CZ96894A3

CZ96894A3 - Soldering suspension for application of thin layers of a solder to a base

Info

Publication number: CZ96894A3
Application number: CZ94968A
Authority: CZ
Inventors: Manfred Dr Koschlig; Wolfgang Weber Horsteiner; Klaus Dr Zimmermann
Original assignee: Degussa
Priority date: 1993-05-10
Filing date: 1994-04-21
Publication date: 1994-11-16
Also published as: EP0625402A1; ATE153894T1; DK0625402T3; JPH06315793A; ES2104200T3; US5431745A; DE59402978D1; DE4315475A1; GR3024288T3; EP0625402B1

Description

Pájecí suspense pro nanášení tenkých, vrstev pájky na’podklad - - --------------— —............-..........Oblast techniky

Vynález se týká pájecí suspense pro nanášení tenkých vrstev pájky na podklad , sestávající ze 30 až 90 # hmot. pájecího prášku , 0,1 až 20 # hmot. organického pojivá , 1 až 50 fy hmot. orga nického rozpouštědla a 0 až 10 fy hmot. tavící přísady.

Dosavádní stav techniky

Pro spojování částí , jejichž spojovací mí sto vykazuje komplexní geometrii , se v technice pájení používají nejčastěji pájecí pasty , sestávající z pájecího prášku , pojivá, rozpouštědla a tavící přísady . Tyto pasty mají definovanou viskozitu, která dovolí , aby se provádělo automatické zpracování pomocí dávkovačích automatů . Dávkovači automaty nanáší nyní určité množství tuhé pájecí pasty na určité místo částí , které se mají spojovat. Stopa pasty zůstává v důsledku její viskozity na místě , na které byla pasta nanesena a mění již jen nepatrně svůj tvar. Jestliže má pájené místo obvzláště komplikovanou geometrii, může se pájecí pasta nanášet i ručně ,například štětcem nebo špachtlí . Tyto postupy mají ale ten nedostatek, že stroje pro automatické nanášení pájecích past jsou velmi drahé a také vyžadují časté opravy .Viskozita pájecích past vede často k ucpávání dávkovačích zařízení automatů, takže je

-2nutné počítat se značnými poruchami při parovozu. Nanášení pájecí pasty štětcem vyžaduje zručnost a je proto pro výrobu velkého počtu kusu neekonomické, Basta se s ohledem na svou velkou viskozitu také nadá při práci se štětcem nanášet příliš rovnoměrně . Zpravidla se v letovací pastě pracuje s přísadou tavícího prostředku ,který má zajistit při letování rovnoměrné rozdělení pájky ve spojovaném místě. Pomocí těchto technik se ale zpravidla nedocílí dokonalé smočení spojovaného místa, což se u hotových stavebních dílů projevuje například ztrátou pevnosti nebo špatným pře ''SinipOXu vGpILcL< - — — - - - - - - — - -------, — — .

Aby se tyto potíže obešly, bylo nasnadě vyrobit pájecí suspsnei, sestávající z pájecího prášku, organického pojivá, větších, množství organických rozpouštědel a popřípadě tavících přísad, aby se mohly na spojovaná místa částí nanášet tenké vrstvy pájky , například namáčením nebo stříkáním;tak je například v DE patentním spisu 41 31 871 popsán způsob nanášení vrstev tuhých hmot z kovových podkladů , u něhož se částice tuhé hmoty a pájecí prášek zpracují s 0,1 až 20 0 hmot. organického pojivá a 1 až 50 $ hmot. organického rozpouštědla na suspensi a nanesou na podklady v tloušťkách vrstev 10 až 500 um. Částice prášku mají při tom střední velikost zrna menší než 20 um. Zde ale nebylo nutné vyrobit rovnoměrné pájené vrstvy,které by nevykazovaly žádné trhliny a póry. Takovéto trhliny a póry ve vrstvě pájky ale vzniknou vždy,když se použije pájecí

-3suspen.se podle DE patentního spisu 41 31 871,která neobsahuje žádné pomocné látky.

