При сварке однородных металлов удельное давление можно определить (приближенно) по формуле при условии, что ширина рабочей части пуансонов вдвое превышает необходимую толщи­ну свариваемого металла:

Значения относительной деформации при холодной сварке различных металлов толщиной до 1 мм и удельные давления для холодной сварки по замкнутому контуру некоторых метал­лов приведены в табл. 13.1.

Таблица 13.1

Относительная деформация и удельное давление для холодной сварки некоторых металлов

Свариваемые материалы	Относительная деформация, %	Удельное давление, х109 Па
Алюминий + алюминий Медь + медь Алюминий + медь Медь + низкоуглеродистая сталь Медь + ковар	60 80 62 80 80	0,17 - 0,5 1,5- 1,8 0,5 - 1,0 2,0 - 2,5 2,0 - 2,5

Для материалов, соединяемых холодной сваркой по замк­нутому контуру, требуется, чтобы величина относительной де­формации находилась в интервале 75-86 %. Давление обычно в 5-8 раз превышает предел прочности свариваемых металлов при растяжении. При одно- и двухсторонней сварках целесообразно толщину S буртиков выбирать одинаковой. Разная толщина буртиков допускается при отношении их толщин до 1,4.

Деформация свариваемых деталей при холодной сварке вы­зывает увеличение наружного диаметра прибора, уменьшение диаметра верхней детали баллона в околошовной зоне, увели­чение высоты баллона.

Чтобы избежать деформации корпуса, применяют конструк­ции фланцев, держателей и баллонов с разгрузочными (компен­сационными) элементами, способными в результате деформации снизить остаточные напряжения до безопасных значений.

Контактная (электроконтактная) сварка наиболее ши­роко применяется для герметизации полупроводниковых прибо­ров и микросхем в металлостеклянных корпусах круглой и пря­моугольной формы со штырьковыми выводами, а также СВЧ-приборов в керамических корпусах. Основными ее видами явля­ются контактная сварка по контуру и шовная (роликовая).

Контактная сварка представляет собой процесс получения неразъемного соединения материалов нагревом свариваемых кромок до пластического или расплавленного состояния с пос­ледующим их сжатием (давлением). Нагрев свариваемых дета­лей производится в результате выделяемой теплоты при про­хождении через них электрического тока.

Электрическая энергия накапливается при заряде конденса­торов от источника постоянного напряжения (выпрямителя), а затем расходуется при их разряде, превращаясь в процессе свар­ки в тепловую энергию. Нагрев металла происходит при замы­кании сварочной цепи. Количество выделяемой теплоты опре­деляют по закону Джоуля-Ленца:

Из формулы видно, что количество теплоты в значительной степени зависит от силы тока в сварочной цепи. Поэтому для быстрого нагрева свариваемых кромок применяют большие токи, достигающие нескольких десятков тысяч ампер. Полное сопро­тивление R состоит из сопротивления деталей, сопротивления

между» электродом и деталями и сопротивления сварочного кон- такта: ,

Электрическое сопротивление прохождению тока в месте кон­такта свариваемых деталей особенно велико, поэтому на этом очень малом участке выделяется большое количество теплоты.

С повышением температуры металла в зоне контакта его сопротивление возрастает, следовательно, еще более увеличива­ется количество выделяющейся теплоты и ускоряется процесс нагрева металла. Участки контакта вначале нагреваются током неравномерно, а затем ток и температура перераспределяется между горячим и холодным металлом и нагрев выравнивается. Преимущественное тепловыделение в зоне контакта сохраняет­ся, и между деталями корпуса появляется расплавленное ядро, которое растет в объеме, перемещается и выравнивается по со­ставу электромагнитным полем, создаваемым сварочным то­ком. При использовании больших сварочных токов сварку вы­полняют за десятые и даже сотые доли секунды.

