Лекция 9

Общие сведения о монтаже ЭВС. Методы микроконтактирования.

Монтаж электронных устройств (ЭУ) представляет собой технологический процесс (ТП), направленный на получение электрических соединений между конструктивами ЭУ. В зависимости от уровней монтируемых модулей (т.е. модулей 1…4 уровней) различают внутриузловой (или просто узловой) монтаж (т.е. монтаж ячеек, сборочных узлов и других модулей 1-го уровня) и межузловой (например, блочный, межблочный и монтаж других модулей 2…4 уровней). Наибольшей трудоемкостью характеризуется внутриузловой монтаж, который в зависимости от: типа используемых электрорадиокомпонентов (ЭРК), то есть традиционно – или поверхностно-монтируемых компонентов (соответственно ТМК и ПМК); наличия специальных (например, термочувствительных и др.) изделий электронной техники (ИЭТ); выбранного варианта сборки и монтажа (с учетом использования 1-ой или 2-х сторон платы; сложности конструкций ПМК и компоновки ТМК и ПМК на плате); потребности в теплоотводах, экранах, прокладках, объемных соединителях и прочих конструктивах; применения ручных и (или) автоматизированных средств реализации; может осуществляться сразу после сборки ЭРК на печатной плате (ПП), обеспечивая за один технологический цикл монтажных операций полностью смонтированную ячейку, либо чередоваться со сборочными операциями, последовательно формируя конструкцию ячейки нередко с использованием разных методов и средств для выполнения сборочно-монтажных операций. Например, при односторонней сборке ТМК на ПП и групповой технологии монтажа технологический процесс монтажа может включить этапы: нанесения флюса то есть флюсования собранного узла (СУ); подсушивания флюса; предварительного нагрева СУ; микроконтактирования (в данном случае групповой пайкой волной припоя); обрезки выводов; очистки смонтированной ячейки; контроля качества монтажа. При односторонней сборке ПМК на ПП и использовании групповых технологий процесс монтажа включает этапы: предварительного нагрева СУ; микроконтактирования (например, групповой пайкой оплавлением дозированного припоя); очистки смонтированной ячейки; контроля качества монтажа. В любом случае – микроконтактирование является ключевым этапом монтажа, обеспечивающим электрический контакт сопрягаемых электропроводящих поверхностей конструктивов для реализации ячейкой заданных электрофизических характеристик. На рис.9.1 представлены основные методы микроконтактирования, которые могут применяться при монтаже модулей 1-го уровня, а основные сведения о них даны в табл.9.1.

При монтаже ячеек ЭВС преимущественно используется пайка (метод 1,а,б,в см.рис.9.1) благодаря возможности его автоматизации на низком, среднем и высоком уровнях; хорошей совместимости контактируемых и прочих материалов конструктивов с технологическими средами при монтаже; хорошей освоенности процессов пайки в условиях серийного производства и удовлетворительным основным показателям процесса микроконтактирования (см. табл.9.1). Микросварка (метод 2,а,б, см. рис.9.1) чаще используется для монтажа бескорпусных ИЭТ при изготовлении микросборок, микросистем (в том числе многокристальных модулей и прочих миниатюрных изделий), она требует подложек (плат) повышенной нагревостойкости; автоматизируема только на низком и среднем уровнях (так как требует прижимного инструмента), хотя некоторые показатели процесса микроконтактирования свидетельствуют и об имеющихся ее преимуществах в сравнении с пайкой (см. табл.9.1). И все же пайка является более универсальным методом микроконтактирования, так как ее можно использовать не только при внутриузловом, но и межузловом монтаже ЭУ, благодаря более простым средствам реализации, гораздо меньшему числу ограничений по температурным и прочим режимам, по форме и размерам монтируемых объектов, по возможностям автоматизации и др. в отличие от микросварки.

1

Методы 3,а,б (см.рис.9.1 и табл .9.1) чаще используются для межузлового монтажа, для их реализации требуются специальные формы соединяемых деталей в местах соединений. Например, при накрутке требуется удлиненный вывод одной детали и штыревой вывод другой (причем, для уменьшения контактного сопротивления, штырь должен быть не круглого сечения и иметь увеличенный размер). Обжимка реализуется специальными инструментами и по своей природе аналогична процессу клепки.

Соединения контактолами – электропроводящими клеями (метод 4,а, см. рис.9.1) используют для монтажа на ПП термочувствительных ЭРК либо ИЭТ сложной формы, когда другие методы контактирования применять нецелесообразно или невозможно. Основные достоинства и недостатки данного метода можно видеть из табл.9.1, например, повышенное

контактное сопротивление Rk , является существенным недостатком, хотя возможен и повышенный разброс Rk из-за наличия инородных примесей в клеевом составе, от которых

трудно избавиться при очистке исходных материалов. Эти недостатки в ближайшем будущем могут быть устранены при освоении метода 4,б (см. рис. 9.1), так как технология получения ненаполненных полимерных электропроводящих клеевых материалов еще находится в стадии исследований и доработки в направлении ее использования для изделий микроэлектроники.

Метод 4,в (см. рис.9.1) признан одним из перспективнейших для создания миниатюрных ЭУ (рис.9.2), главным образом из-за существенно повышенной надежности монтажа (так как лишен наибольшей причины ненадежности ЭУ – паянных либо сварных

1 2

5

4

3

Рис.9.2. Фрагменты конструкций многокристальных модулей, изготавливаемых с применением технологии сращивания металлизации кристалла БИС (СБИС) и платы по вариантам: а – без заглубления кристалла; б – с заглублением кристалла в объеме платы; 1 – кристалл; 2 – контактные площадки кристалла; 3 – диэлектрическое основание коммутационной платы (КП); 4 – элементы коммутации КП; 5 – тонкопленочная коммутация для сращивания металлизации кристалла и КП; 6 – клей с теплоотводящим наполнителем; 7 – углубление для посадки кристалла; 8 – изолирующие слои; 9 – межслойная коммутация; 10 – тонкопленочная коммутация; 11 – структура КП с многослойной разводкой коммутации.

