ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.05.2019

Просмотров: 584

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

Тема. Физико-технологические основы электрических 

соединений 

Качественные характеристики соединений определяются многими факторами, но во всех 

случаях должны быть обеспечены: 

 

Высокая надёжность и долговечность соединения. 

 

Минимальное  омическое  сопротивление  в  зоне  контакта  и  его  стабильность  при 

различных климатических воздействиях. 

 

Максимально достижимая механическая прочность. 

 

Минимальное значение основных параметров процесса контактирования (температуры, 

давления, длительности выдержки и т.д.). 

 

Возможность соединения разнообразных сочетаний материалов и типоразмеров. 

 

Стойкость к термоциклированию. 

 

В  зоне  контакта  не  должно  образовываться  материалов  вызывающих  деградацию 

соединения. 

 

Качество соединения должно контролироваться простыми и надёжными средствами. 

 

Экономическая  эффективность и производительность процесса. 

Основные методы выполнения электрических соединений обеспечиваются на основе:  

 

пайки,  

 

сварки,  

 

соединения, основанные на пластической деформации контактируемых деталей,  

 

соединения токопроводящими клеями. 

 
Пайка  – это процесс соединения металлов в твёрдом состоянии путём введения в зазор 

расплавленного  припоя,  взаимодействующего  с  основным  металлом  и  образующего  жидкую 
металлическую  прослойку,  кристаллизация  которой  приводит  к  образованию  паяного  шва. 
Паяные  соединения  очень  широко  применяют  при  монтаже  электронной  аппаратуры  из-за 
низкого  и  стабильного  электрического  сопротивления,  универсальности,  простоты 
автоматизации, контроля и ремонта. Однако методу пайки присущи и существенные недостатки: 
высокая стоимость используемых цветных металлов и флюсов, длительное воздействие высоких 
температур, коррозионная активность остатков флюсов, выделение вредных веществ. 

Сварка – это процесс получения неразъёмного соединения материалов под действием 

активирующей  энергии  теплового  поля,  деформации,  ультразвуковых  колебаний  или  их 
сочетаний. По сравнению с пайкой она характеризуется следующими преимуществами: более 
высокой  механической  прочностью  получаемых  соединений,  отсутствием  присадочного 
материала,  незначительной  дозированной  тепловой  нагрузкой,  возможностью  уменьшения 
расстояния между контактами. К недостаткам метода следует отнести: критичность при выборе 
сочетаний  материалов,  увеличение  переходного  сопротивления  из-за  образования 
интерметаллидов, невозможность группового контактирования соединений, сложность ремонта. 

Соединения,  основанные  на пластической  деформации  контактируемых  деталей

проводов  или  выводов,  выполняются  в  холодном  состоянии.  Под  действием    значительных 
механических  усилий,  приложенным  к  этим  элементам,  происходит  разрушение  оксидных 
плёнок и образование надёжного вакуум-плотного соединения. Оно характеризуется  высокой 
механической прочностью, низкой стоимостью, легко поддаётся механизации, не создаёт помех 
в цепях низкого напряжения. 

Соединение  токопроводящими  клеями  и  пастами  в  отличие  от  пайки  и  сварки  не 

вызывает  изменения  структуры  соединяемых  материалов,  так  как  проводится  при  низких 
температурах, упрощает конструкцию соединений и применяется в тех случаях, когда другие 
способы  невозможны:  в  труднодоступных  местах,  при  ремонтных  работах  и  т.д.  Однако 


background image

широкого  распространения  в  серийном  производстве  метод  не  получил  из-за  невысокой 
проводимости, низкой термостойкости и надёжности соединений.  

 

1Сварка 

Процесс образования сварного соединения можно условно разделить на четыре стадии:  

 

образование физического контакта между поверхностями материалов; 

 

активизация контактных поверхностей; 

 

объёмное развитие взаимодействия; 

 

кристаллизация. 

На  первой  стадии  сближаются  материалы  на  расстояние  порядка  10…100  нм,  при 

котором  между  частицами  начинает  проявляться  физическое  взаимодействие,  обусловленное 
силами Ван-дер-Ваальса. 

