Файл: Конспект лекций Курск 2006 Содержание.doc

Соединение деформацией контактируемых материалов - под дей­ствием механических усилий происходит разрушение оксидных пленок и образование надежного соединения. Недостатки: габариты и масса.

Соединение токопроводящими клеями и пастами - в отличии от пайки и сварки не вызывает изменения структуры соединяемых материа­лов и применяется в тех случаях, когда другие методы невозможны.

Выбор метода выполнения электрических соединений определяет­ся конструкцией контактного узла, материалом, требованиями к качеству, а также условиями экономичности и производительности.
4.2. Технология выполнения пайки
Для получения качественного паянного соединения необходимо:

1. 
   подготовить поверхность, активировав соединение металл и припой;
   
2. 
   обеспечить взаимодействие на границе «металл-припой»;
   
3. 
   создать условия для кристаллизации припоя.
   

Подготовка включает удаление загрязнений пленок оксидов, пре­пятствующих смачиванию припоем, механическим (шлифовальной бума­гой или кругом) или химическим (травление) способом. Обезжиривание проводят в растворах щелочей или органических растворителей (ацетон, бензин, спирт, фреон и т.п.) путем протирки, погружения, распыления и УЗ способами. Удаление оксидных пленок осуществляется травлением в растворах кислот или щелочей. Состав раствора определяется видом металла, толщиной оксидной плёнки и скоростью травления. После трав­ления детали тщательно промывают с применением нейтрализующих растворов. Активация соединяемых металлов и припоев - чтобы удалить образующуюся в процессе пайки оксидную пленку и защитить поверх­ность от дальнейшего окисления применяют флюсы, газовые среды, са­мофлюсующийся припой или способы физико-механического воздейст­вия (вибрации, УЗ колебания и т.д.).

Пайка с флюсами наиболее распространена и общедоступна. Взаимодействие флюса и оксидной пленки приводит к растворению во флюсе соединения и перевода его в шлак. Недостатком является то, что флюсовые остатки взаимодействия образуют в паяном соединении шла­ковые включения, что снижает прочность и коррозийную стойкость, на­рушает герметичность соединения. Поэтому используют безфлюсовую пайку, которая осуществляется в специальных газовых средах или ва­кууме. Газовая среда (азот, аргон, гелий, криптон) защищает от окисле­ния и образования оксидной плёнки, однако газовая среда при взаимо­действии с припоем и металлами образует гидриды, карбиды и нитриды. При пайке в вакууме наблюдается дегазация шва, что приводит к порис­тости. Для удаления оксидной плёнки применяют самофлюсующиеся припои. Они содержат компоненты, которые реагируют с оксидной плён­кой металла и припоя, образуя легкоплавкие шлаки, защищающие по­верхность металла от окисления. После расплавления припоя и дости­жения уровня энергии активации,

---

происходит взаимодействие припоя и металла, в процессе которого происходит смачивание поверхности при­поем. От этого зависит прочность, коррозионная стойкость и другие свой­ства паянного соединения. После удаления источника тепловой энергии наступает стадия кристаллизации металлической прослойки, от которой зависит качество паянного соединения. Выбор материалов для монтаж­ной пайки: флюсы предохраняют поверхность металла и припоя от окис­ления, растворяют и удаляют пленки оксидов, улучшают смачиваемость припоя. Выбор флюса производят исходя из требуемой химической ак­тивности, которая должна быть наибольшей в интервале температур при пайке.

По своему составу флюсы разделяют на две группы.

1) Смолосодержащие - на основе канифоли или полиэфирных флюсую­щих смол. Они обладают универсальностью, не снижают электриче­ское сопротивление подложек ПП, не вызывают коррозии соединяе­мых металлов. Однако обладают слабой электрической активностью и предназначены для пайки легкопаяемых металлов. Канифольные флюсы, активированные 2-3,5 % органических кислот обладают повы­шенной активностью и применяются для групповой пайки, но требуют тщательной отмывки флюса.

2) Коррозионные активные флюсы, не содержащие смол. Для повышения активности флюсов в их состав вводят активирующие добавки: ани­лин, гидразин, триэталомин. Применяют в процессе лужения и восста­новления паяемости монтажных элементов после хранения в цехе, складе.

