Заводян Лабораторный практикум

.

Однако,как отмечалось для соединений,полученных с помощью контактолов,следуетзаписать

поскольку контактоловобычнопревышает металлов. Такимобразом,сопротивление ,вомногомопределяемоезначениями

сопротивлений и ,зависитоттехнологииформированияконтактов,

обеспечивающеймеханическую,химическую(флюсы)илитепловую(плавление) очистки поверхностей контактирования,а также от свойств присадочного материала.

Послесборкинавесныхкомпонентовнапечатнойплатевнутрисхемные соединения выполняют в соответствии со сборочным чертежом с использованием методов микроконтактирования.Наибольшее практическое применениепримикроконтактированиивпроизводствеэлектронныхустройств нашлиимпульснаяпайкаитермокомпрессионнаясварка,атакжеихкомбинация.

Пайка-этопроцесссоединенияматериаловвтвердомсостояниипутем введенияприпоявкапиллярныйзазормеждунимипритемпературенижеточек плавлениясоединяемыхматериалов.

Паяное соединение образуется в результате физико-химического взаимодействияззонеконтактамеждуприпоемисоединяемымиматериалами. Это взаимодействие проявляется в протекании ряда процессов при пайке (существенновлияющихнакачествопаяныхсоединений),такихкак:оплавление припоя,смачиваниеприпоемконтактируемыхповерхностей,растеканиеприпояв зонепайки,взаиморастворениематериаловнаграницахжидкойитвердойфаз, гетеродиффузияикристаллизация.Завершающейстадиейпайкипоокончаний нагревавовсехслучаяхявляетсякристаллизацияжидкойфазы,находящейся между соединяемыми пайкой поверхностями твердых тел,что и дает неразъемноеприкомнатнойтемпературесоединение.

Взависимостиотрежимовпайкименяетсясоставиструктураспаев, посколькуприпайкепроисходитвзаимноерастворениеидиффузияприпояи соединяемыхматериалов на границеразделатвердой и жидкой фаз.При кратковременномнагревеможнополучить бездиффузионныйспайисоединяемыематериалыбудутиметьсостав,близкий кисходному.Однакопрочностьпаяногосоединениявэтом случаезаметно снижается.

Прочность паяного соединения определяется химической природой соединяемых материалов,степенью их чистоты (отсутствие окисных и адсорбционныхпленок),атакжеправильностьвыборатехнологическихсреди режимовпайки.Сцеплениеповерхностисоединяемыхматериаловсприпоем обеспечивается в бездиффузионном спае только за счет образования межатомныхсвязей.

Изменениепрочностиспаяможнооценитьпоформуле

,

где -числоконтактирующихсприпоематомов,наповерхностиосновного материала;N-числоатомов,вступившихвхимическую связьсприпоем;- частота собственных колебаний атомов; -время,в течение которого

прореагируетNатомов;E-энергияактивацииобразованияхимическихсвязей;k, Т-постояннаяБольцманаиабсолютнаятемпературасоответственно.

На практике в производстве электронных устройств режимы пайки выбирают оптимальными - совмещающими требования прочности спая,

61

минимизациирастворенияисходныхматериаловвприпое,атакжеминимизации разогреваокружающихэлементов.Этодостигаетсяприменением импульсной пайки.Инструментомприимпульснойпайкеможетслужитьтермокарандаш с вольфрамовымV-образнымэлектродом(либосдвоеннымэлектродом)(рис.6),а такжесболеесложнойформойэлектродов,применяемыхвполуавтоматических установках импульсной пайки, обеспечивающих невысокий уровень автоматизации данного процесса, даже если в них используют многоэлектродные инструменты для групповой пайки (последовательногрупповая автоматизация).В условияхсерийного и массового производств обычноприменяютоборудование,позволяющееосуществитьодновременную(не простопараллельноилисинхронно-групповую,аполностью синхронную или симультанную)пайкувсехнеобходимых,соединенийнаплатебезпаяльного инструментасущественно ограничивающего повышениеплотности монтажа. Вместо паяльного инструмента используют специальное оборудование (например,модульпайкиволнойприпоялибопайкиоплавлениемдозированного припояприИК-нагреве),обеспечивающеесимультаннуюпайку.

