ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.11.2023
Просмотров: 165
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
3.4.2 Вакуумная пайкаСовременные компании-производители электроники и микроэлектроники нуждаютсяв передовых технологиях, чтобы соответствовать неуклонно растущим требованиямк надежности выпускаемой продукции.Пайку можно назвать одним из самых сложныхэтапов при производстве радиоэлектронной продукции. Построение и отладка термопрофиля —творческий и непростой процесс, который под силуопытным и, зачастую, креативным сотрудникам.Но даже имея идеальный термопрофиль, в условияхпроизводства можно столкнуться с массой дефектов,возникающих при пайке.В более ответственных сферах производства радиоэлектронной продукции появляется необходимостьсоздания максимально надежного паяного соединения, устойчивого к коррозии и способного перенести различные воздействия, как температурные, таки механические.Одним из параметров надежности паяного соединения можно назвать его однородность. Присутствиепустот в паяном соединении может привести к коррозии и последующему выходу изделия из строя.Также одним из важных факторов качественной пайкиможно назвать смачиваемость спаиваемых поверхностей. В этой статье проанализированы вариантысоздания специальных условий при пайке, которыенапрямую влияют на качество паяного соединения.Влияние вакуума и его функции при пайкеЧтобы оценить влияние вакуума и понять принцип его действия, рассмотрим типовой профильпайки изделий в вакууме, представленный на рис. 38.Рис. 38.Профиль пайки.Обратите внимание на профиль пайки в системе пайки в вакууме, в фазе пайки мы видим сброс системы вакуума - это действие используется для удаления воздуха из рабочей камеры.После создания вакуума камера может быть наполнена специальным газом или смесью газов.Второй раз вакуум создается в фазе оплавления.При переходе припоя в жидкое состояние вакуум позволяет выместить воздух из объема паяного соединения, таким образом можно удалить образовавшиеся пустоты. После достижения вакуума в рабочуюкамеру может быть также подан газ (или смесь газов)для создания дополнительных условий при пайке.Примеры паяных соединений при пайке в воздухеи специальной среде с использованием вакуума приведены на рис. 38.Для повышения качества паяного соединенияпайку можно проводить в специальной атмосфере,что позволяет минимизировать процессы окисленияи улучшить смачиваемость поверхностей.Технологию пайки можно условно разделитьна две группы по типу активации поверхностей перед пайкой:
• пайка с использованием флюса;• пайка без использования флюса.Рассмотрим возможные типы атмосферы дляобоих способов пайки изделий.Пайка с использованием флюсаПри этом способе пайки функцию активатора поверхностей перед пайкой будет выполнять флюс. Специальная среда, которая можетсоздаваться в современных системах вакуумной пайки, должна обеспечивать лишь отсутствие окислений на спаиваемых поверхностях.В качестве инертной среды можно использовать следующие газы:- азот, аргон и т.д. (любые инертные газы);- формир-газ (95% азота + 5% водорода).АзотКак известно, азот (N2) — бесцветный, безвкусный, не имеющий запаха газ. В атмосфереазот является основной составляющей.на егодолю приходится примерно 78% атмосферы,еще 20,9% занимает кислород, 0,9% — аргон.Остальная часть атмосферы состоит из углекислого газа, водорода, неона, гелия, криптона, ксенона и других газов. Газообразный азот - широко используется в промышленности,благодаря своей химической инертности.Достоинства:- Нет окисления при пайке;- Доступность и безопасность при работе. Недостаток:- не подготавливает площадкии поверхности к пайке.Формир-газФормир-газ — это смесь из 95% азота и 5% водорода. Основное свойство водорода — способность разрушать оксидные пленки на поверхностях, тем самым удаляются окисления.Достоинства:-Активация площадок, создание инертной среды;- Нет специальных требований к безопасности.Недостаток:-низкая способность подготавливать поверхности.Пайка без использования флюсаЭтот способ пайки целесообразно использовать при производстве изделий с высокойстепенью ответственности. Технология пайкибез использования флюса является гораздоболее «чистой», так как после пайки отсутствуют загрязнения от веществ, находящихсяв составе флюса. Остатки флюса необходимотщательно удалять с помощью отмывки, таккак зачастую они становятся причиной выходаизделия из строя. При пайке без флюса специальная атмосфера, создаваемая в рабочейкамере, должна не только обеспечивать активацию поверхностей при пайке, но и препятствовать образованию окислений.Возможные варианты специальной атмосферы при пайке без использования флюса:- пайка впарах муравьиной кислоты (HCOOH);- пайка в водородной среде (H2);
