1. Popis materiálu a slitin
Indium (In) je post-tranzitní kov stříbrobílé barvy s extrémně nízkým bodem tání (156,6 °C) a mimořádnou, až anomální měkkostí (lze ho snadno rýpat nehtem a řezat nožem). Při mechanické deformaci vydává charakteristický praskavý zvuk (tzv. "pláč kovu") způsobený intenzivním dvojčatěním krystalové mřížky. Indium si zachovává vynikající plasticitu a tažnost i za kryogenních teplot blízkých absolutní nule, čímž eliminuje jakékoliv nízkoteplotní zkřehnutí. Vysoce unikátní vlastností čistého india je schopnost za studena mechanicky adhesovat (přilnout) k nekovovým povrchům, jako je sklo, křemík, křemen a keramika, což z něj činí ideální materiál pro vakuová těsnění a pokročilé optoelektronické spoje. Slitiny india se používají zejména pro nízkotavitelné pájky a tekuté kovy.
2. Chemické složení a standardní typy slitin
Přehled nejběžnějších komerčních čistot india a jeho klíčových průmyslových slitin (dle hmotnostních procent):
| Typ / Jakost materiálu | Obsah In | Sn | Ag | Bi | Ga | Pb | Bod tání / solidus |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Čisté Indium 4N (99,99 %) / Průmyslový standard | ≥ 99,99 % | < 0,005 % | < 0,001 % | < 0,002 % | – | < 0,003 % | 156,6 °C |
| Čisté Indium 5N (99,999 %) / Polovodičová čistota | ≥ 99,999 % | < 0,0002 % | < 0,0001 % | < 0,0001 % | – | < 0,0001 % | 156,6 °C |
| In52-Sn48 / Eutektická nízkotavitelná pájka | 52,0 % | 48,0 % | – | – | – | – | 118 °C (eutektikum) |
| In97-Ag3 / Pájka se zvýšenou smáčivostí skla | 97,0 % | – | 3,0 % | – | – | – | 143 °C (solidus) |
| Galinstan / Tekutý kov za pokojové teploty | 21,5 % | 10,0 % | – | – | 68,5 % | – | -19 °C (kapalný stav) |
| In50-Pb50 / Pájka omezující rozpouštění zlata | 50,0 % | – | – | – | – | 50,0 % | 180 °C (solidus) |
3. Výrobní normy a formy polotovarů
Specifikace standardů:
- ASTM B312: Zkušební metody pro vysoce čisté kovové materiály z prášků (včetně čistoty india).
- ISO 9453: Měkké pájecí slitiny – chemické složení a formy (pokrývá specifické slitiny legované indiem).
- IPC/J-STD-006: Požadavky elektronického průmyslu na pájecí slitiny a taveniny.
Dodávané polotovary:
- Ingoty a slitky: Standardní hmotnosti od 10 g, 100 g až po 1 kg (čistota 4N až 6N).
- Indiové dráty: Průměry od 0,5 mm do 6,0 mm dodávané na cívkách nebo řezané.
- Indiové fólie a pásky: Tloušťky od 0,025 mm do 1,0 mm (využívány jako TIM podložky).
- Předlisované tvary (Preforms): Přesně vysekané kroužky, disky a čtverečky pro automatizované pájení.
- Indiové kuličky (Spheres/Pellets): Pro BGA pouzdření polovodičů a tavicí vsázky.
- Tekuté slitiny (Galinstan): Balené v hermetických lahvích nebo injekčních stříkačkách.
4. Popis typického použití
- Materiály rozhraní tepelného managementu (TIM – Thermal Interface Materials): Fólie z čistého india se používají mezi CPU/GPU čipy a vysoce výkonné chladiče. Díky extrémní měkkosti indium pod tlakem dokonale vyplní mikrotrhliny a nabízí řádově vyšší tepelnou vodivost než běžné teplovodivé pasty.