Припой,предназначенный длявыполненияэлектрическихсоединений, должен обладать хорошей электропроводностью, низкой температурой плавления, малым температурным интервалом кристаллизации, высокой антикоррозионнойстойкостью,достаточноймеханическойпрочностью,хорошей смачиваемостьюсоединяемыхповерхностейихорошейрастекаемостьюпоним. Коэффициенты линейного термического расширенияприпояи соединяемых материаловдолжны бытьмаксимальноблизкимивоизбежаниеобразования остаточныхнапряженийитрещинвпаяныхсоединениях.

ВнаибольшейстепениэтимтребованиямотвечаетприпойПОС-61.Этот припой весьма пластичен,имеетнизкую температуруплавления и малый интервалкристаллизации(2-3°С),таккакпосвоемусоставуонсоответствует эвтектическомусплавуолово-свинец.ВведениевсоставприпояПОС-61сурьмы повышаетпределползучестиприпоя,снижаетсклонностьегокстарению и предотвращаетвприпоеаллотропическиепревращенияолова.Висмутикадмий

62

понижаюттемпературуплавленияприпояиспособствуютполучению более твердыхикоррозионно-стойкихприпоев.

В табл.Iприведены составы мягких припоев (т.е.с температурой плавленияменее450 )и температуры паяльныхванн,применяемыхв производствеэлектронныхустройств.

Паяльныеванны применяютсянастадииподготовкипечатнойплаты к монтажу,длянанесенияприпоянаконтактныеплощадкигрупповымметодом.

Обычнопайкаосуществляетсясиспользованиемфлюсов.Флюсдолжен обеспечивать удаление окисной пленки и загрязнений с поверхности контактирующих металлов и припоя,их защиту от окисления при пайке, уменьшение поверхностного натяжения припоя при его оплавлении, способствовать лучшему затеканию расплавленного припоя в отверстия печатной платы,атакжедолжен хорошосмачиватьповерхностьосновных материалов.Температураплавленияфлюсадолжнабытьнижетемпературы началаплавленияприпоя.Продукты флюсованиянедолжны способствовать активномуразвитиюкоррозиипаяныхсоединений.Флюс,оставшийся.вместах пайки,недолженвызыватькоррозиюиизменятьэлектрическоесопротивление изоляцийплат.Втожевремяфлюсдолженбытьдостаточноактивным для сокращения времени пайки.Однако усиление активности флюса ухудшает антикоррозионныесвойствасоединений.

Таблица1 Сведенияоприпоях,наиболеечастоприменяемыхвпроизводствеэлектронных

устройств

63

*Данныйприпойдляприменениявваннахсволнообразователяминепригоден из-забыстройпотерижидкотекучестиисмачиванияспосбности.

Флюсование включает смачивание основного металла и припоя флюсом, удалениесихповерхностейокисныхпленок,вытеснениефлюсарасплавленным припоемиззазора(междуними)изащитуместаконтактированияприпайкеот окисления образовавшимся шлаком.После смачивания основного металла флюсомиудаленияокиснойпленкисповерхностиметаллаобразуетсяактивная межфазнаяграницатвердыйметалл-жидкийфлюс,котораязатемзамещается расплавленным припоем вусловиях,практическиисключающихвозможность взаимодействияместапайкисатмосферойвоздуха(припайке).Такимобразом, механизм флюсованиясвязанспротеканием целогорядафизико-химических процессов,основные из которых:смачивание,химическое взаимодействие междуактивнымикомпонентамифлюсаиокиснойпленкой,диспергирование окиснойпленкиврезультатеадсорбционногохарактерапониженияеепрочности подвлиянием расплавафлюса,растворениеокиснойпленкинамежфазной границетвердыйметалл-расплавфлюсаидр.Примонтажеэлектронных устройствнапечатныхплатахчащевсегоприменяютсяфлюсынаканифольной основе как наименее химически агрессивные,например,не содержащий активаторканифольныйфлюстипаФКСп(канифольсосновая10-80%,спирт этиловый40-90%)стемпературныминтерваломактивности150-300°С,атакже активированныефлюсы типаФКТ(канифольсосновая20-50%, тетрабромид дипен-тена0,05-0,1%,спиртэтиловый-остальное) сфлюсущейактивностьюв диапазонетемператур180-300°С.Вданнойлабораторнойработефлюсследует применять при облуживании контактных площадок. Контактирование импульснойпайкойможетосуществлятьсябезпримененияфлюса.