Для пайки монтажных соединений ЭВА применяют низко и средне-температурные припои (Тпл  450°С), основными компонентами являются олово и свинец. Механическая прочность припоев повышается с увели­чением содержания олова, но при этом увеличивается его стоимость, так как свинец дешевле олова в 20 раз. Выбор марки припоя определяется назначением, и конструктивными особенностями изделия, типом метал­ла, допустимой температурой при пайке ЭРЭ, а также технологическими требованиями (смачиваемость, малый температурный интервал кристал­лизации). С появлением поверхностного монтажа разрабатываются припои в виде паяльных паст - суспензии порошка легкоплавкого припоя с флюсующей сваркой, в которую входят активатор, растворитель и др. Ка­чество пасты определяется размерами частиц и однородностью состава. При выборе очистной жидкости учитывается растворяющая способность

---

, рабочая температура, влияние на элементы конструкции, токсичность и пожаростойкость. Канифольные флюсы промывают этиловым спиртом (изопропиловая спиртобензиновая смесь 1:1), трихлорэтиленом, фреоном или смеси на его основе (экологически вреден). Выбор конкретных материалов для пайки производят в соответствии с отраслевым стандар­том ОСТ 4. ГО.033200.
4.3 Технологический процесс пайки ОСТ 4. ГО.054.267
Состоит из операций:

1. 
   фиксации соединительных элементов с предварительно подготовлен­ной к пайке поверхностей;
   
2. 
   нанесения дозированного количества флюса и припоя;
   
3. 
   нагрева деталей до заданной температуры и выдержки в заданном времени;
   
4. 
   охлаждение без перемещения паяемых поверхностей;
   
5. 
   очистке соединения;
   
6. 
   контроля качества.
   

В зависимости от типа производства пайка выполняется индивиду­ально с помощью паяльника и групповыми методами. При индивидуаль­ной пайке требуемый температурный режим обеспечивается выбором паяльника - по температуре рабочего жала, степенью стабильности этой температуры. Температура рабочего жала задаётся на 30-50 °С выше температуры плавления припоя. Режимами пайки является температура, которая для широко распространённого припоя ПОС-61 составляет 280±10 °С и время пайки 1-3 секунды. Более низкую температуру имеет олово - свинец - кадмиевые припои, используются при ступенчатой пайке. Подготовка поверхностей к пайке заключается в удалении загрязне­ний, оксидных и жировых плёнок. Для этого применяются различные рас­творители, горячие щелочные растворы. Подготовленная поверхность покрывается флюсом непосредственно перед горячим лужением или пайкой. Оксидная плёнка металла и припоя растворяется или разрыхля­ется и всплывает на поверхность флюса. Вокруг очищенного металла образуется защитный слой флюса, препятствующий возникновению ок­сидных плёнок. Жидкий припой замещает флюс и взаимодействует с ос­новным металлом. Флюсы по действию на металл делят на кислотные (активные), бескислотные, антикоррозионные и активированные. Кислот­ные флюсы (хлористый цинк и на его основе) при монтажной пайке не применяют. Бескислотные флюсы - канифоль и на её основе с добавле­нием не активных веществ - спирта, глицерина, применяются при мон­тажной пайке. Широко применяются флюсы ФКС и раствор с основой ка­нифоли 10-40 % в этиловом спирте. Флюсы на основе канифоли не ока­зывают коррозионного действия. Для пайки твёрдыми припоями в качест­ве флюса используют буру или на её основе (90 % бура и 10 % борная кислота). Лужение заключается в покрытии поверхности соединения тон­кой плёнкой припоя паяльником или погружение в ванну с расплавлен­ным припоем. Один из способов дозирования припоя является примене­ние припойных паст - смесь порошкового припоя ПОС-61 и канифоли ти­па ПЛ1, ПЛЗ. Пайка заключается в прогреве соединяемых элементов по­сле нанесения припоя и сохранения их в сжатом состоянии до полного затвердевания припоя. Фиксация соединений обеспечивается скручива­нием проводника, закреплением в монтажных отверстиях при помощи пинцета или инструмента. Сейчас применяется скелетная пайка. При пайке необходимо некоторое время для осуществления взаимной диф­фузии припоя и основного металла - зависит от состава припоя, темпе­ратуры и других факторов. Затем место соединения охлаждают до комнатной температуры - обдувом, испарительным методом, теплоотводом. Форма

---

пайки может быть заливной - скрыты припоем, и скелетной - про­сматриваются контуры соединения. Очистка от остатков флюса произ­водится промывкой, протиркой спиртобензиновыми смесями. Качество паяного соединения оценивают по внешнему виду структуры, механиче­ской прочности, и интенсивности отказов. При хорошем соединении по­верхность припоя должна быть гладкой и блестящей. Холодный спай вы­является при проверке на вибропрочность. Качество паяного соединения, характеризуется переходным соединением - ЗмОм; интенсивность от­казов - 10^-7 - 10^-8 час^-1.