14

соединений) и значительно сокращенного цикла изготовления ЭУ (так как структура КП формируется одновременно со сборкой и монтажом ячейки или всего устройства в целом). Однако использование метода сращивания металлизации в основном ограничивается конструкцией применяемых ЭРК (в частности, предпочтительной является бескорпусная конструкция либо ПМК в микрокорпусах с ограничением по форме выводов), а также сложностью и дороговизной используемого, в том числе для монтажа, технологического оборудования.

Как отмечалось ранее, ЭВС представляет собой комплекс более или менее сложных узлов, связанных между собой средствами электрической коммутации и для их создания используется электрический монтаж (внутриузловой и межузловой). Электромонтажные работы при изготовлении ЭВС занимают значительный объем по трудоемкости. От качества выполнения при этом электрических контактов во многом зависит эксплуатационная надежность ЭВС. Различают два вида электрических контактов в ЭУ: разъемные контакты (получаемые, например, с помощью объемных соединителей; накрутки; механических прижимов; контактных лепестков и др.); неразъемные контакты (получаемые сваркой; пайкой; соединением контактолами); а иногда, например, паянные контакты еще относят к полуразъемным из-за их повышенной, по сравнению с другими, ремонтопригодностью. Наличие разных типов электрических контактов объясняется необходимостью обеспечения компромисса между временем безотказной работы ЭУ и временем, затрачиваемым на устранение неисправностей (которое определяется суммарным временем поиска неисправного узла и его замены). При этом известно, что надежность неразъемных контактов выше, а использование разъемных контактов уменьшает время замены неисправного узла.

Кроме того, важно знать, что межконтактная коммутация обеспечивается коммутирующими элементами ПП при монтаже на них ЭРК (то есть за счет печатного монтажа) либо с применением объемных проводов (в том числе в виде жгутов, гибких шлейфов, кабелей). Межконтактная коммутация за счет печатного монтажа обычно используется для выполнения электрических связей длиной не более 300 – 500 мм, а объемным проводом – для связей значительной длины. По этой причине внутриузловой монтаж осуществляется с применением неразъемного контактирования на ПП, то есть печатного монтажа, а межузловой монтаж часто выполняется с применением разъемного контактирования и межконтактной коммутации объемными проводниками (при значительной их длине), либо с помощью объемных соединителей (в том числе позволяющих использовать в этом случае и печатный монтаж, например в виде соединительных смонтированных узлов на ПП). Коммутирующие узлы на ПП обеспечивают лучшие функциональные параметры ЭУ при межузловом монтаже, так как за счет печатного монтажа возможно существенное уменьшение длины сигнальных трактов и паразитной емкости между ними, тем самым способствуют повышению быстродействия

ЭУ (так как время задержки сигнала τз определяется τз = R C , где R и C соответственно паразитные сопротивление и емкость линий связи).

Пайка при монтаже ячеек ЭВС. Механизм пайки, модель паянного соединения.

При передаче электрических сигналов происходит их ослабление и искажение в результате потери энергии в проводниках, электрических соединениях, в том числе в ЭРК и других конструктивах. Поэтому при разработке системы электрических соединений в изделии необходимо сводить к минимуму эти процессы, что особенно важно для слаботочных цепей быстродействующих ЭУ, за счет не только оптимизации проектных решений, но и обеспечения качества микроконтактирования и межконтактной коммутации, в том числе на этапе монтажа ЭУ. При монтаже ЭВС доля дефектов, обнаруживаемых в электрических соединениях достаточно велика и может составлять от 50% до 80% (от общего числа дефектов изделия), поэтому повышение качества микроконтактирования, а также межконтактной коммутации и их эксплуатационной надежности является задачей чрезвычайной важности при производстве аппаратуры.

15

Таким образом, к электрическим контактам (ЭК) в ЭУ предъявляются следующие требования:

минимальное омическое сопротивление в зоне контакта и его стабильность при различных климатических воздействиях;

высокая надежность и долговечность;

максимально достижимая механическая прочность;

минимальное значение основных параметров процесса микроконтактирования (темпера-

туры, давления, длительности выдержки);

возможность соединения разнообразных сочетаний материалов и типоразмеров контактируемых элементов конструктивов;

устойчивость к термоциклам;

в зоне контактирования не должны образовываться продукты, вызывающие деградацию ЭК;

качество получения ЭК должно контролироваться простыми и надежными средствами;

экономическая эффективность и производительность технологического процесса (ТП)

получения ЭК.

Так как самым широко применяемым при монтаже ячеек ЭУ является метод пайки, то целесообразно рассмотреть его более детально.

Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии путем введения в зазор между ними расплавленного припоя (при температуре ниже температур плавления соединяемых материалов) и взаимодействующего с ними, что приводит к образованию паянного соединения (ПС) (или паянного шва). В качестве припоя при монтаже ячеек ЭВС используются преимущественно легкоплавкие сплавы эвтектического типа (с мелкодисперсной микроструктурой паянного шва и температурой плавления меньшей чем температуры плавления ингредиентов сплава) на основе олова и свинца.

