Изобретение относится к способу припаивания электронных компонентов к неорганическому твердому субстрату с помощью синхронного действия ультразвуковых волн. Указанный метод осуществляют в газообразной атмосфере, содержащей более 2 об.% кислорода, причем химическая структура субстрата содержит атомы кислорода, и припой представляет собой не содержащий свинца сплав, который содержит, по меньшей мере, металлы олово и цинк.

[0001] Способ припаивания электронных компонентов к неорганическому твердому субстрату, включающий применение ультразвуковых волн, отличающийся тем, что работу проводят в газообразной атмосфере, содержащей более 2 об.% кислорода, и тем, что химическая структура субстрата включает атомы кислорода, и тем, что припой представляет собой не содержащий свинца сплав, который включает, по меньшей мере, металлы олово и цинк.

[0002] Способ припаивания по предшествующему пункту, отличающийся тем, что сплав для припоя также включает по меньшей мере один металл, выбранный из серебра, железа, меди, никеля и титана.

[0003] Способ припаивания по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сплав для припоя также включает по меньшей мере один металл, выбранный из церия, индия, кремния, германия, галлия, сурьмы и мышьяка.

[0004] Способ припаивания по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что неорганический твердый субстрат представляет собой стекло, покрытое электропроводящими оксидами металлов.

[0005] Способ припаивания по предшествующему пункту, отличающийся тем, что электропроводящие оксиды металлов представляют собой слой SnO2, допированный фтором и/или допированный сурьмой.

[0006] Способ припаивания по п.4, отличающийся тем, что электропроводящие оксиды металлов представляют собой слой из набора индивидуальных слоев оксидов металлов, который включает по меньшей мере один слой серебра.

[0007] Способ припаивания по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что ультразвуковые волны и тепло применяют одновременно, чтобы расплавить припой и присоединить его посредством химического связывания к стеклу или электропроводящему слою с одной стороны и к электронным компонентам с другой.

[0008] Способ припаивания по предшествующему пункту, отличающийся тем, что одновременное применение ультразвуковых волн и тепла проводят с помощью металлического стержня, завершающегося в концевой части заостренной или скошенной формой, который подвергают вибрациям при ультразвуковой частоте, причем стержень нагревают намоткой нагревательного элемента, обладающего электрическим сопротивлением, вокруг периферии стержня.

Настоящее изобретение относится к способу припаивания электронных компонентов к неорганическому твердому субстрату, включающему применение ультразвуковых волн.

Известен не содержащий свинца припой, который содержит олово, цинк и небольшое количество титана, причем он пригоден для припаивания оксидных материалов, таких как стекло и керамика (EP 1080824 А1).

Однако этот документ не раскрывает припаивание электронных компонентов к оксидным субстратам.

Это изобретение исправляет этот недостаток, предоставляя способ припаивания электронных компонентов к твердому неорганическому оксидному субстрату, включающий применение ультразвуковых волн.

С этой целью изобретение относится к способу припаивания, который определен в п.1 формулы изобретения.

Таким образом, такое припаивание электронных компонентов к твердому оксидному субстрату предпочтительно по сравнению со способами, заключающимися в приклеивании электронных компонентов к твердому оксидному субстрату, так как оно не включает органического клея, который не устойчив во времени.

Зависимые пункты формулы изобретения определяют другие возможные варианты выполнения изобретения, некоторые из которых являются предпочтительными.

Способ припаивания по изобретению относится к электронным компонентам, которые генерируют излучение света. Термин "излучение света", как понимают, означает как излучение, падающее в пределах видимого спектра, так и излучение, которое находится вне этого спектра. Такое излучение может быть полностью монохроматическим или, напротив, может быть распределено по одной или нескольким частотным полосам, которые являются смежными или нет. Эти компоненты могут быть выбраны из компонентов, обеспеченных оптоэлектронными свойствами, и компонентов, способных к испусканию излучения, находящегося вне пределов видимого спектра, и, возможно, излучения, попадающего в пределы этого спектра. Они представляют собой, например, светодиоды (СИД), излучающие в видимом спектре, и УФ и/или видимые и/или ИК диоды.

Припаивание электронных компонентов, проводимое способом по изобретению, происходит на неорганическом твердом субстрате. Термин "твердый субстрат", как понимают, здесь означает твердое тело плоской формы, то есть можно сказать, что оно имеет малую толщину по сравнению с другими его размерами и имеет достаточные прочность на изгиб и сопротивление скручиванию, чтобы не деформироваться под действием внешних напряжений. В частности, используемые твердые субстраты обычно демонстрируют хорошую устойчивость к ветру и неблагоприятной погоде, включая лед и снег. Этот субстрат может принимать форму жесткой пластины, состоящей из одного неорганического материала или, напротив, он может быть результатом компоновки нескольких листов или пластин из одного и того же неорганического материала или из различных материалов, скрепленных (склеенных или спаянных) вместе. Примеры представляют собой металлические пластины, покрытые оксидной пленкой, керамические, кварцевые или стеклянные пластины, а также ламинаты и облицовку, изготовленные из одного или более таких материалов, и в которых по меньшей мере один из этих материалов занимает поверхность, предназначенную для пайки.