Перспективнымвтехнологиипайкиявляетсяприменениеинфракрасного нагрева.Этотбезинструментныйметоднагреваобеспечиваетбыструюиточную синхронно-групповую исимультанную пайку.Врядеслучаевприменяюттакже ультразвук для увеличения эффективности паяльников и паяльных ванн. Колебания ультразвуковой частоты,воздействуя нарасплавленный припой, способствуютразрушению окисловилииныхзагрязненийиудалению ихс соединяемыхдеталей.Сприменениемультразвукаотпадаетнеобходимостьво флюсах.

При контактировании сваркой наибольшее распространение получил метод термокомпрессии, сущность которого состоит в получении соединения материалов за счет пластической деформации их путем одновременного действия нагрева и давления,причем нагрев не доводит соединяемые материалыдорасплавления,алишьувеличиваетихпластичность.

Основныепроцессы,происходящиеприформировании(безоплавления) сварногосоединениятермокомпрессией,следующие:образованиефизического контакта междуприсоединяемыми материалами,активизация поверхностей контактируемыхматериаловвместеконтакта,пластическоедеформирование материалов в зоне контакта с разрывом связей частиц сопрягаемых поверхностей, гетеродиффузия, коллективизация валентных электронов контактирующихчастицсобразованиемпрочныхметаллическихсвязей.

Внастоящеевремяиспользуютсяразличныевидытермокомпрессионной сварки.&яяполученияэлектрическихсоединенийпримонтажеэлектронных устройствприменяютвосновномразновидноститермокомпрессииснагревом зоны сваркирабочим инструментом,причем вимпульсном режиме,Б этом случае разделяютсваркукосвенным нагревом.и сваркунепосредственным нагревомсвариваемогосоединениявимпульсномрежиме.Сваркакосвенным

64

нагревомможетбытьвыполненатермокарандашомилинасварочнойустановке ссоответствующейформойэлектрода(разрезнаяигла,V-образныйэлектрод, капилляр)(рис.7).Вовсехслучаяхэлектродразогреваетсявмоментсварки.

Принепосредственномнагреверазогреваетсянеэлектрод,аместосварки засчетпрохождениятокамеждудвумяполуэлектроцамиинструмента.Этотвид сваркиназываютсваркойсдвоеннымэлектродом,сваркойсмикрозазоромили сваркойрасщепленнымэлектродом. Сущность физико-химических процессов,происходящих при сварке этими двумя способами,тождественна.Однако при сварке

сдвоенным электродом можно уменьшить длительность нагрева сварного соединенияиувеличитьегопрочность.

Длямикроконтактированияматериалов,склонныхкобразованиюокисных пленок.(Alи др.),успешно применяется термокомпрессионная сварка в сочетаниисультразвуком (иногдаееназываютультразвуковойсваркой).При наличииультразвукаэнергиявибрацииотультразвуковогопреобразователя создаетвсварочноминструменте

сложные напряжения растяжения,сжатия и среза. Когда возникающие напряженияначинаютпревышатьпределупругостисоединяемыхматериалов, происходитпластическаядеформациявзонеихсоприкосновения.Врезультате пластическойдеформацииидиспергирующегодействияультразвукапроисходит удалениесповерхностейконтактирувдихматериаловадсорбированныхвеществ (очистка),атакжеразрушениеповерхностныхокислов.Приэтом впроцессе сварки увеличивается площадь непосредственного контакта соединяемых материалов, что позволяет проводить микросварку при более низких температурах, чем в отсутствие ультразвука, без снижения качества микроконтактировакия.

Существенным недостатком способов микроконтактирования сваркой, требующихсварочногоинструмента,являетсянизкийуровеньих-автоматизации (последовательноемикроконтактировавие).Вотдельныхслучаяхмонетбыть

65

реализована последовательно-групповая сварка, т.е. средний уровень автоматизации,ноэтотребуетдорогойоснастки(например,многоэлектродного цанговогоприспособления)длякаждойразновидностиконструкциинавесного компонента.

