Композиционный припой

Композиционный припой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к пайке, в частности к конструкции припоя, применяемого для капиллярной пайки соединений из меди и стали. Цель изобретения - получение проволоки припоя с диаметром 0,2 мм и более без операции волочения. Композиционный припой содержит тугоплавкую основу, пропитанную легкоплавкой составляющей. Тугоплавкая основа выполнена в виде свитых в жгут проволок, расположенных относительно друг друга с зазором и шагом скрутки в 5-20 раз больше диаметра припоя. На жгут уложен ряд проволок, навитых в виде спирали в направлении, противоположном свиву жгута, и расположенных с зазором относительно друг друга 0,3-0,6 от диаметра проволоки. В качестве тугоплавкой основы можно использовать медь, а легкоплавкой - сплав на основе олова. Диаметр одиночных проволок может выбираться в пределах 0,05-0,4 мм. Диаметр припоя будет соответствовать значениям 0,2-2 мм. Прочность паяного соединения находится в пределах 70-125 МПа в зависимости от состава припоя и температуры пайки. Пайка осуществляется при 880-920°С в среде водорода или в вакууме. Время выдержки также зависит от диаметра припоя и находится в интервале 15-50 мин. 7 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 В 23 К 35/40

Gi1ÈCAHÈÅ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4496190/31-27 (22) 08 ° 08,88 (46) !5 ° 10»90» Бюл» 11 - 38 (71) Институт электросварки им,:Е,О,Патона (72).1 »В»Дьячек,.В»А,Лебига, В.П,Логозинский,.В.Ф.Хорунов, Д.И.Белый,:А,Н.Жаров,:Б,М Жуков, В.И„Зотин,.А.В.Рычагов, И.A,Aäàìñêèé и:Ю.В.Степанов (53) 621 ° 791»3(088,8) (56) Заявка Японии У 53-100152, кл. В 23 К 35/22, 1978 ° (54) КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРИПОЙ (57) Изобретение относится к пайке, в .частностч к конструкции припоя, применяемого для капиллярной пайки соединений иэ меди и стали. Цель изобретения - получение проволоки припоя с диаметром 0,2 мм и более без операции волочения. Композицион» ный припой содержит тугоплавкую ос» нову, пропитанную легкоплавкой составляющей, Тугоплавкая основа выполИзобретение относится к пайке, в частности к конструкции припоя, при меняемого для капиллярной пайки сое» динений из меди и стали.

Цель изобретения получение про волоки припоя с диаметром 0,2 мм и более без операции волочения

Композиционный припой содержит тугоплавкую основу, пропитанную лег коплавкой составляющей, причем тугоцлаькая основа выполнена в вице сви тых в жгут проволок, расположенных одна относительно другой с зазором и

„„Я0„„1599173 Д f

2 иена в виде свитых в жгут проволок, расположенных одна относительно . другой с зазором и шагом скрутки в

5-20 раз больше диаметра припоя, На жгут уложен ряП проволок, навитых в виде спирали в направлении, противоположном свиву жгута, и расположенных с зазором отн6сительно друг дру га 0,3-0,6 от диаметра проволоки, В качестве тугоплавкой основы можно использовать медь, а легкоплавкойсплав на основе олова. Диаметр одиночных проволок может выбираться в пределах 0,05-0,4 мм,. Диаметр при поя будет соответствовать значениям

0,2-2 мм. Прочность паяного соединения находится в пределах 70-125 МПа в зависимости от состава припоя и температуры пайки. Пайка осуществляется при 880-920 С в среде водоро» да или в вакууме. Время выдержки также зависит от диаметра припоя и на» ходится в интервале 15-50 мин.

7 табл» шагом скрутки в 5 20 раз больше диа» метра припоя, На жгут уложен ряд проволок, навитых в виде спирали в направлении, противоположном свиву жгута, и расположенных с зазором от носительно друг друга 0,3-0,6 от диа" метра проволоки»

Для композиционного припоя в ка» честве тугоплавкой основы берут 350 медных проволок марки не хуже М1 °

В зависимости от заданного наружного диаметра жгута диаметр одиночных проволок может выбираться в пределах

1599173 от 0,05 до 0,40 мм, Скручивание в жгут необходимо для постоянства формы припоя, обеспечения заданного со отношения тугоплавкой и легкоплавкой компонент и обеспечения жесткости каркаса композиционного припоя, Диаметр одиночной проволоки ограничен механической прочностью, необходимой при формировании каркаса композицион ного припоя, и скоростью растворения меди в легкоплавкой компоненте иа основе олова, Количество провеяек в жгуте выбирается исходя из необходи мого диаметра припоя, 15 .