Механизм пайки характеризуется физико-химическими процессами, проходящими при формировании паянных соединений во время монтажа ячеек ЭУ. К таким процессам преимущественно относятся: активация поверхностей соединяемых металлов (т.е. основных металлов) и припоя; смачивание припоем контактируемых поверхностей; растекание припоя по контактируемым поверхностям с заполнением зазоров и капилляров (макро- и микрокапилляров) в зоне пайки; взаимодействие жидкой фазы припоя с основными металлами, проявляющееся в растворении припоем поверхностных слоев металлов и диффузии металлов на границах металл-припой; кристаллизация жидкого расплава (жидкой фазы, образующейся в результате взаимодействия припоя с контактируемыми поверхностями металлов).

Активация соединяемых металлов и припоя обеспечивается за счет нагрева основ-

ных металлов и расплавления припоя при введении его в зазор между сопрягаемыми поверхностями металлов либо при оплавлении уже имеющейся дозы припоя (например, в виде припойной пасты) между контактируемыми металлами. В первом случае эффективность активации снижается вследствие взаимодействия металлов и припоя с кислородом воздуха и образования оксидной пленки. Чтобы удалить образующуюся в процессе пайки оксидную пленку и защитить контактируемые поверхности от дальнейшего окисления, применяют флюсы, газовые среды, самофлюсующиеся припои или способы физико-механического воздействия (механические вибрации, ультразвуковые (УЗ) колебания и др.). При использовании припойных паст защита от окисления сопрягаемых материалов осуществляется за счет флюса, содержащегося в самой пасте. Таким образом, пайка с флюсами наиболее распространена и общедоступна, так как ее можно проводить в обычных атмосферных условиях без применения дорогостоящего оборудования. Расплавленный флюс растекается по паяемым поверхностям и припою, смачивает их и вступает с ними во взаимодействие, в результате которого удаляются оксидные пленки. Основными процессами, происходящими при удалении оксидов металлов являются: химическое взаимодействие между флюсом и оксидами припоя с образованием растворимого во флюсе соединения; химическое взаимодействие между флюсом и основным металлом, в результате которого происходит постепенный отрыв оксидной пленки и перевод ее в шлак; адсорбционное понижение прочности оксидной пленки под действием расплава припоя и диспергирование ее; растворение оксидной пленки ос-

16

новного металла и припоя во флюсе. Неправильный выбор флюса либо нарушение технологических режимов флюсования и пайки может привести к тому, что флюсовые остатки и продукты взаимодействия их с оксидными пленками образуют в паянном шве шлаковые включения, что снижает прочность и коррозионную стойкость, нарушает герметичность паянных соединений. Использование флюсов – не единственный метод удаления оксидов и избежания окисления металлов в процессе пайки, иногда для этих же целей в процессе пайки применяют специальные технологические газовые среды (восстановительные, вакуумные и др.) либо ультразвук, однако, это заметно усложняет технологический процесс монтажа, так как требуется специальное технологическое оборудование или оснастка для реализации пайки.

После расплавления припоя и достижения атомами сопрягаемых металлов требуемого уровня энергии активации происходит смачивание твердых поверхностей контактируемых материалов жидким припоем. От того, насколько хорошо расплавленный припой смачивает поверхности основных металлов, зависит прочность, коррозионная стойкость и другие свойства ПС. При смачивании атомы металлов сближаются на расстояние менее 100нм и в поверхностных слоях сопрягаемых металлов возникают связи, активность образования которых определяется строением внешней электронной оболочки контактируемых металлов. Смачивающую способность припоя обычно оценивают по коэффициенту его смачивания, определяемому из выражения:

Cosθ = (FТ−Г − FТ−Ж )FЖ−Г ;

где θ – угол смачивания (при удовлетворительном смачивании θ ≤ 200 ); FТ−Г , FТ−Ж , FЖ−Г – соответственно силы поверхностного натяжения на границах твердой и газообразной

фаз, твердой и жидкой фаз, жидкой и газообразной фаз; Cosθ – коэффициент смачивания припоем конкретного металла (рис.9.3). Из этого выражения видно, что чем выше поверх-

ностное натяжение припоя в расплавленном состоянии FЖ−Г , тем хуже смачивает он основ-

ной металл. Растекание припоя по поверхности основного металла во многом зависит от смачивающей способности припоя (при полном растекании припоя по контактируемым поверхностям угол θ = 0 ) и продолжается до тех пор, пока не установится равновесие векторов сил поверхностного натяжения F в точке на границе трех фаз (например, точка О,

см.рис.9.3).

О

Рис.9.3. Схематическое представление равновесия сил поверхностного натяжения капли припоя на поверхности твердого тела; 1 – диэлектрическое основание платы; 2 – контактная площадка (основной металл); 3 – капля жидкого припоя; 4 – газообразная среда; θ – угол смачивания припоем основного метал-

ла; FТ−Ж ,FТ−Г ,FЖ−Г – соответственно векторы сил поверхностного натяже-

ния на границах твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной фаз.

