,2
Галлий
0,05-0,5
Медь
остальное
При пайке оксидных диэлектрических материалов между собой либо с металлами и их сплавами, равно как меди с другими металлами и их сплавами, припой имеет следующий состав, вес.%: германий 8,5-9,5, марганец 1-1,2, галлий 0,05-0,07, медь остальное.
Раскрытие сущности изобретения
Наличие в составе предложенного припоя галлия указанного количества и в совокупности с другими компонентами благодаря тому, что он имеет низкую температуру плавления, 29,9°С, обеспечивает снижение:
во-первых, интервала температуры плавления припоя на величину не менее 10°С, что является существенным технологическим фактором, что особенно важно, например, для пайки диэлектрических материалов с медью, так как тем самым уменьшается опасность растворения меди в припое и, следовательно, повышается надежность паяного соединения,
во-вторых, интервал температуры кристаллизации припоя в среднем на 5-10°С,
в-третьих, подавляет появление в припое хрупкой медно-германиевой фазы, ухудшающей пластичность.
Следует подчеркнуть, что даже незначительное изменение интервала температуры кристаллизации припоя приводит к ограничению нежелательных процессов растворения в припое металлической составляющей материала элементов изделия и, следовательно, к повышению надежности как паяного соединения, так и конструкции в целом.
Наличие галлия, в силу того что в предложенном припое он ведет себя как поверхностно активный элемент, обеспечивает улучшение:
во-первых, жидкотекучести припоя и тем самым улучшение условий пайки по капиллярным зазорам;
во-вторых, его смачивающей способности и, следовательно, повышение адгезии припоя к паяемым материалам соединения.
И то и другое обеспечивает повышение надежности паяного соединения.
То есть можно сказать, что галлий с точки зрения определяющей его роли в припое относительно таких его свойств, как низкая упругость паров, пластичность, ведет себя аналогично драгоценным металлам, например золоту.
Более того, наличие в припое галлия в совокупности с медью улучшает механическую прочность, пластичность и повышает его устойчивость к коррозии.
Наличие в предложенном припое для пайки:
- германия менее 7 вес.% нежелательно, так как может быть нарушена его основная функция в припое - обеспечение заданного интервала плавления, а более 12,5 недопустимо, так как приводит к появлению в припое хрупкой медно-германиевой фазы, ухудшающей пластичность, а следовательно, снижению надежности паяного соединения,
- марганца менее 0,08 неэффективно, а более 1,2 недопустимо, так как, во-первых, приводит к увеличению интервала плавления припоя, к увеличению концентрации марганца на поверхности припоя и тем самым резкому ухудшению технологических условий пайки и особенно в газовой среде; во-вторых, к росту упругости паров припоя;
- галлия менее 0,05 неэффективно, а более 0,5 приводит к нежелательному увеличению интервала плавления и тем самым к ухудшению технологических условий пайки, а следовательно, снижению надежности паяного соединения.
Предложенный как качественный, так и количественный состав припоя позволит расширить функциональные возможности, а именно:
- осуществлять соединение с металлами как металлизированных, так и неметаллизированных диэлектрических материалов, в том числе оксидных керамических материалов,
- осуществлять пайку в высоком вакууме не только в остроосушенном водороде с температурой точки росы не более чем -35°С, а просто в водороде, инертном газе, например очищенном аргоне.
Следует отметить, что в электровакуумных и твердотельных электронных приборах СВЧ наиболее широко применимы оксидные керамические материалы.
Итак, как следует из вышесказанного, предложенный припой для пайки обеспечит повышение надежности паяного соединения и расширение функциональных возможностей.
Примеры конкретного выполнения предложенного припоя для пайки.
Пример 1.
Берут навески германия ГОСТ-16153-70, марганца ГОСТ 6008-90, галлия ГОСТ 13637-93 в количестве 10, 1,00, 0,25 соответственно и медь ГОСТ 15471-77 остальное - 88,75 вес.%.
Перед смешиванием исходные компоненты проходят соответствующую обработку:
- марганец, германий и галлий обезжиривают и протирают спиртом,
- медь обезжиривают, травят и отжигают в среде водорода.
При этом галлий используют в виде лигатуры в меди.
Далее указанные навески компонентов марганца, германия и галлия в меди смешивают и плавят при заданной температуре в высоком вакууме.
Далее полученную заготовку припоя очищают, отжигают в высоком вакууме и подвергают прокатке до получения фольги заданной толщины.
Примеры 2-5.
Изготавливают припои аналогично примеру 1, но при других соотношениях исходных компонентов, указанных в формуле изобретения, а также за ее пределами.