Групповые методы пайки применяются для монтажа ЭРЭ на ПП пу­тём одновременного выполнения большого числа монтажных соедине­ний. Наибольшее распространение получила пайка погружением в рас­плавленный припой и пайка волной припоя. При групповой пайке процесс начинается с подготовки поверхности ПП, зачистки мест пайки и обезжи­ривания в растворе спирта с бензином и обдувкой воздухом до полного высыхания. Защита участков ПП осуществляется маской из бумажной ленты, слоя краски нанесённой через трафарет. Следующим этапом яв­ляется нанесение флюса и подогрев, который удаляет влагу и уменьшает температуру в момент нагрева платы в сушке. Процесс пайки установ­ленных на плате элементов заключается в нанесении расплавленного припоя на обработанную флюсом поверхность. При пайке погружением плату помещают в приспособление (кассету) и погружают расплавленный припой на половину толщины платы. Затем включают вибратор, время выдержки при температуре 250 °С 4-6 секунд. Ванны с припоем оснаще­ны терморегуляторами.

Недостатками пайки погружением являются:

Коробление плат из-за температурной деформации;

окисление припоя в ванне;

строгое поддержание уровня припоя;

Применение возможно для плат размером до 150 мм. Пайка волной припоя представляет процесс, при котором подача припоя к месту соединения осуществляется стоячей волной припоя, об­разуемой в ванне. В ванне находится расплавленный припой, и печатная плата проходит по гребню волны припоя, которая создаётся подачей припоя через сопла определённой формы. Постоянный контакт платы с припоем обеспечивает быструю передачу теплоты, что сокращает время пайки. При пайке волной устраняется окисление припоя и температурная деформация платы. Разновидностью пайки волной является пайка стру­ёй припоя или каскадным методом - несколько гребней волны последо­вательно (трехкратное касание гребней волны). Заключительной опера­цией при всех методах групповой пайки является удаление маски. Для этого плату помещают на 0.8 - 0.9 толщины в ванну с горячей водой (90°С), затем обдувают горячим воздухом до полного высыхания. Удале­ние флюса осуществляется в ванне со смесью бензина и спирта 50:50%.

---

4.4 Монтажная сварка
Для выполнения микросварных соединений при монтаже применя­ют следующие методы сварки:

термокомпрессионная,

с косвенным импульсным нагревом,

расщеплённым электродом,

ультразвуковая.

Термокомпрессионная сварка осуществляется при одновременном воздействии повышенной температуры (250-400°С) и давления 0,5-1,8 Н за время 5-20 секунд. Механизм образования термокомпрессионного со­единения связан с разрушением оксидной пленки и созданием тесного контакта между соединяемыми поверхностями. При этом происходит взаимная диффузия металлов. Сварку производят с помощью пуансона различной формы клина с подогревом, двух игл, капилляра. Часто при­меняют защитную среду (аргон, азот и др.). Недостатками её являются высокие требования к качеству подготовки поверхностей, низкая произ­водительность - не более 200 соединений в час. Сварка с косвенным им­пульсным нагревом является наиболее прогрессивной, в отличие от тер­мокомпрессионной, тем, что инструмент нагревается только в момент сварки и выделение теплоты сосредотачивается в нижней части инстру­мента. Электрод - инструмент имеет V-образную форму (рисунок 3), под давлением 0,5-5 Н приводится в соприкосновение с проводником. При прохождении импульса тока торец электрода нагревается и локально на­гревает проводник до более высокой температуры (400-490°С), чем при термокомпрессионной сварке. При этом проводник переходит в пласти­ческое состояние, происходит его осадка под воздействием давления и образуется соединение.






а) б)
Рисунок 3 - Разновидности термокомпрессионной сварки:

1 - рабочий столик, 2 - подложка, 3 - присоединяемый провод, 4 - инструмент
Электроконтактная сварка расщеплённым электродом (рисунок 4) осуществляется за счёт нагрева при пропускании электрического тока через свариваемые проводники между изолированными друг от друга электродами. При нагреве проводников и наличии давления в местах контакта, нагретые до температуры рекристаллизации, образуют сцепле­ние за счёт металлических связей. При этом длительность нагрева зна­чительно меньше, чем при сварке с косвенным подогревом, и перегрев элементов сводится к минимуму.

---