17

го в значительной степени определяет качество паянных соединений. При кристаллизации происходит затвердевание зоны расплава, которое связано с формированием микроструктуры спая и, в сущности, фиксирует процессы взаимодействия между основными металлами и расплавом припоя на том или ином уровне их развития. Ближе к основным металлам образуются прослойки, обогащенные компонентами основных металлов, а ближе к центру – компонентами припоя (см.рис.9.4,а). Кристаллизация расплава начинается на поверхностях границ основных металлов с жидкой фазой (кристаллиты основных металлов являются как бы центрами зарождения кристаллитов припоя) и на частицах тугоплавких металлов расплава. На микроструктуру паянного соединения влияют: величина зазора между соединяемыми металлами (определяющая температурный градиент расплава, величину и протяженность области концентрационного переохлаждения вблизи фронта кристаллизации), а также скорость снижения температуры. При прочих равных условиях уменьшение величины зазора (а, следовательно, и слоя кристаллизующейся жидкости) между сопрягаемыми металлами от 2 до 0,15мм приводит к тому, что прочность паянного шва существенно увеличивается и его микроструктура становится более мелкозернистой с формой кристаллитов от дендритной до простой с гладкой поверхностью. Таким образом, от величины зазора между сопрягаемыми материалами зависят химический состав (так как при малых зазорах атомы основных металлов могут проникать (за счет диффузии) в зону расплава на всей ее протяженности) и микроструктура паянного шва; плотность ПС, его электропроводность и прочность (тем более, что у припоев (в отличие от клеев) силы когезионных связей слабее адгезионных); а также экономичность процесса пайки. Величина оптимального зазора при пайке на этапе монтажа конструктивов ЭВС, с учетом часто используемых сопрягаемых материалов, находится в пределах 0,02…0,3мм. Скорость кристаллизации тоже влияет на форму и размеры кристаллитов, а также на величину остаточных напряжений в паянном соединении. В любом процессе, происходящем при микроконтактировании параметры технологических сред (т.е. условий осуществления процессов) и средств реализации пайки должны быть оптимизированы для обеспечения требуемых показателей качества и надежности ЭК.

Способы реализации пайки и индивидуальные средства для ее выполнения.

Осуществлять процесс пайки можно с применением большого разнообразия способов. Систематизируют способы пайки по самым разным признакам, из которых наиболее существенными являются:

характер нагрева (локальный нагрев (места или нескольких мест пайки) и фронтальный нагрев всех сопрягаемых материалов всего сборочного узла (СУ));

механизм передачи тепловой энергии от источника тепла к объекту пайки (кондукци-

онный (за счет теплопроводности или электропроводности), конвекционный (потоком нагретого газа); конденсационный (за счет конденсации пара); излучательный (электронным либо лазерным лучом; ИК-излучением; и др.), а также комбинированный (при сочетании нескольких механизмов теплопередачи, например, излучательный и конвекционный и др.));

тип источника тепла (нагреваемый инструмент или часть оборудования; плазменная либо газовая горелка; волна припоя; пучки либо потоки разных видов излучения; электросопротивление, токи высокой частоты (ВЧ), расплав припоя; пары кипящей жидкости и др.);

степень участия человека в процессе пайки (ручная (т.е. индивидуальна), полуавтоматизированная, автоматизированная и др.);

количество одновременно получаемых паянных соединений (единичная, групповая,

симультанная и др.) и т.д.

Естественно, этими признаками не ограничивается систематизация способов пайки, так как в основу их разделения еще могут быть положены физико-химические, металлургические, технологические и другие признаки процессов образования паянного соединения. Кроме того, каждый из способов пайки (в зависимости от характера подвода тепла, вида

1

10

применяемой технологической оснастки (или инструмента), либо технологического оборудования, либо технологической среды, уровня автоматизации и др.) может иметь свои разновидности реализации, например, групповые способы пайки осуществляют как с помощью инструментов, так и без них (так называемые инструментальные и безинструментальные способы пайки), но и те и другие могут выполняться с использованием разных технологических сред. В частности, погружением в жидкую среду (например, в расплавленный припой или волну припоя и др.); в среде горячего газа или в парах жидкости-теплоносителя; в излучательных средах с концентрированным или с фронтальным (рассредоточенным) потоком энергии какого-либо вида излучения (УЗ, ВЧ, лазерное, электроннолибо ионнолучевое).

В зависимости от типа производства, пайка выполняется индивидуально с помощью нагретого паяльника, микропаяльника либо различными групповыми способами. Индивидуальная пайка эффективна при монтаже ячеек с ТМК и ПМК в условиях единичного и мелкосерийного производства; для проводного монтажа; после выполнения безинструментальной групповой пайки на одной или двух сторонах ПП при смешанном наборе ПМК и ТМК и двухстороннем монтаже ячеек ЭУ; при макетных, ремонтных и регулировочных работах. Под индивидуальной пайкой следует понимать такой процесс пайки, который реализуется человеком (индивидуумом) вручную с применением различных инструментов, например, паяльника и других, представленных в табл. 9.2. Индивидуальная пайка может выполняться единичным (при монтаже ТМК и ПМК) и групповым способом (обычно при монтаже ПМК) (см. табл.9.2) в зависимости от конструкции используемого монтажником инструмента (или специального приспособления для групповой пайки). Выбор способа индивидуальной пайки, и соответственно инструмента, зависит от объема выпускаемых объектов; особенностей конструкций монтируемых узлов и компонентов; вариантов сборки и монтажа ячеек; требований к качеству монтируемых объектов и их тепловых характеристик, а также от целевого использования монтажных работ. Важно вместе с тем отметить, что инструменты для индивидуальной пайки чаще всего обеспечивают контактный нагрев соединяемых материалов во время пайки (см. например 1…3 и 5…7, табл.9.2), хотя имеются и такие, которые осуществляют бесконтактный нагрев, например, с помощью горячего газа, их иногда называют газовыми паяльниками или минитермофенами (см. 4, табл.9.2).