Расчет необходимого диаметра ком- позиционного припоя производится по спедующей формуле:

D -=d К+

20 где d - -диаметр одиночной проволоки в жгуте, мм; и - количество проволок в жгуте;

S=F /F -коэффициент заполнения медью

1 7 поперечного сечения жгута;

К.- коэффициент наружной формы жгутаa

При осуществлении операции скрут ки жгута заданного диаметра величина 3< коэффициента К выбирается в преде лах 0,35 0,48 согласно табл.1 в зависимости от диаметра одиночной про.ВОлОки жгута»

Выбранное количество проволок в жгуте формирует каркас самого жгута на специальной крутильной машине, В табл,2 представлена зависимость диаметра жгута от размера одиночной проволоки и количества их в жгуте как фактическая, так и расчетная, 40 где видно, что они имеют хорошую схо димость»

При скрутке этих проволок в жгут устанавливается определенный шаг скрутки путем выбора соотношения ли

45 нейной скорости подачи проволоки и скорости вращения механизма скрутки, Шаг скрутки зависит от наружного диа метра жгута и является дополнительной мерой регулирования коэффициента за полнения жгута медью, Такой же до полнительной мерой регулирования ко эффициента заполнения S является ве личина относительного натяжения одиночных проволок Р„ » В то же время 55

ДP шаг и натяжение в определенной степе ни влияют на жесткость композицион ного припоя, Скрученный жгут наматы вается на приемную катушку и поступает на операцию горячей пропитки легкоплавкой компонентой ° Температура пропиточной ваннь. обычно не выходит за пределы 280 400 С. Перед окунанием в ванну жгут предварительно флюсуется 10%ным раствором соляной кислоты, а после выхода из ванны пропитанный жгут пропускается через систему протиров, где снимается избыток легкоплавкой компоненты, и в натянутом состоянии быстро охлажда ется со скоростью не менее 50 /с путем обдува воздухом или азотом.

В качестве легкоплавкой составляющей применяется припой состава, мас.%: олово 94 99; медь, никель или серебро 1-6, Для изготовления жгута применяет ся медь марки Ml

Легирование припоя такими элементами, как никель и серебро проиэво дится с целью увеличения прочности паяных швов и уменьшения эрозии паяемых металлов ° Кроме этих металлов в легкоплавкую составляющую дополнительно вводится медь с целью уменьшения эрозии проволок в процес се пропитки жгута легкоплавкой ком понентой, Прочность паяного соедине ния при этом находится в пределах

70125 МНа.

Установлена также. определенная закономерность возрастания прочности при повышении температуры пайки для всех степеней легирования медью легкоплавкой компоненты в диапазоне температур с т 880 до 920ОС, Это объясняется тем, что при более высокой степени: насыщения олова медью или никелем имеет место при нагреве в процессе пайки до относительно низких температур. нерастворение медных проволок каркаса жгута, Вслед ствие в капиллярный зазор уходит легкоплавкая компонента, а остатки проволочек каркаса остаются вне заsopa» Значения прочности паяного соединения в зависимости от степени легирования даны в табл.:3.

В табл.3 приведены результаты испытания жгута из проволок диаметром 0,15 каждая с коэффициентом заполнения медью при скрутке, равном

0,76 (S}»

Время пайки меняется в зависимос ти от толщиныпроволоки,например для двух вариантов жгутов из 11 и 15 медных

9173

5 159 проволок время пайки может меняться от 4 мин для самой тонкой проволоки и до 30-35 мин для жгутов, изготовленных из проволоки диаметром

0,4 мм, Принимая во внимание, что диффу.зионная. капиллярная пайка предпола гает нагрев до 900 С в течение от

15 до 50 мин, в течение которого должен произойти процесс растворения тут-оплавкой основы в легкоплавкой компоненте и заполнение капиллярного зазора, важное значение приобретает такое свойство композитного припоя, как сохранение компактности припоя при переходе в жидкое состояние в жгуте его легкоплавкой компоненты.

Диаметр одиночной проволоки должен быть выбран таким, чтоб обеспечить ее полное растворение при заданном максимальном нагреве. В зависимости от величины (S ), которая может варьироваться в пределах от 20 до 28Х, температура пайки может изменяться от 850 до 960 С, как показано в табл.:4.