Герметизация изделий контактной сваркой — высокопроиз­водительный процесс, легко поддающийся механизации и авто­матизации. Режим контактной сварки характеризуется основ­ными параметрами — током и временем его прохождения, си­лой сжатия и временем ее действия.

Мощность разряда, выделяемая источником питания и обес­печивающая заданную глубину проплавления по контуру, со­ставляет от 50 до 150 кВт. Ее можно выразить через энергию, накапливаемую в конденсаторной батарее, которую регулируют изменением емкости и напряжением зарядки:

Тогда напряжение зарядки конденсаторов равно;

(13.8)

Для определения тепловых и температурных режимов пользу­ются часто понятием плотности тока, проходящего через кон­такт:

(13.9)

где

- площадь контакта свариваемых деталей.

Усилие сжатия свариваемых узлов можно определить по фор

муле

(13.10)

- удельная нагрузка (обычно 10-20 МПа).

где

Учитывая, что плотность сварочного тока должна быть очень большой, площади контакта часто уменьшают, создавая свари­ваемую поверхность определенного вида или придавая отбор-товкой деталям специальную наклонную конфигурацию. Свар­ка осуществляется в месте контакта острой кромки отборто­ванной одной из деталей с плоской поверхностью отбортован­ной другой детали, что значительно повышает качество и ста­бильность контактной сварки.

Контактную сварку по контуру на конденсаторных машинах по тепловому воздействию на корпус можно отнести к разряду низкотемпературных. Длительность сварочного импульса при этой сварке настолько мала (20-80 мс), что выделяемая тепло­та не успевает распространиться в глубь тела корпуса, а преиму­щественно отводится в электроды, которые обычно выполняют из меди или медных сплавов с высокой теплопроводностью.

К достоинствам контактной сварки по контуру относятся: точная дозировка энергии; хорошая воспроизводимость процес­са; слабый общий нагрев свариваемых изделий вследствие крат­ковременности процесса сварки и резко выраженной локализа­ции нагрева свариваемых металлов, что особенно важно при

герметизации корпусов полупроводниковых приборов и микро­схем, для которых общий нагрев корпуса не допускается выше рабочей температуры прибора.

В производстве ИМС и новых типов полупроводниковых при­боров все чаще применяют способы герметизации сваркой плав­лением кромок соединяемых деталей (см. рис. 13.2).

Рис. 13.2. Конструкция сварного соединения при сварке плавлением: 1 - зона сварки; 2, 3 — соединяемые детали

Это объясняется особенностями конструкции ряда широко распространенных корпусов микросхем: боковым расположени­ем выводов и наличием стеклоизолятора или керамического изолятора непосредственно под зоной герметизации или вблизи ее, что делает герметизацию сваркой давлением практически невозможной, а при герметизации пайкой требуется нагрев всей микросхемы. Наиболее распространены следующие способы гер­метизации сваркой плавлением: аргонно-дуговая, микроплаз­менная, электронно-лучевая и лазерная.

Герметизация аргонно-дуговой сваркой является одним из видов элетродуговой сварки, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги. В зону дуги подается защитная струя аргона, которая, обтекая элект­рическую дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха (окисления и азо­тирования).

Герметизация при аргонно-дуговой сварке происходит при расплавлении кромок свариваемых деталей корпуса с образова­нием сварочной ванны и последующей кристаллизации метал-

ла шва. Для герметизации корпусов чаще применяется аргонно-дуговая сварка неплавящимся электродом, который служит толь­ко для возбуждения и поддержания горения дуги (см. рис. 13.3). Её используют для герметизации металлостеклянных корпусов со штырьковыми выводами, периметр сварки которых превыша­ет 50 мм, а суммарная толщина отбортованных кромок состав­ляет 0,2-0,6 мм.

В качестве неплавящегося электрода используют прутки воль­фрама, содержащие 1,5-2 % тория. Диаметр электрода для им­пульсного режима зависит от сварочного тока. Конец электрода должен быть заточен на конус с углом от 15 до 30°. К торцовой поверхности свариваемых кромок электрод следует располагать под углом 70°.