Требуемый температурный режим при индивидуальной пайке контактным нагревом обеспечивается тепловыми и электрофизическими характеристиками применяемого инструмента (или приспособления): температурой рабочей концевой части электрода (или жала) инструмента (паяльника, микропаяльники и др.); степенью стабильности этой температуры, обусловленной динамикой теплового баланса между теплопоглощением при пайке, теплоподводом и теплозапасом в электроде (жале) инструмента; мощностью нагревателя и термическим КПД инструмента, определяющими интенсивность теплового потока в паяемые соединения и необходимую температуру пайки.

Температура рабочей концевой части жала инструмента (например, микропаяльника),

измеряемая на холостом ходу, задается на 30…1000 C выше температуры плавления припоя. Номинальное значение температуры определяется термической чувствительностью сопрягаемых конструктивов. В процессе пайки температура жала инструмента снижается за счет теплоотдачи, что при малой мощности нагревателя ограничивает число последовательно монтируемых соединений, чтобы не выйти за нижнюю границу тепловой зоны. Мощность инструментов для монтажа микросборок и ячеек с ПМК обычно составляет 4,6,12,18,25 Вт; для монтажа ячеек с ТМК – 25,30,35,40,50,60 Вт; при проводном (жгутовом) монтаже 50,60,75,90,100, 120 Вт. Выбор мощности инструмента с учетом КПД (25…55%) производится в соответствии со средним теплопоглощением при многократной пайке компонентов на платах либо проводов (для монтажа микросборок и ПМК – 6,3…12,6 Дж; для монтажа ТМК и крупногабаритных ПМК (например, многовыводных кристаллодержателей) – 37,7…41,9 Дж; для проводного (жгутового) монтажа – 62,8 Дж).

11

Таблица 9.2.

Инструменты для ручного монтажа и ремонта ячеек ЭУ.

Стабилизация температуры инструментов производится с помощью: использования массивного жала для него (или электрода, либо насадки, либо цанги) (до 3 мм для микроп а- яльников) и близкого расположения нагревателя; импульсного нагрева, который эффективно восполняет потери тепла в процессе пайки; электронных регуляторов, работающих на осно-

12

вании информации специальных датчиков (термопар); применения для нагревателей материала, изменяющего свое электрическое сопротивление (например, агломерат свинца и бария) или магнитные свойства при изменении температуры. В качестве материала для жал паяльников и микропаяльников используют медь ввиду ее высокой теплопроводности. Но вследствие химического взаимодействия с расплавленным припоем и флюсом, термоударов, окисления (кислородом воздуха) и структурных изменений долговечность такого жала составляет 700…1000 паек, после чего его перезатачивают. Нанесение на жало химического никеля увеличивает период между заточками до 1500 паек, а гальванический никель толщиной 90…100 мкм – до 2000 паек. В качестве перспективных материалов для жал паяльников и микропаяльников рекомендуются медные сплавы типа MXH1-4, спеченный порошок сплава Cu – W, в котором износо- и термостойкость вольфрама сочетаются с электропроводностью меди. Гарантированная пористость материала улучшает смачивание жала припоем.

Технологическими режимами пайки с применением паяльников и микропаяльников являются температура, которая для наиболее широкораспрастраненного припоя ПОС-61М

составляет 280±100 С, и время пайки 1…3 с. Пониженная температура приводит к недостаточной жидкотекучести припоя, плохому смачиванию, образованию “холодной пайки”. Завышенная температура вызывает обугливание флюса, выгорание компонентов припоя, эрозию материала жала инструмента, а также существенное увеличение ширины растворнодиффузионной прослойки в паянном шве. Для охлаждения сопрягаемых элементов во время пайки применяют испарительный метод (нанесение дозы испаряющегося вещества), обдув газом, специальные термоэкраны (или зажимы с медными наконечниками и др.). Теплоотвод обычно прекращают через 10…15 с после окончания пайки.

Для индивидуальной групповой пайки при монтаже ячеек ЭУ и ПМК разработано большое разнообразие инструментов и приспособлений, позволяющих одновременно получать насколько паянных соединений (см.5;6;7, в, табл.9.2 и рис. 9.6 и 9.7).

Рис.9.6. Использование двухэлектродного термоинструмента для групповой пайки ИС с L- образными выводами при продольном (а) и поперечном (б) перемещении электродов термоинструмента; 1 – электроды с продольным перемещением (для пайки всей группы контактов); 2 – плата; 3 – ИС; 4 – электроды с поперечным перемещением (для пайки какой-то части групп контактов).

Однако, групповые термоинструменты (ГТИ) для индивидуальной пайки применяют только при монтаже ПМК, а при монтаже ТМК осуществляют только поединичную пайку контактов с помощью обычных паяльников или микропаяльников. Чаще всего индивидуальный монтаж выполняют поочередно с некоторыми сборочными операциями. Например, сбо- рочно-монтажные операции, при наличии в объекте ТМК, выполняют в последовательности: выбор требуемого ТМК и извлечение его из технологической тары; перенос ТМК и разме-

1

13

Рис.9.7. Основные сборочно-монтажные операции при изготовлении ячейки ЭУ с применением цангового инструмента (ЦИ); а – загрузка ЦИ компонентом и перенос загруженного ЦИ к плате; б – предварительный нагрев знакоместа и компонента; в – позиционирование ПМК на знакоместе и пайка оплавлением дозированного припоя; г – кристаллизация спая и удаление ЦИ; 1 – ПМК; 2 – ЦИ; 3 – плата; 4 – поршень (толкатель); стрелками указано направление перемещения ЦИ (снаружи) и удерживание толкателем ПМК во время кристаллизации спая (внутри ЦИ).

Технологические среды для монтажа.