В табл.5 припои выполнены с таким содержанием легирующих примесей в олове легкоплавкой компоненты: медь 1/, никель О,ЗЕ

Варьируя величиной шага скрутки (с) при сохранении постоянными всех остальных условий формирования жгу та припоя, можно в больших пределах управлять величиной (S). Степень скрутки любого жгута можно выразить отношением шага скрутки к наружному диаметру жгута

Я

Величина степени скрутки ограни» чивается значением 5-20. Такое ограничение объясняется тем, что значения, меньшие 5, приводят к слишком плотной упаковке наружного слоя проволок жгута, что существенно ухудшает условия эффективной пропитки жгу та легкоплавкой компонентой, Большая же величина (q) ) 20 приводит к некоторой деформации жгута в процессе перемотки перед пропиткой и при самой пропнтке, К тому же резко возрастает нестабильность величины (S ) °

В табл.5 показано влияние величины шага скрутки на значение параметра (S,), используя проволоку диаметром

0 15 мм. б

В графе 1 табл,5 указано в числителе количество проволок в жгуте, а в знаменателе распределение их по двум слоям. При этом особое значение имеет рыхлость наружного слоя жгута,, Чем более верхний слой рыхлый, тем успешнее операция пропитки без оставшихся пустот в сечении жгута.

Чрезмерная рыхлость,.т;е. укладка наружного слоя проволок с большими зазорами, существенно уменьшает количество легкоплавкой компоненты, Величина содержания легкоплавкой ком" поненты определяет свойства композиционного припоя» Относительный за зор между одиночными проволоками наружного слоя жгута должен быть в пределах 0,3-0,6 от величины диаметра одиночной проволоки, что обеспечивает стабильное заполнение легкоплавкой компонентой. Это подтвержда-, ется данными табл,6.

На качество пропитки жгута скорость его протяжки через расплав легкоплавкой компоненты имеет первостепенное значение» Она ограничивается неуспеванием прогрева жгута, а также некоторым. запаздыванием проникновения расплава к внутренним полостям между проволоками и требованиями высокой производительности и имеющим место частичной эрозии медных проволок эа счет растворе пня их в расплав ° Скорость протяжки жгута при пропитке зависит от типа жгута. и диаметра одиночной проволоки в жгуте и. находится в пределах 15 M/ .

Соотношение шагов скруток может быть различным, Однако только при определенных соотношениях шагов скруток можно получить наиболее стабиль."

45 ные по составу результаты пропитки жгутов, Механические свойства жгутоь. тоже в определенной степени зависят от типов скрутки» Вариант без скрутки внутреннего слоя не обеспечивает стабильности формы жгута и стабильности упаковки,:т,е, величины S. Это объясняется тем, что внутренняя жила такого жгута сминается при обкрутке ее наружным слоем проволок, которые укладываются с определенным натягом (степень натяжения в зависимости от типа жгута изменяется в пределах о

0,01-0,3, при этом стабильность упа» ковки имеет значения 0,65-0,8) °

1599173

Формула изобретения l0

Т аблица 1

Диаметр одиночной проволоки в жгуте (Й),. мм

0,05

Коэффициент наружной формы жгута, К

0,35

0,40

0,42 0,48

Таблица 2 имечания

Количество прово " лок в жгу те + (и) Диаметр одиноч ной про мет ссч вол

0,221

0,216

13/4+9

12/3+9

0,210,23

0,200,22

0,80

0,78

0,05

0,19-0,20

0,66 0,67

0,76

0,81

0,209

0,661

11/4+7

13/4+9

0,15

0,64-0,65

0,63 0,64

1,89-2,00

0,652

0,633

1,880

12/3+9

11/4+7

13/4+9

0,77

0,755 0,73.0,40

12/3+9

11/4+7

1,814

),755

0,73

0,72

1,82-1,90

1,76-1,78 Ограничение по (S) В числителе - количество проволок в жгуте, в знаменателе распределение этих проволок по слоям, Наиболее приемлемым является ва риант скрутки, где направление скрутки внутреннего слоя противоположное по отношению к наружному слою, В табл,7 приведены данные оптимизации параметров скрутки двухслойных жгутов с противоположным направлением скруток, по которым можно оце нить стабильность скрутки по откло» нению величины.

