191638. lajstromszámú szabadalom • Forrasztóötvözetek érintkezőanyagok forrasztásához
1 191 638 2 A találmány olyan forrasztóötvözetekre vonatkozik, amelyek oxidtartalmű ezüst-érintkezőanyagoknak, különösen ezüst-ón-oxidnak egy tartóelemhez való közvetlen forrasztására alkalmasak. A nemesfémtartalmú érintkezöanyagokat, amelyek fém-oxid adalékot is tartalmaznak, mint pl. kadmium-oxidot, ón-oxidot vagy indium-oxidot, nem-nemes tartóanyagokra, mint pl. vasra, nikkelre vagy rézre szokták felforrasztani. Mivel ezektől a kapcsolóüzemben használt egymáshoz kötött anyagoktól hosszú élettartamot kívánnak meg, szilárd forrasztott kötést kell biztosítani közöttük. A technika jelenlegi állása szerint ilyen forrasztott kötéseket például úgy állítanak elő, hogy az érintkezőelemeket (érintkezőpogácsákat) jól forrasztható színezüst- vagy ezüst-kadmium (-ón) ötvözetréteggel látják el. Ez a járulékos réteg megdrágítja a forrasztható érintkezőelemek gyártását, és megnöveli az ezüst részarányát. Léteznek olyan megoldások is, amelyek anélkül is lehetővé teszik a közvetlen forrasztást, hogy különleges bevonatra lenne szükség. A 23 65 450 sz. NSZK-beli közzétételi iratból ismert olyan megoldás, amely szerint az ezüst-fém-oxid-anyagot ezüst-réz-ötvözet aláöntéssel egészítik ki, és úgy forrasztják a tartóhoz. A 24 38 922 sz. NSZK-beli nyilvánosságra hozatali irat pedig reaktív forraszoknak réz-ezüst-foszfor bázisra való felvitelével foglalkozik. A 30 11 821 sz. NSZK-beli nyilvánosságra hozatali irat egy két komponensből álló közve tlenforraszt ismertet, amelyben egy AgP-rétegnek és egy AgCd-rétegnek a forrasztási művelet alatt egyetlen ezüst/réz/kadmium/ /foszfor-forrasszá kell reagálódnia. A 29 48 915. sz. NSZK-beli nyilvánosságra hozatali irat is egy közvetlenforraszra vonatkozik, amely ezüst-réz-kadmium-ón-indium-ötvözetből áll, és szintén felhasználható az oxidtartalmú ezüst-érintkező anyagoknak tartóhoz való forrasztására. Ez a forrasz igen jól nedvesíti az ezüst-fém-oxidanyagot anélkül, hogy a diffúziós zónában rideg fázisokat alkotna. Hasonlóképpen a 31 23 357 sz. NSZK- beli nyilvánosságra hozatali irat egy olyan forraszt ismertet, amely különösen ezüst-ón-oxid-érintkezőanyagokhoz alkalmazható, és ezüst-ón-indium-germánium komponensekből áll. Egész sorozat olyan forrasztóötvözetet ismerünk, amelyek nedvesítik az ezüst-fém-oxid anyagokat, és nem alkotnak semmiféle rideggé váló reaktív tartományokat az érintkezőanyag és a forrasz, ill. a tartó és a forrasz közötti diffúziós zónában. Ezek az ismert forrasztóötvözetek általában csak korlátozott felhasználási területtel rendelkeznek. Főleg az ezüst-ón-oxid érintkezőknél fordul elő az a probléma, hogy a közbenső kötőanyag-réteg gyakran rövidebb élettartamúnak bizonyul, mint a beégésnek ellenálló külső érintkezőelem. A tartóra forrasztott érintkezőelemek speciális problémáit a hőmérsékletkülönbségek miatt ébredő mechanikai feszültségek okozzák. Ugyanis az érintkezőelemek kapcsoló felületén a hőmérséklet az ívkisülések energiája révén akár 1000 °C fölé is emelkedhet, viszont az érintkezőelemek átellenben fekvő (forrasztás felőli) oldala nem melegszik lényegesen a szobahőmérséklet fölé. Ez a hőmérsékletkülönbség viszonylag rövid, pl. 3 mm-es távolság mentén lép fel. Ennek következtében a kapcsolásokkal járó állandó hőmérsékletingadozások nagy nyíró- és húzófeszültségeket