Изготовленные припои были использованы для пайки оксидных диэлектрических материалов с медью марки МОб:
а) алюмооксидной керамики марки ВК94-1,
б) бериллиевой керамики марки ОБ-1.
-3
Пайку осуществляют в высоком вакууме, давление не хуже чем 1,33×10 Па.
На изготовленных образцах паяных соединений были измерены:
Механическая прочность на статический изгиб по схеме четырех точек на разрывной машине типа РМ-500.
-11
3
Герметичность с помощью гелиевого течеискателя типа ПТИ-10 со скоростью натекания не хуже 1,3×10 м Па/с.
Кроме того, была определена термостойкость в результате следующего цикла испытаний, а именно:
пятидесяти нагревов в режиме пайки до 900-950°С, трехкратного нагрева в водороде до 950°С, прогрева при 650°С в течение 12 часов, десяти термоциклов при температуре от -60 до 150°С на воздухе.
При этом после каждого вида испытаний проводят контроль герметичности и целостности паяного соединения. В таблице дан конечный результат.
Результаты испытаний сведены в таблицу.
Как видно из таблицы
-11
3
Механическая прочность на статический изгиб образцов паяных соединений, изготовленных с использованием припоя количественного состава, имеющего соотношение исходных компонентов, заявленных в формуле изобретения, составляет примерно 260 МПа, что говорит об увеличении механической прочности по сравнению с прототипом (пример 11) на 40-60 МПа; герметичность сохранена не хуже 1,3×10 м Па/с; термостойкость после указанного выше цикла испытаний также сохранена (примеры 1-3 и 6-8),
в отличие от образцов паяных соединений, изготовленных с использованием припоя количественного состава, имеющего соотношение исходных компонентов за пределами, заявленными в формуле изобретения (пример 4-5 и 9-10), где механическая прочность составляет менее 200 МПа; имеет место нарушение герметичности; не все образцы прошли термоциклирование.
Следует отметить, что результаты испытаний паяных соединений указанных диэлектрических материалов несколько отличаются друг от друга в силу того, что оксид бериллия характеризуется меньшей химической активностью.
Таким образом, предложенный припой для пайки по сравнению с прототипом позволит:
во-первых, повысить надежность паяного соединения за счет повышения механической прочности примерно на 20 процентов при сохранении уровня герметичности и термостойкости,
во-вторых, расширить функциональные возможности.
Следует отметить, что предложенный припой, который обеспечивает достаточно высокий уровень вышеуказанных технических характеристик, может быть особенно востребован при пайке элементов изделий электронной техники СВЧ.
Источники информации
1. Патент РФ №2041783, МПК В23К 35/30, дата подачи 1993.04.08, опубл. 1995.08.20.
2. Гладков А.С., Подвигина О.П., Чернов О.В. Пайка деталей электровакуумных приборов. М.: Энергия,  1967, с.212-217.
3. Авторское свидетельство №449791, МПК В23К 35/30, заявка №1894175 приоритет 26.02.73, опубл. в бюл. №42 от 15.11.74.
Таблица
№№ п/п
Состав припоя, вес.%
Результаты испытаний
Германий
Марганец
Галлий
Медь
Максимальная прочность на изгиб, МПа
Герметичность, скорость натекания не хуже, м<sup>3</sup> Па/с
Термостойкость и целостность (конечный результат)
1.
Алюмооксидная керамика с медью
10
1
0,25
88,75
260
1,3×10<sup>-11</sup>
Термостойкость и целостность сохранена
2.
7
0,08
0,05
92,87
255
1,3×10<sup>-11</sup>
Термостойкость и целостность сохранена
3.
12,5
1,2
0,5
85,8
240
1,3×10<sup>-11</sup>
Термостойкость и целостность сохранена
4.
6
0,07
0,04
93,89
180
1,0×10<sup>-8</sup>
Термостойкость нарушена
5.
13
1,35
0,6
85,05
170
1,0×10<sup>-8</sup>
Термостойкость нарушена
6.
Бериллиевая керамика с медью
10
1
0,25
88,75
180
1,3×10<sup>-11</sup>
Термостойкость и целостность сохранена
8.
7
0,08
0,05
92,87
175
1,3×10<sup>-11</sup>
Термостойкость и целостность сохранена
12,5
1,2
0,5
85,8
176
1,3×10<sup>-11</sup>
Термостойкость и целостность сохранена
9.
6
0,07
0,04
93,89
140
1,0×10<sup>-8</sup>
Термостойкость нарушена
10.
13
1,35
0,6
85,05
128
1,0×10<sup>-8</sup>
Термостойкость нарушена
11 - прототип
18,5
0,8
отсутствует
80,7
200
1,3×10<sup>-11</sup>
Термостойкость и целостность сохранена