TWI511827B - Active soft solder filler composition - Google Patents

Description

活性軟銲填料之組成物

本發明係為一種活性軟銲填料，其可在大氣環境下直接進行接合，且可對潤濕性低之靶材與金屬進行接合。

濺鍍主要是在真空中利用輝光放電(glow discharge)的原理，將等離子體高速撞擊靶材表面，靶材的原子受到衝擊後彈出，沈積在基板表面，形成了薄膜，該方法可用於塑膠、金屬、玻璃、布或複合材料的刻蝕與鍍膜，具有高品質，附著力佳，製程穩定性優良等優點。

在一般典型的濺鍍操作過程中，靶材側會通入電流形成負電極，在濺鍍真空腔體中，被激發而帶有正電荷的惰性氣體離子，會跟靶材碰撞，而將靶材轟擊成原子粒子，飛濺沈積於基材上。由於這過程會使靶材產生大量的熱，為了冷卻靶材，通常利用水冷的方式，冷卻與靶材接合的背板為之。若是靶材跟背板的接合強度不佳，或是界面之導熱性能不良時，於濺鍍操作過程中靶材溫度會迅速升高，而產生脫銲、熔化或設備過熱等問題。

靶材與背板的接合上，不僅要兼顧強度、導熱性及耐溫性等，還必須考量到背板回收之重工性接合的操作便利性，以及成本。考慮接合溫度跟操作溫度及導熱性的需求時，通常以銦作為靶材跟背板的接合材料。在大部分金屬靶材的接合應用上，因銦能在熔化時跟金屬靶材產生良好的潤濕性，得以順利完成接合。

然而近來，陶瓷與金屬的接合為各界所矚目，由於陶瓷與金屬所製成之複合構件，能充分發揮各自性能上的優點，亦能彌補自身材料性能上的不足，故將兩者接合實為重點研究方向，但由於陶瓷與金屬本身的鏈結方式不同，使得兩者的物理及化學性質差異大，造成兩者在接合加工上的困難。由於陶瓷靶材為潤濕性低之材料，通常為使陶瓷表面能產生與金屬反應鍵結的能力，常須在待接合的陶瓷表面預先施以金屬化的處理。陶瓷金屬化的主要方法有蒸鍍、濺鍍等之真空鍍膜方式、化學氣相沈積、離子注入法或化學鍍等薄膜工藝，或以燒結金屬粉末亦或披覆活性硬銲填料之厚膜工藝等。待金屬化之後再以銦來接合，但如此之程序需要花費高成本，以及具有繁瑣的製程。

在台灣發明專利公開案第I321159號中，提供一焊料合金，用以接合靶材與銅或銅合金製背板的接合，其特徵為：由包含重量百分比3-9%的鋅，以及剩餘部份為錫與不可避免之雜質組成。惟該技術特徵中，僅能使用於易於潤濕之易銲靶材，對於潤濕性低之靶材如陶瓷材質等，則沒有述及解決方法。

而在台灣發明專利公開案第201026741號中，揭露了在陶瓷濺鍍靶材的表面，進行純鉻或鉻合金鍍膜處理而形成一界面層，接著將背板的銲料層與靶材上的界面層進行軟銲接，最後將界面層進行退火處理，使該界面層與軟銲料層之間能易於接合。該發明提供了接合潤濕性低之靶材接合方式，惟該技術特徵中，需要在靶材表面鍍上界面層以便於軟銲，如此方式不僅在鍍膜的製程需要花費高成本，亦使得接合的程序繁複，多出了退火處理等程序，且多層金屬的接合界面也會影響接合性能。

如此，有必要研發新技術，克服上述缺失。本發明人將目標 放在潤濕性低之靶材上，如陶瓷、鋁、鋁合金等材質，有鑑於前案之方式有增加成本與製程繁瑣等問題，故經過研究與實驗之後，終於產生此製作活性軟銲填料以及使用該填料接合靶材跟背板的方法。

本發明之主要目的，在於提供一種活性軟銲填料，其藉由一活性軟銲填料，可以直接將一潤濕性低之靶材與一背板接合，而不需要對靶材表面作鍍膜處理。

本發明之次要目的，在於提供一種活性軟銲填料，工作人員不需要任何防護設備，就可以直接進行該靶材與背板的接合操作。

本發明之另一目的，在於提供一種活性軟銲填料，其具有優秀的潤濕性，適用於潤濕性低之靶材與背板接合，可簡化加工步驟可省下加工時間與成本。

本發明之另一目的，在於提供一種活性軟銲填料，其在於該靶材與該背板接合時，係使用低溫之操作溫度，除了操作起來較為安全外，尚可以解決界面熱應力的問題，增加接合強度。

本發明之另一目的，在於提供一種活性軟銲填料，其金屬基材材質之一為鋅，延展性較一般無鉛焊料佳，接合溫度亦低，在靶材與背板接合上，亦可減少熱應力的問題，讓接合強度較為堅固。