Bylo proto úlohou předloženého vynálezu vyvinout pájecí suspensi pro nanášení tenkých, vrstev pájky na podklady, sestávající ze 30 až 90 0 hmot. pájecího prášku , 0,1 až 20 0 hmot. organického pojivá, 1 až 50 hmot. organického rozpouštědla a 0 až 10 hmot. tavící přísady,která se může nanášet namáčením nebo stříkáním v tenkých, rovnoměrných,pevně lpících vrstvách a při schnutí netvoří žádné trhliny a póry v pájené vrst vě.

Podstata vynálezu

Tato úloha je podle vynálezu vyřešena tím, že pájecí prášek má velikost částic 5 až 50 um, a distribuci velikosti částic, při které 55 až 70 ^σ/ο částic je menších než velikost částic v maximu distribuční křivky velikosti částic ,a že poměr mezi střední velikostí částic pájecího prášku, měřeno v um, a hustotou pájecího prášku, měřeno v g cm ,se pohybuje mezi 0,1 až 20.

S výhodou se velikost částic pohybuje mezi 5 až 30 um,přičemž 60 až 65 částic je menších než velikost částic v maximu distribuční křivky velikesti částic. S výhodou se poměr pohybuje mezi střední velikostí částic pájecího prášku a hustotou pájecího prášku u niklových a měděných pájek mezi 0,5 až 5 / um.g”^ ,cnř^. /,u hliníkových pájek mezi 2 až 17 / um.g . cnr/·

-4Dkázalo se, že se homogenní pájené vrstvy , prosté trhlin a pórů , mohou vyrobiti na podkladech z pájecích suspsnsí,když je přítomno více menších částic pájecího prášku než větších čá stic.Distribuční křivka velikosti částic nesmí tedy probíhat symetricky k maximu velikosti částic, nýbrž nesymetricky.

Tímto způsobem se získají pájecí suspense , které vytvoří například namáčením nebo postřikem a na tyto navazujícím sušením na podkladech ne stékající vrstvu prostou trhlin a pórů. Při tom má .zejména význam to. že vrstva nři svém stavu přímo po usušení ,tedy před vlastním procesem letování vykazuje již absolutně rovnoměrné rozdělení pájecích částic v pojivové matrici, neboť tyto by mohly být vyplněny při procesu letování pouze velkými přebytky pájky, které jsou ale nejčastějších způsobech spojování nežádoucí.

Získaná pájecí suspense se hodí vždy podle nastavené viskožity / poměru pojivá a rozpouštědla / pro zpracování namáčením částí nebo zpracování ve stříkací pistoly na stlačený vzduch / lakovací pistole /. Suspense nanesená na podklady vykazuje na základě svého definovaného složení pouze nepatrný sklon k tvorbě kapek a stékání,takže se mohou nanášet vrstvy s definovanou tloušťkou. Po nanesení vrstev se části usuší v peci a potom letují.Při procesu letování se musí vždy podle tloušťky vrstvy udržovat několik minut vypalovací teplota pro vypálení pojivá. -Tři tloušťkách vrstev <20 um / po sušení/ se může tento vypalovací krok vynechat. Tro tloušťky vrstvy mezi 20 až 100 um se doporučuje vypalovací doba 10 až 15 minut/ teplota se vždy podle použitého systému pojivá pohybuje mezi 300 až 500 °C./ To je důležité pro dokonalé smáčení a bezchybnou pájecí vrstvu bez trhlin a pórů. Takto se mohou vyrobit letované spoje s plněplošným smáčením i na místech spojení s komplexní geometrií.Aby se získaly stálé letovací suspense musí se poměr mezi průměrnou velikostí zrna prášku / v um/ a hustotou materiálu / v g/cm^/ · pohybovat v rozmezí mezi 0,1 až 20, přičemž se musí rozlišovat vždy podle letovacího materiálu. Tak se například ideální rozmezí například pro měděné a nikové pájky pohybuje mezi 5 až 0,5 a pro hliníkové pájky mezi 17 až 2. Jestliže se toto rozmezí nedodrží , mají částice prášku bučí sklon v suspensi šedi mentovat, nebo se musí k jemnému prášku přidat příliš mnoho pojivá, což se při procesu letování projevuje nerovnoměrnostmi ve vrstvě. V případě potřeby je možné ještě přidat prášek tavící přísady.