На качество паяных соединений оказывают существенное влияние не только технологические условия проведения процесса пайки, но и правильный выбор материалов: флюсов, припоев, очистных жидкостей.

Флюсы, образуя жидкую и газообразную защитные зоны, предохраняют поверхности металлов и расплавленного припоя от окисления (до пайки и во время нее), растворяют и удаляют уже имеющиеся пленки оксидов и загрязнений с поверхностей, улучшают смачивание металла припоем и растекание припоя за счет уменьшения сил поверхностного натяжения. Выбор флюса производится исходя из требуемой химической активности, которая должна быть наибольшей в интервале температур, определяемом температурами плавления припоя и пайки. Он должен быстро и равномерно растекаться по паяемым материалам; хорошо проникать в зазоры и удаляться из них; легко вытесняться расплавленным припоем; быть термически стабильным; не выделять вредных для здоровья человека газообразных и других продуктов взаимодействия с металлами и припоем; не вызывать коррозии паяемых металлов и припоев; быть экономичным. Правильно выбранный флюс ускоряет процесс пайки при минимально возможных температурах, что важно при сборке и монтаже термически чувствительных ЭРК.

Взависимости от температурного интервала активности флюсы разделяются на низко-

ивысокотемпературные. Для монтажа ячеек ЭУ в основном применяются низкотемпературные флюсы, которые по коррозионному действию разделяют на группы: неактивированные

некоррозионногенные; слабоактивированные некоррозионногенные; активированные слабо-

151

коррозионногенные; активные коррозионногенные; высокоактивные коррозионногенные. По своему составу флюсы разделяются на две группы. К первой относятся смолосодержащие флюсы на основе канифоли или полиэфирных флюсующих смол (табл.9.3). Они обл адают широкой универсальностью, не снижают электрическое сопротивление подложек и ПП, не вызывают коррозии соединяемых металлов. Однако, эти флюсы обладают слабой химической активностью и предназначены для пайки легкопаяемых металлов (например, золота, меди и их сплавов). Канифольные флюсы, активированные до 2…3,5% органическими кислотами (бензойной или салициловой, и др.), обладают слабо-повышенной активностью и используются при групповой и поединичной (в том числе ручной) пайке ЭРК на многослойных ПП. Заметное влияние этих флюсов на сопротивление изоляции диэлектриков и коррозию проводников требует тщательной отмывки остатков флюса после пайки.

Вторую группу составляют активные коррозионногенные флюсы, не содержащие смол (например ФТС, см.табл.9.3). Для повышения активности флюсов в их состав вво дят активирующие добавки: анилин, гидразин, триэтаноламин, диэтиламин соляно-кислый. При введении активаторов стремятся, чтобы при пайке добавки со щелочными свойствами нейтрализовали остатки кислотных ингредиентов. Основное применение такие флюсы нашли в процессах лужения и восстановления паяемости сопрягаемых поверхностей после хранения ЭРК, ПП и др. в цехах и на складе.

Таблица 9.3

Основные сведения о флюсах, используемых при монтаже ЭУ с применением оловян- но-свинцовых припоев.

В качестве припоев используются различные цветные металлы и их сплавы, имеющие более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Исходя из температуры плавления припои разделяются на низко-, средне- и высокотемпературные. Для процессов пайки при монтаже ЭВС применяют преимущественно низко- и среднетемпературные при-

пои (Тпл ≤ 4500 С). Основными ингредиентами низко- и среднетемпературных припоев яв-

16

ляются олово и свинец, к которым для придания специальных свойств могут добавляться присадки сурьмы, серебра, висмута, кадмия (табл.9.4). Так, серебро и сурьма повышают, а висмут и кадмий понижают температуру плавления и затвердевания припоя. Серебро задерживает снижение прочности спаев при старении, уменьшает окисление олова и замедляет процесс растворения основных металлов припоем. Сурьма увеличивает прочность паянного соединения, но делает его хрупким ухудшает растекание припоя по меди. Механическая прочность припоев повышается с увеличением содержания олова, но при этом одновременно увеличивается и его стоимость, так как свинец приблизительно в 20 раз дешевле олова.

Выбор марки припоя определяется назначением и конструкторскими особенностями изделий; типом основного металла и технологического покрытия; максимально допустимой температурой при пайке ЭРК, а также технико-экономическими и технологическими требованиями, предъявляемыми к паянным соединениям. К техническим требованиям относятся достаточная механическая прочность и пластичность; заданные теплопроводность и электрические характеристики; температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), близкий к ТКЛР паяемых металлов; коррозионная стойкость монтируемых соединений как в процессе пайки, так и при эксплуатации изделий. Припой должен быть экономичным и не содержать дефицитных ингредиентов. Технологические требования к припою предусматривают хорошую смачиваемость соединяемых им металлов; высокие капиллярные свойства; малый температурный интервал кристаллизации для исключения появления пор и трещин в паянных соединениях; возможность дозирования его в виде проволоки, трубок с наполнением их флюсом, шариков, таблеток и т.п.

Интенсивное освоение и повсеместное внедрение техники поверхностного монтажа в производствах ЭВС способствовали разработкам большого разнообразия припойных паст, обеспечивающих высокоточное дозирование припоя (табл.9.5). Различные свойства припойных паст и особенности их использования излагались в предыдущей лекции.

Очистные жидкости (очистители) предназначены для удаления остатков флюса и продуктов его взаимодействия с сопрягаемыми металлами после пайки.