本發明係提供一種活性軟銲填料，其可於大氣環境下直接接合潤濕性低之靶材與背板，係包括一活性物，成份為鈦加上稀土元素或鎂；一金屬基材，係為錫鋅合金，另包含特定量之鉍，銦 ，銀，銅。該活性軟銲填料之主要接合溫度介於150℃至200℃，介於低溫焊料與高溫焊料之間，如此之操作溫度在無鉛銲料之中屬於低溫，故可以減少接合界面熱應力的產生，其中接合操作溫度需要在150℃以上，不然在濺鍍操作時靶材會與背板分離。而製造該活性軟銲填料時，溫度為200℃以下，比起一般商用無鉛焊料所需溫度來的低，製作時更加方便快速，也更安全。

本發明所開發出之活性軟銲填料，對於難以溼潤以致接合不易之潤濕性低之靶材的接合操作上，有著技術上的突破，由於該銲料中含有之活性元素，藉此可以直接接合潤濕性低之靶材與背板，節省了成本與時間，還可增進接合效果，並且，該活性軟銲填料中，其金屬基材係以錫鋅合金為主，其延展性佳能減少熱應力的問題。

10‧‧‧活性軟銲填料

20‧‧‧第一接合物

21‧‧‧第一接合面

30‧‧‧第二接合物

21‧‧‧第二接合面

第1圖為本發明之接合物與活性軟銲填料接合之示意圖；及第2圖為本發明之活性軟銲填料之使用過程示意圖。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：本發明係為一種『活性軟銲填料之組成物』，其係利用該活性軟銲填料於大氣環境下直接接合潤濕性低之靶材與背板，而不需要防護設備。

請同時參閱第1圖及表1，其係為本發明之一較佳第一實施例之結構示意圖及合金成分表；如圖所示，本發明之一活性軟銲填 料10係包括：一活性物與一金屬基材；其中該活性物，係為鈦及稀土元素，該稀土元素係選自於鑭(La)、鈰(Ce)、鏷(Pr)、釹(Nd)、鉅(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)、釔(y)、鈧(Sc)及上述任意組合之其中之一者。，且該金屬基材，係以錫鋅合金為主要成份。

再者，該活性軟銲填料10之主要接合溫度介於150℃至200℃，且更進一步包含了一添加物，其係選自於鉍、銦、銀及銅之其中之一者或上述之任意組合，至少具有下列表1之數種比例組合：

活性軟銲填料10能夠在大氣環境中，直接將一第一接合物20及第二接合物30接合，是因為在該活性軟銲填料10中，具有活性元素鈦及稀土元素，分別與第一接合物20及第二接合物30之表面起反應，產生了鍵結，第一結合物20與活性軟銲填料10產生了第一接合面21，第二結合物30與活性軟銲填料10產生了第二接合面31。

該第一接合物20係選自於金屬、陶瓷其中一種；該第二接合物30係選自於金屬、陶瓷其中一種。

在第一實施例中，該活性軟銲填料10能夠直接接合第一接合物20及第二接合物30是因為活性金屬法的應用，活性金屬法係在一般金屬焊料中添加活性元素，促使金屬能與陶瓷等潤濕性低之靶材發生反應及潤濕，以便於接合操作。而往使用該活性金屬法得到的焊料合金，其操作之接合溫度高達800℃至1000℃，存有熱應力及高溫製程等問題，本發明開發出以添加活性元素鈦及微量稀土元素之活性軟銲填料10，可於150℃至200℃直接進行接合操作，該溫度範圍有最佳之表現，操作者可根據作業上的需要自行調整。

其中，由於稀土元素具有相當高的親和力，在大氣之下能使活性軟銲填料潤濕陶瓷等潤濕性低之靶材，可在不使用助銲劑的情形下直接結合靶材與背板，且根據實驗結果顯示，接合操作溫度最低需高於150℃，如此溫度之上，才可讓靶材與背板接合，而濺鍍操作時不會分離。

如第2圖所示，本發明之活性軟銲填料之第一實施例，於大氣環境下接合潤濕性低之靶材與背板之方法：係如下列步驟：

步驟S40：預先將填料合金及活性元素，以預定之重量百分比準備好，以真空電弧熔煉爐來融製，抽真空至10^-2~10^-3torr以上，通入氬氣做為保護氣氛，之後得到活性軟銲填料10；

步驟S42：接合前，第一、第二接合物20與30之表面以砂紙研磨，再置於丙酮中以超音波震盪清洗以去除表面油漬。

步驟S44：以機械活化方式促使活性軟銲填料10與第一、第二接合物20與30產生潤濕。

步驟S46：當活性軟銲填料10能完全潤濕並均勻塗佈於接合材料表面，再將第一、第二接合物20與30相互疊合，利用摩擦的方式將氣孔排出並使活性軟銲填料10表面氧化物破裂，提升接合效果達到緊密接合。