Systém pojivá sestává z polymerního organického pojivá, například z třídy polyakrylátů, polybutenů,polystyrenů nebo derivátů celulózy, a z organického rozpouštědla ,například ze třídy uhlovodíků, glykoletherů, glykolesterů, alkoholů a ketonů s číslem odpařivosti 10

-6až 10000. řopřípadě například při použití hliníkové pájky se přidá tavící přísada · Kychlé sedimentaci pájecího prášku v suspensi se dá dále zabránit přísadou rheologických aditiv. Měněním přídavku organického pojivá a organického rozpouštědla se může nastavit viskozita suspense tak,že se mohau nanášet vrstvy pájky s tloušikou 10 až 500 um namáčením nebo stříkáním. S výhodou se kinematické viskozity nastavují v rozmezí 0,1 až

1,5 Pas při šnekovém gradientu D = 200 s”\ Suspense obsahují při tom 0,1 až 20 $ organického pojivá a 1 až 50 % organického rozpouštědla.Nanášení se může provádět tak cíleně a úsporně, že _. ____ se zejména při použití nikových pájek netvoří v důsledku výstupu pájky na nežádoucích místech při pájení žádné křehké fáze. j?o nanesení vrstvy pájky se části s nanesenou vrstvou suší v sušárně asi při 110 °C . Vlastnímu procesu pájení se předřazuje teplotní krok , přičemž se při teplotě,která je závislá na systému pojivá, vypálí pojivo.

Tento teplotní krok se provádí při 300 až 650 °C , s výhodou při 500 °C.

Fro spojování keramických částí nebo keramiky s kovem jakož i metalizavi keramiky se rovněž hodí tyto suspense. Lo suspense tvořené pájecím práškem a pojivém se v dispergačním zařízení přidá potřebné množství aktiva tor l^pSfiíi¹⁵·¹¹· titanu nebo zirkonia / / asi 10 % / a · se promíchá . Viskozita suspense se při tom nastaví tak,že ta-7to se hodí buď k namáčení částí nebo pro zpracování ............. ·· stříkáním...............-.....- _______________________________________________________

Příklady provedení vynálezu

Následující příklady mají vysvětlit blíže vynález í _g 1. 400 g niklové pájky / 89 % Ni, 11 /> P / se rozemele v kulovém mlýně na střední velikost zrna

8 um. Maximum distribuční křivky velikosti částí se pohybovalo okolo 15 um , okolo 65 % částic bylo nemších než 15 um. Prášek se zpracuje se směsí 5»5 g ί ’< · polyisobutylenu a 87 g lehkého benzinu v dispergač> ním zařízení na homogenní suspensi s kinemazickou viskozitou 0,9 Pas / D = 200 s“^ /, jednorázovým namočením se může nanést vrstva s tloušťkou asi 70 um. Po usušení byla tato vrstva pájky zcela prostá trhlin *7 a pórů. Hustota použité pájky činila 8,13 g/cm^,tak7 že poměr mezi střední velikostí částic a hustotou —1 3 prášku pájky se pohyboval okolo 1,85 um.g enr,