- Vysokovakuová technika (UHV): Indiové dráty a kroužky se používají jako těsnicí kroužky (těsnění) přírub ve vakuových systémech. Indium teče pod mírným tlakem a vytvoří spolehlivý spoj kov-sklo nebo kov-kov, který netěsní ani při kryogenních teplotách.
- Polovodiče a optoelektronika: Sloučeniny india (ITO – Indium Tin Oxide) tvoří průhledné vodivé vrstvy na dotykových displejích, LCD panelech a solárních článcích. Čisté indium 5N/6N je výchozí surovinou pro syntézu InAs, InP a InGaN pro laserové diody a LED.
- Kryogenní technika a supravodiče: Spojování supravodivých kabelů (např. v magnetech MRI) a fixace vzorků v kryostatech, kde běžná cínová pájka zkřehne a popraská.
- Bezpečné chlazení a náhrada rtuti: Eutektické slitiny jako Galinstan slouží jako netoxická náhrada rtuti v lékařských teploměrech a jako tekuté chladivo pro vysoce zatížené reaktory a procesory.
5. Fyzikální a mechanické vlastnosti
Fyzikální vlastnosti:
| Vlastnost | Čisté Indium (99,99 %) | Eutektická slitina In-Sn (52/48) |
|---|---|---|
| Hustota (g/cm3 při 20 °C) | 7,31 | 7,18 |
| Teplota tavení / Solidus (°C) | 156,6 °C | 118 °C |
| Měrná tepelná vodivost (W/m·K při 20 °C) | 86,0 (vynikající přenos tepla na čipech) | 34,0 |
| Koeficient tepelné roztažnosti (10-6/K) | 32,1 (vysoká roztažnost, kompenzovaná měkkostí) | 20,0 |
| Měrný elektrický odpor (μΩ·cm) | 8,3 | 14,7 |
Mechanické vlastnosti (při 20 °C):
| Mechanický parametr | Čisté Indium (99,99 %) | Slitina In97-Ag3 |
|---|---|---|
| Pevnost v tahu Rm (MPa) | 1,6 – 2,6 MPa (extrémně nízká, kov teče pod rukou) | 5,5 – 7,0 MPa |
| Mez kluzu Rp0,2 (MPa) | ~ 0,4 MPa (kov nemá téměř žádnou elastickou zónu) | ~ 1,5 MPa |
| Tažnost A5 (%) | 22–30 % (při pokojové teplotě podléhá creepu) | 15–22 % |
| Tvrdost (Mohs / Brinell) | 1,2 Mohs / ~ 0,9 HB (měkčí než olovo a mastek) | ~ 2,5 HB |
| Modul pružnosti v tahu (E) | 11 GPa (velmi poddajná krystalická mřížka) | ~ 18 GPa |
Kritické upozornění pro provozní teploty a creep: Vzhledem k nízkému bodu tání (156,6 °C) odpovídá pokojová teplota (20 °C) více než 65 % absolutní teploty tavení india v Kelvinech. To znamená, že indium za pokojové teploty permanentně podléhá masivnímu jevu tečení (creep) pod vlastní vahou či minimálním tlakem. Pevnostní spoje z čistého india jsou konstrukčně nepřípustné! Materiál nesmí být nikdy dlouhodobě vystaven teplotám nad 120 °C, kdy dramaticky ztrácí konzistenci a hrozí jeho vytlačení ze spoje.
6. Popisy a podmínky zpracování a dělení (obrábění)
Klasické třískové obrábění (soustružení, frézování, vrtání) se u čistého india a jeho měkkých slitin téměř neprovádí a je technologicky nevhodné. Kov je tak měkký a mazlavý, že se okamžitě deformuje, lepí na břity nástrojů a znečišťuje je. Tvary se proto připravují tvářením, stříháním nebo tavením.
Dělení a stříhání
- Doporučení: Tenké fólie, dráty a pásky se dělí výhradně střihem za studena (pomocí ostrých průmyslových nůžek, gilotin nebo přesných razníků). Nástroje musí mít minimální vůli a dokonale čisté ostří, aby nedošlo k deformaci hran vlivem extrémní plasticity india.