Применение лазерной либо электроннолучевой сварки для микроконтактированиятакженепозволяетповыситьееуровеньавтоматизации вышесреднего,посколькувозможностимноголучевыхсистемограниченыион.4 непригодныдляреализациисимультанногопроцессасварки.

В последнее время появляются сведения об освоении для высокоавтоматизированногомикроконтактированияспособасваркивзрывом(с предварительным нанесением в зону контактирования специального взрывчатоговещества,например,припомощитрафаретнойпечати).Однако данномуспособуприсущи существенные недостатки (например,необходим точнаядозировкавзрывчатоговещества,особаяосторожностьвобращениис ним,специальныетребованиякматериалам,оборудованиюит.д.),чтотребует дополнительныхисследований.

Оценкакачествамикроконтактирования

Дляоценкикачествамикроконтактированияиспользуютнеразрушащиеи разрушащие контактное соединен методы контроля. В соответствии с отраслевым стандартом дляизделийэлектроннойтехники (ОСТ 11.094.024) разработано13классовметодовнеразрушаемогоконтролякачестваразличных соединений.Классыметодовразличаютсявзависимостиотфизическихявлений, положенныхвихоснову:акустический,капиллярный,магнитный,оптический, радиационный, тепловой, лазерный голографический, течеисканием, электрический, электромагнитный, растровой электронной микроскопии, электрофизический.Впроизводствесовременныхэлектронныхустройствдля оценкикачествапаяныхсоединений

.безихразрушенияперспективныследующиеметоды: -электрофизические(поизмерениюстепенинелинейностивольтамперных

характеристикишумовыхпараметровсоединений); -тепловые(повеличинеИК-излучениясповерхностисоединения); -лазерныеголографические(повеличинедеформациисоединения);

-рентгеновские (относятся к радиационным методам,основаны на изучениикартины,возникающейвследствиеразличногоослабленияизлучения припрохождениичерезпаяноесоединение);

-оптические (по изучению светового сечения,световых профилей образцовидр.).

Разрушающиеметоды оценкикачествапаяныхсоединенийприменяют реже,используяприэтомобразец-свидетель(спутник),сопровождающийпартию изделий на всех производственных сборочно-монтажных операциях. В отдельныхслучаяхиспользуютдляразрушающегоконтролятехнологические контактные площадки на плате. Критерием оценки качества микроконтактирования выбирают обычно усилие отрыва контактируемого материала(либокомпонента)отместаегосоединениянаконтактнойплощадке платы.

66

В настоящей работе оценку качества микроконтактирования следует проводитьсприменением:

-неразрушающегоконтроляпутемосмотрапаяныхсоединенийспомощью оптического микроскопа для проверки правильности сборки и монтажа,и выявлениядефектовсборкиимонтажа(отслоенийпаяногосоединенияили материалаплощадки,натеканийприпоянапроводникиилизакраяконтактной площадки,прожогов,деформацийпроводниковинструментом,паекв"натяг", загрязнений,остатковроводников,обрывовпроводников,капельприпояна платах,натеканийклеянаконтактныеплощадки,неравномернойдозировки припояидр.);

-разрушающегоконтроляпутемотрывапроводникаотместа микроконтактирования на контрольной (тестовой)контактной площадке с измерениемусилияотрываинаблюдениемхарактераразрушения.

Качествопаяногоилисварногосоединенияпримикроконтактировании считаетсяудовлетворительным,еслиразрушениепроисходитпопроволоке,а усилиеотрыванепревышаеткритическое(критическоеусилиеотрывадля меднойпроволокидиаметром50мкмсоставляет20г,адлязолотойпроволоки диаметром30,40и50мкм-соответственно6,9и15г).

Домашнеезадание

1.Ознакомление с операциями сборки и монтажа функционального устройствасогласноописанию.

2.2. Составить таблицу по форме табл.2, заполнив в ней графу “Наименованиеоперации”,используяописание.

3.Подготовитьответынаконтрольныевопросы.

Лабораторноезадание

1.Ознакомлениесоборудованием,приборами,используемымивработе,и правиламитехникибезопасностиприработесними(описанияоборудованияи приборов,атакжеинструкцию потехникебезопасностиследуетполучитьу лаборантапоместувыполненияработы).