Для предупреждения блуждания сварочной дуги по поверх­ности герметизируемого корпуса используют весьма малые диа­метры электродов и очень короткую (до 0,6—0,7 мм) дугу, при этом для получения стабильной глубины проплавления метал­ла допускаемое отклонение длины дуги не должно превышать 0,1 мм. Основное преимущество аргонно-дуговой сварки - воз­можность применения местного нагрева деталей корпуса, а не­достаток ее - повышенные требования к точности изготовления оснастки и совмещения свариваемых деталей, а также чувстви­тельность к отклонениям рабочих параметров дуги, т.е. неста­бильность ее горения.

Основными параметрами технологического режима аргонно-дуговой сварки являются: сварочный ток, скорость сварки, длина дуги, давление защитного газа в рабочей камере. Сварочный ток и скорость сварки подбирают в зависимости от свариваемых металлов и толщины кромок. Давление защитного газа в сва­рочной камере должно быть 0,2.105 Па. Перекрытие шва про­исходит на длине 10-25 % от его периметра с плавным сниже­нием тока до минимального.

Кроме технологических режимов, важное значение для каче­ства сварочного соединения имеет подбор материалов, из кото­рых изготовляют детали корпусов. Например, если основание из сплава 29НК, крышку следует изготовлять из сплава 29НК или нержавеющей стали 1Х18Н9Т.

Разновидностью аргонно-дуговой сварки является микроплаз­менная сварка, применяемая для герметизации корпусов с ма­лой толщиной. Для сварки этим способом используется сжа­тый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием (см. рис. 13.4). Плазменная сварка не имеет тех недостатков, кото­рые присущи аргонно-дуговой: сравнительно большого актив­ного пятна и нестабильности при малых токах.

Плазменная дуга характеризуется высокими скоростями по­тока плазмы и температурой столба. Для получения дуговой плазменной струи используют специальные плазменные голов­ки, или плазмотроны, в которых имеется неплавящийся вольф­рамовый электрод, изолированный от канала и сопла, при этом анодом обычно служит герметизируемое изделие.

Газовая среда в плазмотроне выполняет следующие функ­ции: защищает от окисления и охлаждает вольфрамовый элек­трод и сопло, обеспечивает получение стабильной плазменной струи с необходимой температурой и скоростью, а также макси­мальную теплопередачу к герметизируемому изделию.

Газы разделяются на плазмообразующие и защитные. В ка­честве плазмообразующего газа при микроплазменной сварке обычно используют смесь Ar-Не или Аr-Н₂, а в качестве защит­ного - аргон.

Электронно-лучевая сварка по сравнению с другими вида­ми имеет выгодные особенности - точное регулирование и уп­равление тепловой энергией, локальный нагрев, высокая чисто­та при сварке благодаря наличию вакуума, которые позволяют успешно применять ее для герметизации микросхем.

Сущность герметизации электронно-лучевой сваркой состо­ит в формировании непрерывного сварного шва по всему конту­ру корпуса за счет перекрывающихся сварных точек, образую­щихся в результате воздействия нагрева до температуры плав­ления сфокусированного электронного луча на отбортовку вра­щающегося корпуса (крышки и основания). Нагрев электрон­ным лучом осуществляется вследствие превращения кинети­ческой энергии ускоренных электронов в тепловую при тормо­жении в свариваемых металлических деталях.

В отличие от обычных широко применяемых источников теп­лоты, производящих нагрев теплопередачи через поверхности металла, высвобождение энергии при электронно-лучевой сварке происходит в самом веществе, причем наиболее интенсивное теп­ловыделение наблюдается на некоторой глубине (порядка 1 мкм), поэтому тепловой источник можно считать поверхностным.

Герметизацию электронно-лучевой сваркой можно выпол­нять в непрерывном и импульсном режимах, но предпочтитель­нее в импульсном, который позволяет осуществить герметиза-цию с малой зоной термического влияния.