- Výseky (Preforms): Výroba specifických podložek se provádí lisováním (vysekáváním) z pásů za pokojové teploty bez nutnosti ohřevu.
Zpracování a čištění řezných ploch
- Mechanické začištění: Pokud je nutné poupravit povrch masivního slitku, používají se velmi ostré škrabky nebo skalpely, kterými se materiál ručně odebírá. Použití rotačních fréz nebo brusných kotoučů je nepřípustné – póry kotouče se okamžitě zalepí kovem a hrozí destrukce nástroje chycením materiálu.
7. Pájecí a spojovací technologie
Indium se chová jako vynikající měkká pájka, která exceluje tam, kde klasické bezolovnaté pájky SAC selhávají z důvodu teplotní citlivosti elektroniky nebo rigidity spojů.
- Pájení bez tavidla (Fluxless Soldering): Čisté indium dokáže smáčet sklo, křemík a keramiku. Spojení se provádí mechanickým třením roztaveného india o vyhřátý nekovový povrch (cca 180 °C), čímž se naruší povrchové oxidy a indium vytvoří přímou chemickou vazbu s oxidy v podkladu. Využívá se pro hermetické průchodky optických vláken.
- Pájení citlivých součástek: Eutektická slitina In-Sn (118 °C) umožňuje pájení extrémně citlivých polovodičových senzorů bez rizika jejich tepelného zničení.
- Metalurgická kompatibilita: Indium velmi pomalu rozpouští zlato (Au) ve srovnání s cínovými pájkami. Pro pájení pozlacených kontaktů se proto používají slitiny typu In-Pb nebo In-Ag, které zabraňují destrukci tenkých zlatých vrstev (tzv. "zlaté křehnutí svaru").
8. Metalurgické tavení a odlévání
- Podmínky tavení: Tavení india a příprava slitin je energeticky velmi nenáročná (bod tání 156,6 °C). Tavení se provádí v nerezových, keramických nebo grafitových kelímcích. Vzdušná oxidace taveniny je mírná, avšak pro dosažení špičkové polovodičové čistoty bez vměstků oxidů se doporučuje tavit pod inertní atmosférou (Argon, Dusík) nebo ve vakuu.
- Odlévání: Tekuté indium má vynikající zatékavost. Odlévá se do předehřátých ocelových nebo silikonových forem. Kvůli vysokému smrštění a měkkosti je nutné zajistit správné úkosy forem pro snadné vyjmutí odlitku bez jeho deformace.
9. Čištění, moření a skladování
Indium vykazuje skvělou odolnost proti korozi na vzduchu a ve vodě (netvoří hloubkovou rez), avšak na povrchu se tvoří tenký transparentní oxid In2O3, který zhoršuje smáčivost při pájení a tepelný kontakt u TIM aplikací.
- Odmašťování: Povrch fólií a drátů lze bezpečně čistit v ultrazvukové lázni za použití isopropylalkoholu (IPA) nebo acetonu.
- Moření (odstranění povrchových oxidů): Provádí se krátkým ponořením (cca 10–30 sekund) do 10% až 15% zředěné kyseliny chlorovodíkové (HCl) při pokojové teplotě. Kyselina HCl spolehlivě rozpustí oxid In2O3, aniž by rapidně napadala čistý kov pod ním. Po moření následuje okamžitý oplach isopropylalkoholem a rychlé vysušení proudem dusíku. Voda se po moření nedoporučuje, protože může iniciovat bleskovou reoxidaci.
- Skladování: Polotovary z india se musí skladovat v hermeticky uzavřených obalech (ideálně vakuově balené nebo v argonové atmosféře), aby se zamezilo růstu oxidické vrstvy. Vzhledem k měkkosti materiálu musí být jednotlivé fólie prokládány speciálním voskovým papírem, jinak hrozí jejich trvalé samovolné slepení (svaření za studena) pod vlastní vahou.