hoznak létre, amelyek az érintkezőelemek leválásához vezethetnek. Az érintke- 2 zőelemek alatti közbenső színezüstréteg létesítésével bizonyos mértekig csökkenteni lebet ezeket a feszültségeket. Az így kialakított szerkezetnek azonban korlátozott az élettartama. Sem az említett közbenső ezüstréteg sem az ezüst és ezüst-fém-oxid közti kötés nem elég szilárd ahhoz, hogy tartósan rögzítse egymáshoz a komponenseket. Ezért a találmány feladata az oxidtartabnú ezüstérintkezőanyagoknak, elsősorban az ezüst-ón-oxidnak tartóhoz való közvetlen forrasztására alkalmas olyan forrasztóötvözeteket találni, amelyek az ezüst-fémoxid anyagokat jól nedvesítik, és ezáltal jó forrasztott kötést alkotnak. Ezeknek a forrasztóötvözeteknek ezenkívül eléggé képlékenyeknek kell lenniük ahhoz, hogy a nyíró- és húzófeszültségek megszűnését biztosító alakváltozások végbemehessenek. Továbbá az ezüstéhez képest nagyobb szilárdsággal kell bírniuk, nehogy a kapcsolások közben ébredő nyíró- és húzófeszültségek túllépjék a törési határt. Végül a járulékos feszültségek elkerülése érdekében ezen forrasztóötvözetek hőtágulási együtthatóinak illeszkedni kell a többi alkatrészéhez. Ezt a feladatot a találmány szerint úgy oldjuk meg, hogy olyan forrasztóötvözeteket használunk, amelyeket az ezüst mellett 20—35 tömeg% rezet és 0,1—5 tömeg% palládiumot tartalmaznak. Az ilyen ötvözetek meglepő módon minden tekintetben eleget tesznek a kitűzött feladatnak. Ezek a forrasztóötvözetek a velük alkotott forrasztott kötések élettartamát illetően felülmúlják a hagyományos színezüst bevonattal együtt alkalmazott eddig ismert közvetlen forrasz akat. Többfajta mágneskapcsolóban elvégzett élettartam-kísérletek kimutatják a találmány szerinti forrasztóötvözetek kétségbevonhatatlan elsőbbségét, különösen a beégéssel szemben igen ellenálló ezüst/ón-oxid-érintkezőanyagokkal kapcsolatban. Továbbá a találmány szerinti ötvözetek alaposan nedvesítik az ismert ezüst/fémoxid-anyagokat anélkül, hogy pl. az ón-oxiddal való reakció útján merev diffúziószónákat hoznának létre. Különösen beváltak azok a forrasztóötvözetek, amelyek az ezüst mellett 24—32 tömeg% rezet és 0,5—3 tömeg% palládiumot tartalmaznak. Rendkívül gazdaságosnak találtuk az 1 tömeg% palládiumot tartalmazó forrasztóötvözeteket. Ezeknél az eddigiekhez képest még az alacsonyabb üzemi hőmérsékletet és a valamivel hosszabb élettartamot is az előnyös tulajdonságok közé sorolhatjuk. A találmány szerinti forrasztóötvözetek előnyeit a következő példák segítségével mutatjuk be: 1. Ag/SnOj (88/12)-ből készült 9x9x1,25 mm3 térfogatú lemezkéket 26,6 tömeg% rezet és 5 tömeg% palládiumot tartalmazó ezüst-forrasztóötvözettel védögázban rézbevonatú acéltartóra forrasztottunk. A forrasztóötvözetet fólia alakjában helyeztük a komponensek közé. Az így összeforrasztott egységet egy 75 A-es mágneskapcsolóra szerelve, AC4-üzemmódban működtetve az átlagosan 70000 kapcsolást bírt ki. Ezzel szemben a hagyományosan ezüstbevonat közbeiktatásával forrasztott érintkezők csak 30000 kapcsolást viseltek el. 2. Ag/Sn02 (88/12) anyagú 14x15x2,3 mm3 térfogatú lemezkéket AgCu28Pdl összetételű forrasztóötvözettel védőgázban réztartóra forrasztottuk. Az egységet egy 250 A-es mágneskapcsolóban vizsgálva 120000-es kapcsolási számot lehetett elérni (Agbevonatú anyag esetén csak 90 000-est). 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