Способ припаивания по изобретению осуществляют посредством одновременного действия ультразвуковых волн. Они представляют собой упругие волны, которые требуют физической опоры для распространения, так же как и в случае звуковых волн. Их частоты обычно лежат в пределах интервала от 30 до 70 кГц и предпочтительно от 40 до 60 кГц. Интенсивность ультразвукового излучения зависит от номинальной мощности осциллятора, который генерирует ультразвук. Эта мощность должна быть адаптирована к размеру объектов, которые будут спаяны. Когда электронные компоненты представляют собой светодиоды (СИД), очень подходят уровни мощности порядка от 10 до 20 Вт на СИД.

В способе припаивания по изобретению необходимо работать в газообразной атмосфере, содержащей более 2 об.% кислорода при условиях нормального атмосферного давления. Также необходимо, чтобы химическая структура субстрата включала атомы кислорода, например, в твердой, кристаллической или аморфной решетке.

В соответствии с этим изобретением способ требует использования плавкого припоя, который представляет собой не содержащий свинца сплав, который включает, по меньшей мере, металлы олово и цинк. Этот способ также имеет преимущество в том, что не требует одновременного присутствия как флюса, так и травильного средства, и тем самым избегает проблем коррозии и загрязнения, которые вызывают эти соединения.

В одном варианте выполнения способа по изобретению сплав, применяемый для припаивания, также включает по меньшей мере один металл, выбранный из серебра, железа, меди, никеля и титана. Несколько из этих металлов или даже все из них также могут быть найдены в сплаве для припаивания. Как указано выше, эти металлы влияют на температуру фазового перехода твердое тело - жидкость сплава и температуру способа припаивания, которая следует отсюда. Необходимо заботиться о том, чтобы выбирать конкретные сплавы, чья точка плавления совместима с хорошей устойчивостью электронных компонентов в ходе нескольких десятков секунд, которые продолжается операция припаивания.

В другом варианте выполнения способа припаивания по изобретению, возможно совместимому с предыдущим вариантом выполнения изобретения, сплав для припоя также включает по меньшей мере один металл, выбранный из церия, индия, кремния, германия, галлия, сурьмы и мышьяка.

Один особенно предпочтительный вариант выполнения способа припаивания по изобретению состоит в том, что неорганический твердый субстрат представляет собой стекло или керамику. Этот способ особенно подходит для припаивания электронных компонентов к стеклу. Могут быть использованы все типы стекла, такие как, например, натриево-кальциевое стекло, борное стекло, оптическое стекло и т.д. Натриево-кальциевое стекло дало превосходные результаты.

Способ по изобретению также очень подходит для припаивания электронных компонентов к стеклянным пластинам, покрытым оксидами металлов, особенно покрытым электропроводящим оксидным слоем. Один очень часто встречающийся пример представляет собой стекло, покрытое электропроводящими слоями из оксидов металлов. Среди таких проводящих слоев есть возможность применять слои SnO ₂ , допированные фтором и/или допированные сурьмой, или другие слои, образованные из набора слоев индивидуальных оксидов металлов, который включает по меньшей мере один слой серебра.

Способ припаивания по настоящему изобретению также требует, точно так же, как и любой способ припаивания, чтобы припой был расплавлен путем применения тепла в процессе припаивания частей. В данном случае, электронный компонент и неорганический субстрат приводят в контакт с этим припоем под влиянием поля излучения ультразвуковых волн. Поскольку припои обычно представляют собой эвтектические сплавы или смеси, каждая композиция этих припоев имеет точку плавления или, по меньшей мере, узкий диапазон температур, в котором происходит расплавление. Цель применения тепловой энергии состоит в том, чтобы обеспечить скрытую теплоту плавления, необходимую, чтобы припой оставался в состоянии перехода от твердой фазы к жидкой фазе. Обычно эти температуры лежат значительно ниже точки плавления материала, из которого изготовлен неорганический субстрат. Встречаются температуры припоя, лежащие в интервале от около 100 до около 500 °C, в зависимости от конкретной природы эвтектики.

При использовании этой методики ультразвуковые волны и тепло можно применять одновременно с помощью металлического стержня, завершающегося в концевой части заостренной или скошенной формой, который подвергают вибрациям при ультразвуковой частоте, причем стержень нагревают намоткой нагревательного элемента, обладающего электрическим сопротивлением, вокруг периферии стержня.