CC BY
124
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_
УДК 666.267
Д. К. Чакветадзе*, Ю. А. Спиридонов, К.В. Наумова, В.Н. Сигаев
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1 * e-mail: julia [email protected]
ЛЕГКОПЛАВКИЕ СТЕКЛОКОМПОЗИЦИИ ДЛЯ ВАКУУМПЛОТНОГО НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО СПАИВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ ЗНАЧЕНИЙ ТКЛР
Получены припоечные композиции на основе высокосвинцового легкоплавкого стекла и титаната свинца в качестве наполнителя с возможностью широкого варьирования коэффициента термического линейного расширения в диапазоне от ~120 до ~30*10-7 К-1 за счет изменения концентрации и гранулометрического состава компонентов, что позволяет использовать их в качестве вакуумплотного низкотемпературного припоя для широкой совокупности материалов.
Ключевые слова: легкоплавкое стекло, легкоплавкие припоечные стеклокомпозиции.
Создание современных приборов и автоматов, предназначенных для различных областей науки и техники, зачастую требует применения плотного надежного соединения деталей из различных материалов друг с другом. В частности, для соединения различных неметаллических деталей необходимы стеклоприпоечные материалы, основу которых составляют легкоплавкие стекла.
Под термином «легкоплавкие стекла» объединены целые группы неорганических стекол различных систем, имеющих температуру размягчения ниже 550 - 600оС. Такое определение легкоплавких стекол весьма условно, поскольку существует большое количество стекол, охватываемых данным определением, однако сильно отличающихся вязкостными характеристиками в этой области температур. Легкоплавкие стекла позволяют осуществить вакуумплотной спай при низкой температуре. Низкая температура спаивания предотвращает окисление и деформацию деталей, находящихся в зоне спаивания [1].
Для создания прочного спая деталей между собой необходимо, чтобы соединяющее их стекло отвечало ряду требований - его расплав должен хорошо смачивать поверхности деталей, обладать значениями температурного коэффициента линейного
расширения (ТКЛР) близкими к значениям этого свойства у спаиваемых материалов, стеклоприпой должен хорошо растекаться при температурах спаивания, ограничиваемых функциональными возможностями соединяемых деталей. Помимо этого, в различных случаях стеклоприпои должны отвечать целому ряду других требований - иметь высокую химическую стойкость, высокое электрическое сопротивление и т.д.
Известно, что легкоплавкие стекла (Т§ ниже 400оС) хорошо смачивают керамические детали, в то же время большая их часть имеет высокие значения ТКЛР, который, как правило, не согласуется с ТКЛР склеиваемых материалов (полупроводниковых устройств, интегральных схем и др.), подлежащих склейке. Проблема создания легкоплавких
припоечных материалов, обеспечивающих вакуумплотное спаивание деталей для изделий электронной техники с различными коэффициентами термического расширения, успешно решается в ряде случаев с помощью стеклокомпозиций типа легкоплавкое стекло — кристаллический (или аморфный) наполнитель. Введение в стекло с температурой стеклования ниже 350°С и высоким ТКЛР (как правило (110...150)*10-7 К-1) наполнителя имеет цель доведение ТКЛР стеклокомпозиционного материала до значений, определяемых конкретными технологическими требованиями [2]. Для успешного решения этой задачи необходимо, чтобы ТКЛР наполнителя имел низкие значения, компенсирующие высокий ТКЛР стекла.
В данной работе в качестве матрицы использовалось стекло на основе системы PbO-ZnO-B2O3 с добавками БЮ2и AhO3, хорошо зарекомендовавшей себя при создании припоечных композиций. Варка стекла проводилась при 1000°С в течение 30 мин. Полученное стекло измельчали в фарфоровых ступках до дисперсности 20000 м2/кг. Исследование синтезированного стекла показало, что оно имеет следующие свойства:
ТКЛР, 20-300°С, а 117*10-7 К-1
Температура стеклования, Т 303°С
Температура начала деформации, Тн.д 324°С
Плотность 6150 кг/м3
ТКЛР, температуру стеклования и температуру начала деформации стекла определяли по дилатометрической кривой, записанной на дилатометре NETZSCH DIL 402 PC в интервале температур 20-3 00°С. Плотность стекла измерена методом гидростатического взвешивания на трех образцах. Гранулометрический состав порошка измельченного в фарфоровой ступке стекла определен на приборе nCX-11(SP). Растекаемость определяли по соотношению площадей спрессованной таблетки порошка припоечной стеклокомпозиции до и после термообработки при температуре спаивания.