Основными параметрами технологического процесса являют­ся: ускоряющее напряжение, диаметр электронного луча, ско­рость сварки, длительность и частота следования импульсов (для импульсного режима).

При герметизации корпусов электронно-лучевой сваркой величина отбортованной кромки под сварку должна быть 0,4-0,8 мм, необходимая глубина проплавления, обеспечивающая герметичность корпуса, 0,5-0,8 мм, а степень перекрытия свар­ных точек - 50-60 % от их диаметра (она определяется их размером и шагом).

Шаг образования сварных точек равен

Сварные швы, полученные данным способом, имеют гладкую или мелкочешуйчатую поверхность по всей длине. Основным дефектом швов могут быть непровары, образующиеся из-за уве­личения зазора между свариваемыми кромками, смещения ли­нии стыка кромок относительно оси луча, несоблюдения техно­логических режимов.

Способ герметизации электронным лучом применяется реже из-за сложности конструкции установок по сравнению с други­ми способами, обеспечивающими качественную герметизацию.

Герметизация лазерной сваркой состоит в совместном оп­лавлении соединяемых материалов под действием интенсивного светового потока с образованием шва (рис. 13.5). Лазерная тех­нология по сравнению с традиционными способами сварки, при­меняемыми для герметизации, обладает рядом преимуществ. Основное достоинство лазерного излучения как источника теп­лоты при сварке — возможность концентрации сравнительно боль­ших энергий на малых поверхностях в короткие промежутки

времени, т.е. высокая локальность процесса нагрева. В резуль­тате этого можно сваривать металл в непосредственной близос­ти от металлостеклянных или металлокерамических спаев, про­водить герметизацию практически без термического влияния на элементы и компоненты микросхем и структуры полупроводни­ковых приборов. Преимущества способа: возможность легкого фокусирования излучения обычными оптическими системами, не требуется создания специальных сред (вакуум, защитная ат­мосфера), лазерное излучение может проникать сквозь оптичес­ки прозрачные вещества (стекло, кварц).

Рис. 13.5. Схема герметизации корпусов лазерной сваркой: 1 - лампа накачки; 2 - активный элемент; 3 - оптическая система; 4 - свариваемые детали

Для герметизации корпусов применяют шовную лазерную сварку, выполняемую как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы лазера, тогда как точечная сварка чаще всего используется при приварке выводов и пайке тонких деталей.

Основными параметрами режима лазерной сварки являются энергия лазерного излучения в импульсе или мощность лазер­ного излучения, длительность лазерного импульса, диаметр луча, частота следования импульсов и скорость сварки, которые обус­ловливают обобщенный энергетический параметр — интенсив­ность излучения в фокальном пятне:

Для каждой пары соединяемых металлов существует пре­дельное значение интенсивности излучения в фокальном пятне, выше которого сварка будет сопровождаться значительным ис­парением металла из зоны нагрева или выплеском части рас­плавленного металла. Оптимальные условия сварки большин­ства сочетаний металлов (температура на границе сварочной ванны равна температуре плавления, а в центральной области меньше или равна температуре кипения) обеспечиваются интен­сивностью до 1010 Вт/м².

Управление интенсивностью излучения в фокальном пятне осуществляется тремя способами: выходной мощностью, изме­нением длительности воздействия излучения на материал, пло­щадью фокального пятна.

Для получения вакуумно-плотного шва при сварке в им­пульсном режиме степень перекрытия сварных точек должна составлять 50-80 % от их диаметра и зависит от величины их диаметра и шага S.

Недостатками герметизации лазерной сваркой являются не­значительная глубина проплавления соединения металлов при средних мощностях излучения, выплески испаряемого металла при использовании мощных лазеров, значительные потери энер­гии лазерного пучка при сварке металлов, обладающих высоки­ми коэффициентами отражения.