第一實施例係以稀土元素作為活性金屬法的活性元素，但因稀土元素產量少，價格高昂，集中於少數國家，原料取得上較難掌握，故本發明同時開發了添加活性元素鎂之活性軟銲填料，如第二實施例。請同時參閱第1圖及表2，其係為本發明之另一較佳實施例之結構示意圖及合金成份表；本發明之一該活性軟銲填料10係包括一活性物與一金屬基材；其中該活性物，係為鎂或鎂合金，且該金屬基材，係以錫鋅合金為主要成份。

該活性軟銲填料10之主要接合溫度介於150℃至200℃，且更進一步包含了一添加物，其係選自於鉍、銦、銀及銅之其中之一者或上述之任意組合，至少具有下列表2數種比例組合：

活性軟銲填料10能夠在大氣環境中，直接將一第一接合物20及第二接合物30接合，是因為在該活性軟銲填料10中，具有活性 元素鎂，分別與第一接合物20及第二接合物30之表面起反應，產生了鍵結，第一結合物20與活性軟銲填料10產生了第一接合面21，第二結合物30與活性軟銲填料10產生了第二接合面31。

該第一接合物20係選自於金屬、陶瓷其中一種；該第二接合物30係選自於金屬、陶瓷其中一種。

在第一實施例中，該活性軟銲填料10能夠直接接合第一接合物20及第二接合物30是因為活性金屬法的應用，活性金屬法係在一般金屬焊料中添加活性元素，促使金屬能與陶瓷等潤濕性低之靶材發生反應及潤濕，以便於接合操作。而往使用該活性金屬法得到的焊料合金，其操作之接合溫度高達800℃至1000℃，存有熱應力及高溫製程等問題，本發明開發出添加活性元素鎂之活性軟銲填料，不僅可大幅降低成本支出，且亦能促進潤濕性低之靶材表面的潤濕性，在接合操作上相當優良，可媲美添加了活性元素鈦及微量稀土元素之活性軟銲填料。

如第2圖所示，本發明之活性軟銲填料之第二實施例，於大氣環境下接合潤濕性低之靶材與背板之方法：係如下列步驟：

步驟S40：預先將填料合金及活性元素，以預定之重量百分比準備好，以真空電弧熔煉爐來融製，抽真空至10^-2~10^-3torr以上，通入氬氣做為保護氣氛，之後得到活性軟銲填料10；

步驟S42：接合前，第一、第二接合物20與30之表面以砂紙研磨，再置於丙酮中以超音波震盪清洗以去除表面油漬。

步驟S44：以機械活化方式促使活性軟銲填料10與第一、第二接合物20與30產生潤濕。

步驟S46：當活性軟銲填料10能完全潤濕並均勻塗佈於接合材料表面，再將第一、第二接合物20與30相互疊合，利用摩擦的方式 將氣孔排出並使活性軟銲填料10表面氧化物破裂，提升接合效果達到緊密接合。

綜上所述，本發明為一種活性軟銲填料以及利用該活性軟銲填料接合靶材跟背板的方法，其係於該活性軟銲填料中添加活性元素，增進靶材表面之潤溼性，讓接合操作可以直接完成，而不需讓靶材表面鍍上金屬層後為之，其優點及功效列舉如下：

1.本發明所研發之活性軟銲填料，可於大氣環境中直接接合潤濕性低之靶材與背板，而不需要特別的防護裝置，在使用上相當的方便，也節省了成本與簡化了流程。

2.主要接合溫度在於150℃至200℃之間，此範圍介於一般低溫銲料溫度與高溫銲料溫度之間，可減少熱應力產生的問題，並且該溫度範圍沒有落於以往操作範圍之外，故加工時可直接以原設備進行操作，而不需添購新的設備。

3.可對潤濕性低之靶材與背板進行接合，本發明之活性軟銲填料其重要技術特徵，係在金屬基材中添加特定比例之活性元素，使欲接合之兩者的表面反應，以產生鍵結，而使得潤濕性低之靶材與背板在大氣環境中能有效接合，且不需使用助銲劑，省下了成本與步驟。

4.本發明之活性軟銲填料，其中的金屬基材為錫鋅合金，比起一般銲料更加軟些，如此能減少熱應力的問題，讓接合強度更能提昇。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧活性軟銲填料

20‧‧‧第一接合物

21‧‧‧第一接合面

30‧‧‧第二接合物

31‧‧‧第二接合面

Claims (3)

1. 一種活性軟銲填料之組成物，其包含：一活性物，選自於鈦及稀土元素；以及一金屬基材，包含錫鋅合金，以及一添加物為鉍，其在該活性軟銲填料中之重量百分比介於0.1wt%至10wt%。
2. 如申請專利範圍第1項所述之活性軟銲填料之組成物，其中該稀土元素係選自於鑭(La)、鈰(Ce)、鏷(Pr)、釹(Nd)、鉅(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)、釔(y)、鈧(Sc)及上述任意組合之其中之一者。
3. 一種活性軟銲填料之組成物，其包含：一活性物，選自於鎂；以及一金屬基材，包含錫鋅合金，以及一添加物為鉍，其在該活性軟銲填料中之重量百分比介於0.1wt%至10wt%。