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7
Для снижения ТКЛР стеклокомпозиций традиционно используется титанат свинца (РЬТЮ3), обладающий низким ТКЛР 0,1*10-7 К-1, удельная поверхность порошка и концентрация которого способны варьировать свойства стеклокомпозиции. В связи с этим в данной работе изучено влияние его концентрации и удельной поверхности порошка на наиболее важные эксплуатационные характеристики стеклоприпоечного материла, а именно: на ТКЛР,
температуру стеклования, температуру начала деформации и растекаемость стеклокомпозиции. Результаты исследования приведены в таблице 1.
Исследование влияния концентрации титаната свинца на свойства стеклокомпозиции показало, что этот параметр позволяет регулировать свойства стеклокомпозиции в широких пределах, однако уже при содержании титаната свинца 30% растекаемость начинает существенно снижаться.
Таблица 1. Влияние содержания титаната свинца на ТКЛР, температуру начала деформации и растекаемость
стеклокомпозиции
Содержание РЬТЮз, масс. % 0 10 20 30 40
а*10-7, К-1 117 103 62 41 26
Тв, °С 300 305 304 308 305
Тн.д., °С 320 322 324 325 323
Растекаемость, % 256 231 201 156 101
По мере возрастания концентрации наполнителя наблюдалось снижение ТКЛР. Практически никакого изменения значений температуры стеклования и начала деформации не наблюдалось. Далее были использованы композиции с соотношением стекла и титаната свинца 1:0,25. Данная концентрация обеспечивает ТКЛР композиции близкий к ТКЛР
корундовых подложек электронных схем, и при этом ее растекаемость находится на уровне 200%, что значительно превышает необходимый минимум в 140%.
Результаты исследования влияния удельной поверхности порошка титаната свинца на свойства стеклокомпозиции приведены в таблице 2.
Таблица 2. Влияние удельной поверхности порошка титаната свинца на ТКЛР, температуру начала деформации и
Удельная поверхность порошка РЬТЮ3, см2/г 1600 830 365 250
а*10-7, К-1 99 96 64 32
Т8, °С 302 305 306 301
Тн.д., °С 322 326 323 319
Растекаемость, % 190 196 210 225
Свойства стеклокомпозиции - ТКЛР и растекаемость - как видно из табл. 2, находятся в сильной зависимости от величины удельной поверхности наполнителя. По мере ее увеличения наблюдается чрезвычайно сильное снижение ТКЛР при росте растекаемости и незначительном изменении температур начала деформации и стеклования. Влияние величины удельной поверхности на ТКЛР представлено на рисунке 1.
Столь сильное влияние дисперсности на ТКЛР свидетельствует о том, что наряду с низким значением ТКЛР наполнителя не меньшую роль играют его упругие характеристики, сильнее проявляющиеся с ростом размера частиц порошка.
Таким образом, нами впервые показано, что варьируя концентрацию наполнителя - титаната свинца - и величину его удельной поверхности, можно получать легкоплавкие припоечные стеклокомпозиции в широком интервале значений ТКЛР от ~100 до ~30*10-7 К-1 при сохранении технологически приемлемых значений
растекаемости. Это позволит путем прецизионного варьирования дисперсности компонентов
композиции регулировать в широких пределах значения ТКЛР при сравнительно невысоких содержаниях титаната свинца.
Рис. 1. Влияние величины удельной поверхности порошка титаната свинца на ТКЛР стеклокомпозиции
Спиридонов Юрий Алексеевич к.т.н., доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Чакветадзе Джулия Кобаевна аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_
Наумова Ксения Владимировна студент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Сигаев Владимир Николаевич д.х.н., заведующий кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Павлушкин Н.М., Журавлев А.К. Легкоплавкие стекла. М.: Энергия, 1970. - С.4.
2. Калинин В.Б., Княжер Г.Б., Лаптев А.Г., Сигаев В.Н., Шашков А.Ю. Новые наполнители для легкоплавких припоечных стеклокомпозиций // Электронная промышленность. - 1987. - №6. - С. 3134.
Chakvetadze Julia Kobaevna*, Spiridonov Yury Alexeevich, Naumova Kseniya Vladimirovna, Sigaev Vladimir Nikolaevich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
LOW-MELTING GLASS COMPOSITIONS FOR VACUUM SEALED LOW TEMPERATURE SOLDERING OF MATERIALS IN A WIDE RANGE OF TCLE
Abstract
Glass sealant compositions based on high lead low-melting glass and lead titanate as a filler with the possibility of a wide variation of the coefficient of linear thermal expansion in the range from ~120 to ~30 * 10-7 K-1 by varying the concentration of a filler and the particle size distribution of it were obtained. This allows using compositions as a vacuum sealed low temperature solder for a wide range of materials.
Key words: low-melting glass, glass sealant compositions