На  второй  стадии  происходит  образование  на  поверхности  более  твёрдого  из 

соединяемых  материалов  центров,  активных  в  химическом  отношении.  Активный  центр 
упрощённо  –  это  частицы  со  свободными    валентностями,  которые  могут  возникнуть  при 
разрыве  связей  в  кристалле,  в  местах  образования  дефектов.  Для  активизации  поверхностей 
вводится  дополнительная  энергия:  тепловая,  деформации,  ультразвуковая.  При  сварке 
плавлением  цепная  реакция  растекания  с  выделением  энергии  поверхностного  натяжения 
увеличивает площадь контакта вокруг каждой точки взаимодействия.  

С момента образования на контактных поверхностях активных центров наступает третья 

стадия, при которой развивается взаимодействие соединяемых металлов как в плоскости так и в 
объёме  зоны  контакта.  В  плоскости  контакта  оно  заканчивается  слиянием  очагов 
взаимодействия,  что  является  необходимым  условием  возникновения  прочных  химических 
связей между материалами 
Процесс образования сварного соединения можно условно разделить на четыре стадии:  

1. Образование физического контакта между поверхностями материалов.  
2. Активизация контактных поверхностей. На этой стадии происходит образование на 

поверхности  более  твёрдого  из  соединяемых  материалов  центров,  активных  в  химическом 
отношении.  Для  активизации  поверхностей  вводится  дополнительная  энергия:  тепловая, 
деформации, ультразвуковая. При сварке плавлением цепная реакция растекания с выделением 
энергии  поверхностного  натяжения  увеличивает  площадь  контакта  вокруг  каждой  точки 
взаимодействия. 

3. Объёмное развитие взаимодействия. С момента образования на контактных 

поверхностях активных центров наступает третья стадия, при которой развивается 
взаимодействие соединяемых металлов как в плоскости так и в объёме зоны контакта.  

4.  Кристаллизация.  Характерной  особенностью  кристаллизации  сварного  соединения 

является  образование  зональной  структуры,  состоящей  из  ядра,  переходной  зоны  и 
неизменяемой зоны основы.  

Выделяют следующие виды сварки: термический, термомеханический, механический 

виды. 
 

1. Термическая сварка. К ней относятся виды сварки, осуществляемые плавлением под 

действием различных видов энергии: 
 

–  Электроннолучевая  сварка  основана  на  использовании  теплоты,  выделяемой  при 

соударении электронов и атомов свариваемого металла, диаметр пятна нагрева 1мкм. Для охвата 
больших  поверхностей  используется  сканирование  лучом  либо  позиционирование  деталей. 
Применяется  для  герметизации  радиоэлектронных  устройств  в  металлостеклянных  корпусах. 
Преимущества:  высокая производительность и время сварки 5мс, место сварки не нагревается. 
Недостатки – высокая стоимость оборудования 
 

–  Лазерная  основана  на  использовании  монохромного  когерентного  светового  луча  с 

высокой  плотностью  энергии,  превращение  которой  в  теплоту  вызывает  оплавление 


background image

свариваемых  материалов.  Диаметр  пятна  0,01мм.  Применяется  при  монтаже  различных 
элементов  радиоэлектронной  техники  и  при  герметизации  корпусов.  Недостаток:  сложность 
юстировки оптической системы. 

– Микроплазменная сварка является разновидностью сварки плавлением. Отличительная 

особенность процесса – создание ионизированного потока инертного газа (смесь аргона с гелием 
(до  70%),  с  водородом  (до  10—15%)  или  азотом).  Расплавление  металла  происходит  сжатой 
дугой  прямого  действия  и  потоком  плотной  ионизированной  плазмы.  Этот  способ  сварки 
применяется для герметизации корпусов приборов из ковара или никеля толщиной 0,1–0,3 мм 
 

2. Термомеханическая сварка использует тепловую энергию и давление:  

 

–    Термокомпрессионная  сварка  –  это  сварка,  которая  проводится  при  невысоких 

давлениях  с  подогревом  соединяемых  деталей  (рис.2).  Один  из  соединяемых  материалов 
(обычно вывод) при должен обладать достаточно высокой пластичностью. Является наиболее 
распространенным  способом  монтажа  полупроводниковых  микроприборов  и  интегральных 
микросхем в разнообразных корпусах гибкими проволочными проводниками. 