- пайка с использованием плазмы.Пайка в парах муравьиной кислотыМуравьиная кислота — химический реагент,позволяющий убрать окисления с поверхностей. В системах вакуумной пайки инертныйгаз проходит через емкость с муравьиной кислотой, в результате чего образуется «влажныйгаз», содержащий пары муравьиной кислоты.Пар, взаимодействуя с поверхностями, удаляет окисления и подготавливает их к пайке.Муравьиную кислоту рекомендуется использовать в профиле в фазе активации поверхностей. Температура должна быть между+130 и +170 °C, что особенно важно при использовании низкотемпературных припоев,так как альтернативные варианты подготовкиповерхности при низких значениях температуры неэффективны.Достоинства:- Удаление оксидного слоя;- Не нужно использовать флюс.Недостатки:- повышенные требованияк безопасности.Пайка в водородеОчищенный от примесей паров воды и других газов водород эффективно удаляет окислыметаллов.Водород гораздо более активный восстановитель, чем формир-газ или пары муравьинойкислоты. Так, например, окислы железа восстанавливаются в водороде примерно в 20 разбыстрее, чем в формир-газе при +500 °C,и в 10 раз быстрее при +300 °C. Недостаткомводорода является взрывоопасность, ограничивающая его применение. Также следует отметить, что водород эффективно проявляетсвои полезные свойства лишь при температуре выше +280 °C.Достоинства:- Очищение от окислений;- Улучшение смачиваемости;- Отсутствие загрязнений.Недостатки:- Наличие открытого пламени при удаленииводорода из рабочей камеры;- Повышенные требования к безопасности.Пайка с использованием плазмыдля подготовки поверхностейперед пайкойПлазма — это частично или полностьюионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженныхчастиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотностиположительных и отрицательных заряженныхчастиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Плазму иногда называют четвертым (после твердого, жидкогои газообразного) агрегатным состоянием вещества.Влияние плазмы на поверхности спаиваемых материалов (рис. 39):- Оказывается механическое воздействие, как при пескоструйной обработке;- Подготовка поверхности проводится ионизированным газом;
- УФ-излучение разрушает длинные цепиуглеродных соединений и используется дляотверждения специальных покрытий.Рис. 39. Удаление окислений с поверхностей с помощью плазмы.При использовании плазмы достигается эффект, когда поверхностное натяжение поверхности становится максимально близким к поверхностному натяжению самого материалапайки (например, к пресс-форме). При такомэффекте припой равномерно смачивает всюплощадь паяного соединения (рис. 40), а не собирается в шарики за счет большего поверхностного натяжения.Рис. 40. Смачиваемость необработанной (а)и обработанной поверхности (б).Оборудование для пайки в вакууме и сферы его примененияКомпания Budatec (Германия) уже 15 летзанимается разработкой и выпуском системвакуумной пайки. В Берлине находится исследовательская лаборатория, в которой специалисты Budatec проводят испытания пайкиизделий заказчика.Оборудование Budatec обладает следующими возможностями, для процессов пайки:- удаление пустот при пайке;- отсутствие окисления.Улучшение смачиваемости поверхностей:– возможность использования плазмы для очистки поверхностей перед пайкой;– быстрый нагрев и быстрое охлаждение (3 K/с);– отсутствие загрязнений при пайке (при использовании технологии пайки без флюса).Для работы с клеями-компаундами:– сушка и дегазация в одном устройстве;– удаление пустот;– улучшение клеящей способности поверхностей.Упаковка компонентов и корпусированиемикросхем:- герметичное запаивание корпуса микросхем с формир-газом;– возможность работы с такими газами, каказот, аргон, гелий и др.;– сборка продукции при вакууме до 0,1мбар.Типовое применение систем вакуумнойпайки:– производство высоковольтных систем;– микроэлектроника;– установка кристаллов;– сушка компаундов (рис. 41).Рис. 41. Примеры готовой продукции.Производство светодиодной продукции(рис. 42):– УФ-диоды;– лазерные диоды.Рис. 42. Примеры корпусирования и герметизации корпусов.