2.Произвести сборку функционального узла согласно методических указаниям.

3.Подобратьоптимальныйрежиммикроконтактированиясприменением разрушающегоинеразрушающегоконтролякачествапаяногосоединенияв соответствиисметодическимиуказаниямиикритериямиоценки,указаннымив описанию Выполнить монтаж функционального узла в соответствии с методическимиуказаниями.

4.Провести визуальный контролькачестваи правильности сборки и монтажасогласнометодическимуказаниям.

5.Составитьотчет,учитываятребованиякнему.

67

Форматабл.2

Результатывыполненияработы

Оборудование,приспособления,инструментыиматериалы

Для выполнения лабораторной работы необходимы следующее оборудованиеиприборы:установкаимпульснойпайкии(или)микро-сварка, термошкаф "Электродело,микроскоп (например,типаМБС-9),электрическая плитка.

Вработеиспользуютсяследующиеприспособленияиинструменты:тигель дляобслуживания,ножницы,пинцетбольшейдлялужения,пинцетглазной,игла длянанесенияклея,кисточкабеличья№ 3,технологическаятара,палочка стеклянная,резак(илискальпельглазное).

Материалыикомплектующиеизделия:припойПОС-61,флюсФКСп,клейЩ -9,спирт этиловый,батист,бязь,печатная плата (Iшт.),тонкопленочкая микросхеманаситалловойподложке(2шт.),транзистор ЭКТ331Е(2шт.),диод ЩТ304А(2шт.),диодВД904В (2шт.),проволокамедная(50мкм)обслуженная, напальчники.

Порядоквыполненияработы

Сборку и монтаж функционального узла необходимо осуществить в следующейпоследовательности.

1.Получитьулаборантанеобходимыематериалы,комплектующиеизделия иинструменты,атакже'описанияоборудования,приспособлений,инструкциюпо техникебезопасности.

2.Изучитьэлектрическуюсхемуфункциональногоузла(рис.8),сборочный чертеж (рис.9,10),правилаработысоборудованиемиприспособлениями,

3.Произвести нанесение флюса,а затем облуживание контактных площадокнапечатной платеи тигледля лужения.Режим облуживания:; температураТ=220-240°С,времяt=1-2с.

Примечания.Контактныеплощадки,еслитолькоонивыполненыизделия(с

68

адгезионным подслоем)на ситалловой подложке,следуетоблуживать при температуреприпоявтигленеболее220°С.

Время лужения не.должно превышать 2 с,иначе можетпроизойти растворениеметаллизациивприпое.

Допускаетсяпроизводитьтолькоодноповторноеоблуживание.

69

4.Произвестиотмывкуоблуженныхобразцов.Дляэтоговстаканналить ацетон(50мл)ипоместитьвнегооблуженниеплатыВремяотмывки5мин.

Примечание.Дляускоренияпроцессаотмывкиможнопротиратьтампоном поверхность печатной платы.Слить отработанный ацетон из стакана в специальную емкость для слива и налить новую порцию ацетона для окончательнойпромывки.Времяобработки2минДалееизвлечьплаты из ацетонаиперенестинафильтровальнойбумагенарабочееместодлясборки.

5.Произвести визуальный контроль облуживания под микроскопом, например ЕМС-9,при увеличении не менее чем в два раза,при этом нежелательны:

-наличиекапельприпоянадиэлектрике; -отсутствиеприпоянаконтактныхплощадкахмикросхемы; -неравномернаядозировкаприпоянаконтактныхплощадках. 6.Произвестиприклейкутонкопленочныхмикросхем кпечатнойплате.

Длятогосначаласориентироватьпечатнуюплатусогласносборочномучертежу (ключом вверх).Затем нанеститонкийслойклеяВК-9наобратную сторону тонкопленочноймикросхемы спомощью стекляннойпалочки,наложитьэту микросхемуналицевую сторонупечатной платы в соответствии со сборочным чертежом и слегка

прижатьпалочкой.Аналогичноприклеитьвторуюмикросхему. Примечание.Этуоперациюпроизводитьвперчаткахилинапальчникахво

избежаниевнесенияжировыхзагрязненийнаплату.

7.Произвести приклейку,полупроводниковых кристаллов (диодов и

70