При  приложении  температуры  и  давления  в  момент  осадки  в  результате  течения 

пластичного металла вдоль поверхности другого металла происходит очистка места соединения 
от оксидных плёнок, сближение поверхностей и образование между ними плотного контакта. 
После  сварки  за  счёт  развития  процесса  диффузии  между  свариваемыми  материалами 
полученное соединение упрочняется. 

Основными  параметрами  режима  термокомпрессии  являются:  усилие  сжатия  Р, 

температура нагрева инструмента или соединения Т, длительность выдержки под давлением t. 
Температура нагрева не должна превышать температуру образования эвтектики соединяемых 
материалов и колеблется для различных материалов от 250 до 450

о

С. Длительность выдержки 

устанавливается  в  зависимости  от  сочетания  свариваемых  материалов  и  определяется 
экспериментально путём оценки прочности соединения. 

 

Рисунок 2 – Схема термокомпрессионной сварки 

 

Достоинства:  стабильность  сварочного  инструмента  и  его  высокая  стойкость,  малая 

чувствительность к изменению режима, простота контроля основных параметров процесса.  

Недостатки:  ограниченное  число  сочетаний  свариваемых  материалов  (только 

пластичные), необходимость весьма тщательной подготовки соединяемых деталей. 
 

– Диффузионная сварка применяется для сварки разнородных материалов, основана на 

диффузии  материалов  под  действием  давления  и  температуры.  Производится  в  вакууме  или 
водороде. Применяться в производстве микросхем для сварки термокомпенсаторов кристаллов 
и на других операциях 

–  Сварка  давлением  с  косвенным  нагревом  (СКИН)  в  отличие  от  термокомпрессии 

проводится инструментом, который импульсно нагревается проходящим по нему током (рис. 3).  


background image

В следствии кратковременности процесса нагрева металлический проводник в месте контакта 
нагревается до более высоких температур, чем при термокомпрессии.  

Применяется  в  интегральных  микросхемах,  которые  не  допускают  общего  разогрева, 

можно  сваривать  золотые,  алюминиевые  и  медные  проводники  диаметром  20–100  мкм  с 
разнообразными  пленками,  напыленными  на  диэлектрические  или  полупроводниковые 
подложки,  этот  метод  позволяет  приваривать  проводники  из  относительно  малопластичных 
металлов к тонким плёнкам на керамических подложках.  

 

 

Рисунок 3 – Схема сварки давлением с косвенным нагревом, где 1 – рабочий столик; 2 – 

подложка или полупроводниковый кристалл; 3 – проводник; 4 – V-образный инструмент 
(пуансон); 5 — сварочная головка для создания давления; 6 – источник питания; 7 – реле 

времени 

 

3. Механическая сварка использует механическую энергию и давление: 

 

–  Холодная  сварка  осуществляется  за  счет  пластической  деформации  свариваемых 

деталей  под  действием  давления  без  дополнительного  подогрева.  Для  получения 
высококачественного  сварного  соединения  при  холодной  сварке  необходимо  обеспечить 
точную  сборку  и  чистоту  свариваемых  поверхностей  и  необходимую  степень  деформации, 
зависящую  от  соединяемых  металлов.  В  микроэлектронике  этот  способ  применяется  для 
герметизации металлостеклянных корпусов приборов. 

–  Ультразвуковая  сварка  выполняется  за  счёт  возбуждения  в  свариваемых  деталях 

упругих колебаний УЗ-частоты при одновременном создании определённого давления. Для УЗ-
микросварки  используют  оборудование  с  частотами  22,  44,  66,  88  кГц.  При  УЗ-сварке 
температура нагрева непосредственно в зоне контакта не превышает 30…50% от температуры 
плавления  соединяемых  материалов,  что  позволяет  использовать  этот  метод  для  соединения 
чувствительных к нагреву материалов. 
 