Корпусирование и герметизация корпусов(рис. 43).Рис. 43. Примеры корпусирования и герметизации корпусов.Компания Budatec предлагает три вариантамашин для пайки в вакууме:- VS160S (рис. 44, прил. А). Это начальная модель в линейке, с помощью которой можнопаять продукцию в азоте, формир-газеи парах муравьиной кислоты. Для работыс системой необходим вакуумный насос,предлагаемый в качестве опции.- VS160UG (рис. 45, прил. Б). Эта модель такжепозволяет паять продукцию в азоте, формиргазе и парах муравьиной кислоты. Системапоставляется в комплекте с вакуумным насосом. Она установлена на станину, внутрикоторой удобно располагаются все необходимые газовые магистрали, в том числе системаподачи паров муравьиной кислоты (рис. 46 б).- VS320 (рис. 46, прил. В). Старшая модельиз всей линейки оборудования. Система позволяет производить пайку всеми описанными в статье методами: в среде азота, формиргаза, водорода, паров муравьиной кислоты,возможна установка генератора плазмы, что показано на рис. 46.Рис. 44. Внешний вид машины для пайки VS160S.Рис. 45. Система для пайки VS160UG:а) внешний вид; б) емкость с муравьиной кислотой.Рис. 46. Система для пайки VS320:а) внешний вид; б) генератор плазмыПайку в среде водорода можнопроводить при содержании газа до 100%. Дляудаления газа из рабочей камеры над машиной устанавливается дожигатель отработанного газа — для обеспечения безопасности.3.4.3Вакуумноекорпусирование на уровне пластиныДля работы многих микроэлектромеханических систем (МЭМС),микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС) и ряда других устройств - требуется вакуум. Герметизация с помощью дискретныхкорпусов – довольно дорогостоящее и сложное решение, поэтомуперспективным представляется применение корпусированияна уровне пластины. В данной статье рассматриваются возможныеметоды реализации этой технологии. Основной акцент сделанна решении проблемы сохранения требуемого уровня вакуумав течение длительного времени, что достигается благодаряоптимальному выбору материалов и внедрению в герметичныйобъем геттеров. Анализируются также основные технологическиеаспекты применения геттеров, их свойства и характеристики.
• пайка с использованием флюса;• пайка без использования флюса.Рассмотрим возможные типы атмосферы дляобоих способов пайки изделий.Пайка с использованием флюсаПри этом способе пайки функцию активатора поверхностей перед пайкой будет выполнять флюс. Специальная среда, которая можетсоздаваться в современных системах вакуумной пайки, должна обеспечивать лишь отсутствие окислений на спаиваемых поверхностях.В качестве инертной среды можно использовать следующие газы:- азот, аргон и т.д. (любые инертные газы);- формир-газ (95% азота + 5% водорода).АзотКак известно, азот (N2) — бесцветный, безвкусный, не имеющий запаха газ. В атмосфереазот является основной составляющей.на егодолю приходится примерно 78% атмосферы,еще 20,9% занимает кислород, 0,9% — аргон.Остальная часть атмосферы состоит из углекислого газа, водорода, неона, гелия, криптона, ксенона и других газов. Газообразный азот - широко используется в промышленности,благодаря своей химической инертности.Достоинства:- Нет окисления при пайке;- Доступность и безопасность при работе. Недостаток:- не подготавливает площадкии поверхности к пайке.Формир-газФормир-газ — это смесь из 95% азота и 5% водорода. Основное свойство водорода — способность разрушать оксидные пленки на поверхностях, тем самым удаляются окисления.Достоинства:-Активация площадок, создание инертной среды;- Нет специальных требований к безопасности.Недостаток:-низкая способность подготавливать поверхности.Пайка без использования флюсаЭтот способ пайки целесообразно использовать при производстве изделий с высокойстепенью ответственности. Технология пайкибез использования флюса является гораздоболее «чистой», так как после пайки отсутствуют загрязнения от веществ, находящихсяв составе флюса. Остатки флюса необходимотщательно удалять с помощью отмывки, таккак зачастую они становятся причиной выходаизделия из строя. При пайке без флюса специальная атмосфера, создаваемая в рабочейкамере, должна не только обеспечивать активацию поверхностей при пайке, но и препятствовать образованию окислений.Возможные варианты специальной атмосферы при пайке без использования флюса:- пайка впарах муравьиной кислоты (HCOOH);- пайка в водородной среде (H2);
- пайка с использованием плазмы.Пайка в парах муравьиной кислотыМуравьиная кислота — химический реагент,позволяющий убрать окисления с поверхностей. В системах вакуумной пайки инертныйгаз проходит через емкость с муравьиной кислотой, в результате чего образуется «влажныйгаз», содержащий пары муравьиной кислоты.Пар, взаимодействуя с поверхностями, удаляет окисления и подготавливает их к пайке.Муравьиную кислоту рекомендуется использовать в профиле в фазе активации поверхностей. Температура должна быть между+130 и +170 °C, что особенно важно при использовании низкотемпературных припоев,так как альтернативные варианты подготовкиповерхности при низких значениях температуры неэффективны.Достоинства:- Удаление оксидного слоя;- Не нужно использовать флюс.Недостатки:- повышенные требованияк безопасности.Пайка в водородеОчищенный от примесей паров воды и других газов водород эффективно удаляет окислыметаллов.