2. 400 g měděné pájky /94 % Cu 6 % P / se ro zemele na prášek, střední velikost částic vykazuje , 20 um, s maximem distribuční křivky velikosti čá stic okolo 26 um. Okolo 60 fy částic bylo menší-ch než 28 um. Pak se přidá 40 g titanového prášku / střední velikost částic 5 um/ a navzájem se /mísí v dispergačním zařízení s 5,5 g polyisobutylenu a 94 g lehkého benzinu asi 30 minut. Získá se suspense která se může nastříkat v tenké vrstvě pomocí stříkací pistole na stlačený vzduch / průměr trysek 1,2 mm / na části.Nastavená kinematická viskozita činí 0,3 Pas / D = .200 s^-^/. Získaná vrstva

-8prostá trhlin s tloušťkou asi 20 um může sloužit jako metalizace keramiky pro spojení keramiky s keramikou nebo keramiky s kovem, speciálně když spo jovací místo vykazuje komplexní geometrii.

Prášek pájky měl hustotu 8,1 g/cm . Poměr mezi střední velikostí částic a hustotou pájecího prášku -1 o činil proto 2,47 um-g _cm>.

3. 200 g hliníkové pájky / 88 % Al 12 $ Si / se rozemele na střední velikost částic 20 um. Maximum distribuční křivky velikosti částic se po hybovalo okolo 32 um, okolo 70 částic bylo menších než 32 um. Tento pájecí prášek se homogenizuje v dispergátoru se 200 g prášku tavící přísady, g polyisobutylenu a 330 g lehkého benzinu . Získaná suspense s kinematickou viskozitou 0,6 Pas /D = 200 s“¹/ se může používat k namáčení částí. Tloušťky vrstev na namočených částech činily asi 200 um. Tato technika se může používat například při spojování topných vodičů z hliníku s průtokovými trubkami pro vodu v průběžných ohřívačích. Hustota pájecího prášku činila 2,65 g/cnr , poměr střední velikosti částic k hustotě činil 7,55 um.G**¹ cm'

4. 400 g měděné pájky /87 0 Cu , 10 % Mn, 3 Co/ se rozemele na střední velikost částic 10 um, a maximem distribuční křivky velikosti částic okolo 18 um. Okolo 62 % částic pájky bylo menších než 18 um. Tento prášek se smísí v dispergačním zařízení s 33 g polyakryltu a 100 g xylenu. Asi po 20 minutách vznikla suspense,pomocí níž se ponořené části mohou povléci vrstvou a tloušťkou asi 50 um, která po usušení nevykazuje ani trhliny ani ·♦-9 póry.

.............. .....................- - -......... .........- - - -.........

Hustota pájecího prášku činila 3,3 g/cm , poměr střední velikosti částic k hustotě činil ^,05

Claims

1. Pájecí suspense pro nanášení tenkých vrstev pájky na podklady , sestávající ze 30 až 30 fy hmot. pájecího prášku, 0,1 až 20 fy hmot. organického po jiva, 1 až 50 fy hmot. organického rozpouštědla a 0 až 10 fy hmot. tavící přísady , v y z n a č u jící se tím , že pájecí prášek má velikost částic 5 až 50 um, s distribucí velikosti částic ,při které 55 až 70 fy částic je menších než velikost částic v maximu distribuční křivky velikosti částic, a poměr mezi střední velikostí částic pájecího prášku, měřeno v um, a hustota pájecího se pohybuje mezi 0,1 až

2. Pájecí suspsnse podle nároku 1, v y z n ačující se tím , že velikost částic se pohybuje mezi 5 až 30 um, přičemž 60 až 65 fy částic je menších než velikost částic v maximu distribuční křivky velikosti částic.

3. Pájecí suspense podle nároku 1 nebo 2 , vyznačující se tím , že poměr mezi střední velikostí částic prášku pájky a hustotou prášku pájky u niklových a měděných pájek se pohy buje mezi 0,1 až 5 / um.g car- a u hliníkových pá-

4. Pájecí suspense podle jednoho z předcháze^í-11cích nároků, vyznačující se tím, že pájecí- suspen.se obsahuje- .dále . titanový .nebo.....

zirkoniový prášek.