Остатки загрязнений на смонтированных изделиях (вносимых вследствие взаимодействия их с технологическими средами на каждой операции, с оборудованием и оснасткой, окружающей средой и исполнителями операций), как привило, отличаются по своей природе (органические и неорганические, например, указанные в табл.9.6) и свойствам (например, по растворимости в жидких и газовых средах, сорбционной способности, характеру химической связи с материалами ЭУ, полярности, электропроводности и т.д.), поэтому выбор очистителей связан с решением целого комплекса вопросов, в частности, с учетом высокой плотности монтажа, когда компоненты устанавливаются с минимальными зазорами между собой и по отношению к основанию платы. Если для изделий с ТМК очистка смонтированных ЭУ рассматривалась как вспомогательная операция, не создающая особых трудностей в их производстве, то после монтажа ПМК на ПП это дорогостоящая, сложная технология, требующая на этапе проектирования ПП учета специфики очистки в технике поверхностного монтажа (ТПМ). В первом приближении степень сложности очистки n можно характеризовать отно-

шением n = δb , где δ – величина зазора компонент – ПП; b – ширина корпуса компонента.

Чем меньше это отношение, тем труднее очистителю омыть пространство под компонентом. Физическую модель омываемого очистителем пространства в изделиях с ПМК можно представить в виде капиллярной системы, т.е. как совокупность плоских (если под компонентом отсутствуют контактные площадки с клеем и другие элементы) и трубчатых (при наличии под компонентом площадок с клеем, проводящих дорожек и т.д.) капилляров, течение жидкости в которых управляется изменением капиллярного давления вдоль поверхности платы. Последнее прямо пропорционально поверхностному натяжению очистителя, определяющему степень его проникновения (т.е. проникающую способность) в самые узкие промежутки на плате. В то же время при малых значениях поверхностного натяжения и вязкости очистителя обеспечивается лучшая его циркуляция между малыми объемами, по-

этому правильным техническим решением при выборе очистителя будет поиск чистящего

17

1

Таблица 9.6.

Действие полярных и неполярных загрязнений на смонтированные ЭУ

материала с оптимальной величиной поверхностного натяжения для конкретного изделия. Лучшие очистители характеризуются величиной поверхностного натяжения около

2 10−2 Hм, а при добавлении в них омылителей она может еще уменьшиться. Кроме то-

го, следует при проектировании ЭУ учитывать, что: повышенная способность материалов платы к влагопоглощению способствует снижению вязкости и поверхностного натяжения очистителя; наличие негерметизированных компонентов существенно осложняет выбор очистителя и способа реализации очистки; расположение компонентов должно обеспечивать проникновение очистителя даже к самым труднодоступным участкам платы (для этого, например, не рекомендуется выполнять межслойные переходы и трассировку под квадратными корпусами с четырехсторонними выводами сложной (в частности J – образной) конфигурации либо под безвыводными компонентами с низкой посадкой и т.п.; вве-

1

20

дение тест-контроля качества очистки существенно повышает эксплуатационную надежность изделий с ПМК; припойные материалы должны содержать минимально необходимое количество флюса, что может существенно снизить уровень загрязнений, подлежащих удалению. Для эффективной очистки также необходимо, чтобы очиститель был способен растворять как полярные, так и неполярные загрязнения, т.е. обладал высокой химической активностью к загрязняющим веществам. Поэтому следующим важным критерием выбора очистителя является эффективность растворения загрязнений, вносимых преимуще-

ственно припойной пастой, в частности, флюсом, имеющимся в ее составе. Количественная оценка данного критерия осуществляется путем определения такого показателя, как

Каури-бутанольное (КБ) число* (которое имеет тем большее численное значение, чем выше растворяющая способность очистителя), либо с помощью тестирования очищенного изделия на наличие ионогенных и неионогенных загрязнений. Эти два показателя также дают возможность оценить материалоемкость технологической среды при очистке (то есть объем очистителя). Не менее важны для выбора очистителя совместимость материала очистителя с материалами платы, компонентов и оборудования (или оснастки), а также температура, время и условия очистки.

Скорость испарения (летучесть) очистителей характеризует их способность оставлять на поверхностях конструктивов изделия сухие осадки загрязнений. Так, обнаружено, что быстро испаряющиеся очистители оставляют больше разводов и пятен (т.е. осадков загрязнений) на поверхностях конструктивов, чем медленно испаряющиеся. Летучесть определяется силами межмолекулярного взаимодействия веществ и имеет высокую величину обычно у растворителей с низкой температурой кипения, что не может не влиять на характер их взаимодействия с различными загрязняющими веществами, и это также надо учитывать при выборе очистителя.

Таким образом, с учетом основных критериев выбора очистителей обобщенный показатель эффективности их использования можно представить соотношением

Кэ ≈ Кс (КБ) Тк , где Кс ≈ γ (η σ ) – показатель смачивания очистителем обрабатываемой поверхности, при этом γ , η и σ – соответственно плотность, вязкость и поверхностное натяжение очистителя; КБ – Каури-бутанольное число; Тк – температура кипения

очистителя.

После пайки ПМК на ПП в качестве очистителей применяют чаще всего органические растворители, в особенности их азеотропные смеси, растворяющие и полярные и неполярные остатки загрязнений, например трихлорэтан; фреон + хлористый метилен (50%); фреон + ацетон (11%); фреон + метиловый спирт; фреон + этанол и др.. Реже используют

водную очистку (проточной водой при температуре 60…800 С и в холодной воде с применением мягких щеток). Для смонтированных ячеек с ТМК также самыми эффективными очистителями являются азеотропные смеси (например, спирто-бензиновая смесь либо трихлорэтилен и др.). После пайки смешанного набора компонентов на ПП часто применяют ультразвуковую очистку ячеек в азеотропных очистителях.