Разработанный композиционный пвипой и способ его изготовления пред" назначен в первую очередь для замены серебросодержащих припоев применительно к пайке меди со сталью в сре де водорода или в вакууме, По приведенной в описании технологии было изготовлено несколько вариантов со- 20 ставов припоев разных диаметров,преимущественно в пределах 0,4-0,8 мм»

Проволока из такого припоя черезвычайно технологична при формировании из нее колец, рамок и другой формы 25 закладных изделий с целью дозировки в процессе пайки, В опытно промьппленных условиях произведена пайки типовых изделий силовой полупроводни ковой промышленности, в частности элементов .конструкции полупроводникового прибора автомобилей.

:1 ° Композиционный припой, содер жащий тугоплавкую основу, пропитанную легкоплавкой составляющей, о тл и ч а .ю шийся тем, что, с целью получения проволоки припоя с диаметром 0,2 мм и более без операции волочения, тугоплавкая основа выполнена в виде свитых в жгут про волок, расположенных одна относительно другой с зазором и шагом скрутки в 5 20 раз больше диаметра припоя °

2, Припой по и 1, о т л и ч а юшийся тем, что на .жгут уложен ряд проволок, навитых в виде спирали в направлении,, противоположном свиву жгута, и расположенных с зазором относительно друг друга 0,3-0,6 от диаметра проволоки«

Затруднена пропитка

Пропитка удовлетво рительная

Пропитка хорошая

Пропитка удовлетворительная

Пропитка хорошая

Пропитка хорошая

Пропитка при малой скорости

1599173

Таблица 3

Прочность паяного соедин при разных Т С пайки, МП

Степень леания гирования легкоплав кой компоненты, Х

800

900 92

85

0,5

110

100

94,0

2,0

4,0

6,0

100

115

Удовлетвори тельная

Некачественный припой

100

6,5

Таблица 4

Температура пайки, Т,ОС

Диамет провол ки в ж те, d> плав» омпо (S„), 0 05

О,!2

0,15

0,40

Степень скрутки

КоличестКоличество легкоплавкой компоненты ж, (s ) ечания во проволок в жгу» те (и) (1) .

11/4+7

23

23,5

28

28

28

Неудовлетвори" тельная из за низкой прочности

Удовлетвори тельная

Хорошая

900

Таблица 5

Недостаточная

Удовлетворитель ная

То же

Неудовлетворительная

1599173

Продолжение табл. 5

1 2/ 3+9

22,5 л!!л

° !!

20

22

21,5

14/4+ 10

16/1+3+12

°"

18/1+1+12

24

24-25

22-27

°"

20-26

Ж легкоплавкой ком ты в жгуте S, при ных и

Относительный ия зазор

4+6 1

4+1

20 - 21

20 21,5

22 23

25,5 24

24 23

20 . 19

° !!

0,1

0,2

0,3

0,4

0,6

0,65. 3

10

22

192

19

21 л

°л

16

18 19

26

27

28

27 30

23 24

Удовлетвори тельная

Неудовлетворительная!!

° !!

° !!!!

Удовлетвори тельная

Хорошая

4.

Нестабильная

Непропитанная

Удовлетворительная

Хорошая

Удовлетвори тельная

Неудовлетворительная

Таблица 6

Недостаточное

Нестабильное

Хорошее

Удовлетворительное

Неудовлетворительное— рыхлый наружный слой

13

1599173

Т а б л и ц а 7

Тип жгута (коли чество проволок и диаметр их) Отклонен

%, для п раметра

Форма не стабиль на по длине жгута

Удовлетворительная

Хорошо

4-5 и 11/4+7 с1 0,15

0,15

1-2

0,20

0,5-1

1 2,5

0,5

2,0

5,0

Удовлетворитель ная

Недостаточная про питка средины

Отклонения от круглой формы жгута

Удовлетворит, Хорошо

2-4

5,5

5-6

n = 15/6+9

1- о

0 15

2-3

1

2-3

0,20

0,5

2,0

5,0

Удовлетворительная

Недостаточная пропитка средины из-за черезмерной плотноСти наружного слоя

2 5

5,5

Составитель .Л Абросимова

Техред M.Äèäûê Корректор О.Ципле

Редактор.А.„Долинич

Тиоаж 651 Подписное комитета по изобретениям и открытиям при i"ÊÍÒ СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3110

ВНИИПИ Государственного 113035, Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãoðîä, ул. Гагарина, 101