Свариваемые  материалы  предварительно  сжимаются  с  силой.  В  зону  контакта  с 

помощью волновода вводится ультразвуковые колебания с частотой от 15 до 170 кГц, которые 
разрушают  оксидную  пленку.  Происходит  атомарный  обмен  в  поверхностном  слое  под 
действием колебательного движения. 

Основным  элементом  установок  УЗ-сварки  является  инструмент,  форма  и  размер 

рабочей части которого имеют важное значение для получения качественных соединений. 

– Односторонняя контактная сварка распространенный способ соединения различных 

электронных компонентов (рис.4). 


background image

 

Рисунок 4 – Схемы односторонней контактной сварки: 

a ) односторонняя точечная сварка, где 1 – электрод для сжатия спариваемых деталей и 

подвода тока к проволоке; 2 – электрод для подвода тока к шине печатной платы; 3 – 

контактная площадка или шина печатной платы; 4 – диэлектрическое основание печатной 

платы; 5 – привариваемая проволока или лента; б) и в) односторонняя сварка соответственно 

сдвоенным электродом (с параллельными зазорами) и строенным электродом трех-фазным 
током (1 – электроды; 2 – приеариваемый проводник; 3 – тонкая металлическая пленка; 4 – 

диэлектрическая подложка) 

 

При  односторонней  точечной  контактной  сварке  (рис.  4  а)  один  электрод  прижимает 

проволоку или ленту к контактной площадке, а второй электрод служит для подвода сварочного 
тока к контактной площадке. Этот способ применяют для сварки весьма тонких проводников 
(круглых  и  плоских)  с  относительно  толстым  материалом  и  для  сварки  проводников  с 
электроосажденными пленками толщиной около 20 мкм. 

Для присоединения круглых и плоских выводов навесных элементов к тонким пленкам 

на  хрупких  подложках  и  к  печатному  монтажу  применяют  контактную  сварку  сдвоенным 
электродом (рис. 4, б) и сварку строенным электродом трехфазным током (рис. 4, в) применяется 
в  технологии  электрического  монтажа.  Сварку  осуществляют  инструментом-электродом, 
изготовленным из вольфрама или молибдена в виде двух токопроводящих частей, разделённых 
зазором 0,02…0,25 мм в зависимости от толщины или диаметра привариваемых выводов. Зазор 
между  электродами  оказывает  значительное  влияние  на  глубину  проникновения  тока  и  на 
термическую нагрузку печатного проводника в месте соединения с диэлектриком. 

 
 

2 Электрическое соединение методом накрутки 

Накрутка – это процесс создания электрического соединения путём навивки под натягом 

определённого числа витков одножильного провода на штыревой вывод с острыми кромками. 
Под действием приложенного усилия происходит разрушение оксидных плёнок на соединяемых 
поверхностях и врезание острых граней вывода в провод. Образовавшееся газонепроницаемое 
соединение  удерживается  благодаря  упругим  напряжениям,  возникшим  в  этих  элементах. 
Концентрация  напряжений  в  зоне  контакта  и  среднее  давление  порядка  15…20  Мпа 
обуславливают  взаимную  диффузию  металлов,  что  способствует  повышению  надёжности 
соединения.  

При монтаже накруткой применяют три вида соединений (рис.5):  

 

немодифицированное (накрутка неизолированным проводом); 

 

модифицированное (кроме витков оголённого провода на выводе имеется 1…2 витка 

провода в изоляции, которая демпфирует воздействие знакопеременных нагрузок на элементы 
контакта и уменьшает усталостные напряжения); 

 

бандажное. В бандажном соединении соединяемый элемент (провод, вывод, шина и 

пр.)  располагается  вдоль  широкой  поверхности  гранёного  вывода  и  на  них  накручивается 
несколько витков бандажной проволоки (не менее восьми).