ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.05.2019
Просмотров: 584
Скачиваний: 1
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
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
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).
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).
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).