Водород гораздо более активный восстановитель, чем формир-газ или пары муравьинойкислоты. Так, например, окислы железа восстанавливаются в водороде примерно в 20 разбыстрее, чем в формир-газе при +500 °C,и в 10 раз быстрее при +300 °C. Недостаткомводорода является взрывоопасность, ограничивающая его применение. Также следует отметить, что водород эффективно проявляетсвои полезные свойства лишь при температуре выше +280 °C.Достоинства:- Очищение от окислений;- Улучшение смачиваемости;- Отсутствие загрязнений.Недостатки:- Наличие открытого пламени при удаленииводорода из рабочей камеры;- Повышенные требования к безопасности.Пайка с использованием плазмыдля подготовки поверхностейперед пайкойПлазма — это частично или полностьюионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженныхчастиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотностиположительных и отрицательных заряженныхчастиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Плазму иногда называют четвертым (после твердого, жидкогои газообразного) агрегатным состоянием вещества.Влияние плазмы на поверхности спаиваемых материалов (рис. 39):- Оказывается механическое воздействие, как при пескоструйной обработке;- Подготовка поверхности проводится ионизированным газом;
- УФ-излучение разрушает длинные цепиуглеродных соединений и используется дляотверждения специальных покрытий.Рис. 39. Удаление окислений с поверхностей с помощью плазмы.При использовании плазмы достигается эффект, когда поверхностное натяжение поверхности становится максимально близким к поверхностному натяжению самого материалапайки (например, к пресс-форме). При такомэффекте припой равномерно смачивает всюплощадь паяного соединения (рис. 40), а не собирается в шарики за счет большего поверхностного натяжения.Рис. 40. Смачиваемость необработанной (а)и обработанной поверхности (б).Оборудование для пайки в вакууме и сферы его примененияКомпания Budatec (Германия) уже 15 летзанимается разработкой и выпуском системвакуумной пайки. В Берлине находится исследовательская лаборатория, в которой специалисты Budatec проводят испытания пайкиизделий заказчика.Оборудование Budatec обладает следующими возможностями, для процессов пайки:- удаление пустот при пайке;- отсутствие окисления.Улучшение смачиваемости поверхностей:– возможность использования плазмы для очистки поверхностей перед пайкой;– быстрый нагрев и быстрое охлаждение (3 K/с);– отсутствие загрязнений при пайке (при использовании технологии пайки без флюса).Для работы с клеями-компаундами:– сушка и дегазация в одном устройстве;– удаление пустот;– улучшение клеящей способности поверхностей.Упаковка компонентов и корпусированиемикросхем:- герметичное запаивание корпуса микросхем с формир-газом;– возможность работы с такими газами, каказот, аргон, гелий и др.;– сборка продукции при вакууме до 0,1мбар.Типовое применение систем вакуумнойпайки:– производство высоковольтных систем;– микроэлектроника;– установка кристаллов;– сушка компаундов (рис. 41).Рис. 41. Примеры готовой продукции.Производство светодиодной продукции(рис. 42):– УФ-диоды;– лазерные диоды.Рис. 42. Примеры корпусирования и герметизации корпусов.
Корпусирование и герметизация корпусов(рис. 43).Рис. 43. Примеры корпусирования и герметизации корпусов.Компания Budatec предлагает три вариантамашин для пайки в вакууме:- VS160S (рис. 44, прил. А). Это начальная модель в линейке, с помощью которой можнопаять продукцию в азоте, формир-газеи парах муравьиной кислоты. Для работыс системой необходим вакуумный насос,предлагаемый в качестве опции.- VS160UG (рис. 45, прил. Б). Эта модель такжепозволяет паять продукцию в азоте, формиргазе и парах муравьиной кислоты. Системапоставляется в комплекте с вакуумным насосом. Она установлена на станину, внутрикоторой удобно располагаются все необходимые газовые магистрали, в том числе системаподачи паров муравьиной кислоты (рис. 46 б).- VS320 (рис. 46, прил. В). Старшая модельиз всей линейки оборудования. Система позволяет производить пайку всеми описанными в статье методами: в среде азота, формиргаза, водорода, паров муравьиной кислоты,возможна установка генератора плазмы, что показано на рис. 46.Рис. 44. Внешний вид машины для пайки VS160S.Рис. 45. Система для пайки VS160UG:а) внешний вид; б) емкость с муравьиной кислотой.Рис. 46. Система для пайки VS320:а) внешний вид; б) генератор плазмыПайку в среде водорода можнопроводить при содержании газа до 100%. Дляудаления газа из рабочей камеры над машиной устанавливается дожигатель отработанного газа — для обеспечения безопасности.3.4.3Вакуумноекорпусирование на уровне пластиныДля работы многих микроэлектромеханических систем (МЭМС),микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС) и ряда других устройств - требуется вакуум. Герметизация с помощью дискретныхкорпусов – довольно дорогостоящее и сложное решение, поэтомуперспективным представляется применение корпусированияна уровне пластины. В данной статье рассматриваются возможныеметоды реализации этой технологии. Основной акцент сделанна решении проблемы сохранения требуемого уровня вакуумав течение длительного времени, что достигается благодаряоптимальному выбору материалов и внедрению в герметичныйобъем геттеров. Анализируются также основные технологическиеаспекты применения геттеров, их свойства и характеристики.