ПРИПОЙ ДЛЯ БЕСФЛЮСОВОЙ ПАЙКИ
SOLDER FOR FLUXLESS SOLDERING

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 керамики с металлами.
Известен припой на основе серебра (патент РФ №2367552, МПК B23K 35/28, C22C 5/08, опубл. 20.09.2009), содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Серебро
39-41
Медь
30-35
Цинк
22-36
Индий
1-3
Олово
1-2
Недостатком этого припоя является высокое содержание серебра, сложность нанесения порошкового припоя на припаиваемые поверхности, высокая температура пайки.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является припой для бесфлюсовой пайки (патент РФ №2317882, МПК B23K 35/26, опубл. 27.02.2008), включающий галлий, медно-серебряный сплав с размером частиц 5-10 мкм, медно-оловянный сплав с размером частиц 40-60 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Галлий
45-50
Медно-серебряный сплав
8-12
Медно-оловянный сплав
остальное
Недостатком этого припоя является высокое содержание галлия, высокая хрупкость и низкая прочность паяного соединения керамики с металлами из-за разности коэффициентов температурного расширения припаиваемых керамики и металлов.
Задачей изобретения является снижение расхода дорогостоящего галлия и повышение прочности паяного соединения керамики с металлами.
Поставленная задача решается тем, что припой для бесфлюсовой пайки разнородных материалов, включающей галлий, медно-серебряный сплав, согласно изобретению дополнительно содержит оксид алюминия, цинк и латунь, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Галлий
32-45
Медно-серебряный сплав
8-12
Оксид алюминия
0,5-3
Цинк
3-7
Латунь
остальное
В латуни содержится цинк до 37 мас.%, остальное - медь.
Пример:
Для получения припоя были приготовлены три смеси компонентов, массовый состав которых приведен в табл.1.
Таблица 1
№ состава
Состав припоев
Медно-серебряный сплав
Галлий
Оксид алюминия
Цинк
Латунь
1
8
32
0,5
3
Остальное
2
10
37,5
2
5
Остальное
3
12
45
3
7
Остальное
Для приготовления припоя использовались: галлий; цинк с размером частиц 10-20 мкм; латунь с содержанием цинка до 37 мас.%, остальное - медь, с размером частиц 40-60 мкм; медно-серебряный сплав с содержанием меди 28 мас.%, серебро - остальное, с размером частиц 5-10 мкм и оксид алюминия с размером частиц 0,7 мкм. На первом этапе галлий помещают во фторопластовый тигель, нагревают до температуры 40-60°C и при механическом перемешивании вводят цинк. Введение цинка в расплав галлия понижает температуру плавления и обеспечивает равномерное распределение компонентов смеси в пасте. На втором этапе в полученный расплав вводят латунь, медно-серебряный сплав, оксид алюминия и механически перемешивают до получения однородной массы.
Полученную пасту применяют сразу после ее приготовления. Для осуществления процесса пайки пасту наносят на предварительно облуженные галлием заготовки равномерным тонким слоем и подвергают изотермической выдержке при температуре 70, 150 и 200°C.
1C
После затвердения производят испытания по определению механической прочности припоев, образцы изготавливают по ГОСТ 28830-90 (ИСО 5187-85). На крутильно-разрывной машине МИ-40КУ определяют прочность паяного соединения на срез. Температура распая была определена по ГОСТ 21547-81 и составила 750-780°C. Критический коэффициент интенсивности напряжений (К) определялся при нагрузке 100 H по методу Палмквиста путем измерения длины трещины, распространяющейся от угла отпечатка пирамидки Виккерса, для этого использовался прибор ТП-7Р-1 и оптический микроскоп ZEISS Observer. Z1m. Результаты испытаний приведены в табл.2.
Использование в составе припоя порошков различной дисперсности обеспечивает высокую скорость фазообразования при взаимодействии порошков с жидким расплавом галлия и цинка и обеспечивает высокую механическую прочность припоя за счет уменьшения внутренней пористости при высокой скорости затвердевания. Введение в состав припоя оксида алюминия частично уравнивает коэффициенты температурного расширения припаиваемых керамики и металла, что также повышает прочность паяного соединения.
Таблица 2
№ состава
Время затвердения (час) при температуре затвердения (°C)
Прочность на срез (МПа) при температуре затвердения (°C)
Критический коэффициент интенсивности напряжений, К<sub>1C</sub>, МПа·м<sup>1/2</sup>
70
150
200
70
150
200
2,9
1
0,8
0,5
0,3
50
55
55
3
2
0,7
0,5
0,25
53
57
57
3,5
3
0,8
0,6
0,35
50
50
50
3
Прототип
0,8
0,5
0,3
46
50
50
2,8
Проведенные испытания показали, что лучшие показатели скорости затвердения, прочности на срез и критического коэффициента интенсивности напряжения получены на припое с составом №2. Высокая скорость взаимодействия частиц многофракционной смеси с расплавом галлия и цинка позволяют снизить стоимость припоя и увеличить его прочность.