Экологическая безопасность использования очистителей в составе ТС (для очистки смонтированных изделий) оценивается нормированными показателями предельно допустимых концентраций (ПДК) конкретных материалов очистителей в производственной и внешней атмосферах, а также в сточных водах, причем соблюдение норм обычно контролируется службами санитарного надзора. ПДК очистителя в производственной и внешней средах должна обеспечивать безвредность 40-часовой еженедельной работы человека с очистительным оборудованием.

* Каури-бутанольное число оценивается отношением 100млбензола, добавляемого в стандартный раствор

каучуковой смолы в н-бутиловом спирте, к количеству (мл) исследуемого растворителя, добавляемого в такой же стандартный раствор до одинаковой замутненности по сравнению с первым стандартным раствором.

121

Монтаж ЭВС с применением токопроводящих клеев – контактолов.

Электропроводящие полимерные клеевые материалы (ЭПКМ) находят все большее применение в производстве ЭВС, особенно при узловой сборке и монтаже миниатюрных электронных устройств, а также при сборке и монтаже термочувствительных полупроводниковых приборов, при получении электрических соединений в труднодоступных для сварки и пайки местах, при ремонте изделий в полевых условиях в случаях, когда недопустима деформация соединяемых деталей. Перспективность использования ЭПКМ связана с тем, что они обеспечивают: низкотемпературный режим формирования электрических контактов (ЭК), так как

температура отверждения ЭПКМ может быть выбрана в пределах 20°С- 100°С с учетом свойств контактируемых материалов и сопряженных с ними диэлектрических материалов

плат и различных защитных покрытий;

-возможность контактирования в труднодоступных местах изделия;

-отсутствие процесса растворения контактируемых металлов припоем (эффекта выщелачивания);

-отсутствие влияния на структуру и свойства контактируемых материалов;

-возможность организации групповой автоматизированной технологии сборки и монтажа;

-уменьшение объема сборочных и монтажных операций и упрощение технологического оборудования, в том числе часто за счет совмещения сборочных и монтажных операций;

-возможность варьирования свойств ЭК за счет корректировки ингредиентов композиционных ЭПКМ;

-совместимость по температурным характеристикам контактируемых материалов в сопряженной токопроводящей системе изделия;

-возможность исключения из ЭПКМ растворителей и летучих продуктов химических реакций при отверждении;

-упрощение контроля качества микромонтажа и выполнения ремонтных работ;

-возможность использования в составе ЭПКМ фотополимеров, позволяющих существенно повысить эффективность сборочно-монтажных операций и качество ЭК;

-возможность получения пленочных ЭПКМ с анизотропными свойствами, позволяющими заметно уменьшить удельное сопротивление ЭК;

-перспективу существенного снижения стоимости сборочно-монтажных работ и себестоимости изделия в целом.

ЭПКМ, называемые контактолами (с удельным объемным сопротивлением после отверждения <0,01 Ом·см), и применяемые для микроконтактирования в изделиях микроэлектроники (ИМЭ), по составу можно разделить на две основные группы. Первая группа – наполненные полимеры, электрическая проводимость которых обусловлена совокупностью проводящих це-

1

почек, образуемых введением в полимер электропроводящих компонентов в виде мелкодисперсных частиц металла (например: Ag, Au, Ni, Mo, W и др.). Вторая группа ЭПКМ – это полимеры, электрическая проводимость которых обусловлена непосредственно их структурой, образуемой в процессе формирования (структурирования) самого полимера.

Контактолы в виде наполненных полимеров.

Контактолы первой группы находят пока еще преимущественное применение и представляют собой многокомпонентные, вязкотекучие композиции, обычно включающие:

-связующее вещество;

-отвердитель;

-электропроводящий наполнитель;

-различные добавки для придания композиции необходимых свойств. Основные требования к контактолам:

-величина удельного объемного сопротивления ρV при комнатной температуре должна быть не более 10-3 Ом·см;

-высокая адгезия к соединяемым поверхностям (усилие отрыва не менее 102 кг/см2);

-вязкость должна быть такова, чтобы обеспечивать удобство применения (т.е. высокую технологичность);

-невысокая температура и минимальное время отверждения ЭПКМ.

ЭПКМ в этом случае изготавливаются чаще всего на основе эпоксидной смолы (связующего) с аминным отвердителем и наполнителем в виде серебряного порошка с частицами сферической либо чешуйчатой формы (либо их смесью) и размером 0,1-3,0 мкм. Никелевые порошки в составе контактолов используются с частицами сферической формы размером до 5 мкм (карбонильный никель) и осколочной формы размером до 40 мкм (электрооптический никель). Содержание проводящего наполнителя менее 70% массы клеевого состава заметно повышает сопротивление ЭК (при содержании серебра

в ЭПКМ ≈ 85% по массе контактола его удельное сопротивление ρV достигает 10-4 Ом·см, в то время как при 70% - ρV увеличивается почти в 3 раза). В состав ЭПКМ в большинстве случаев вводятся различные добавки для придания контактолу специфических свойств (пластичности, тиксотропности, требуемой вязкости и др.). Использование в составе ЭПКМ порошка посеребренного наполнителя (никеля, меди, либо др.) с размером частиц 40-70 мкм обеспечивает повышенную стойкость порошка к окислению, снижение ρV ЭПКМ (например, никелевым наполнителем) дает экономию серебра и снижение стоимости контактола. Кроме того, важной особенностью использования никелевого порошка, покрытого серебром, является приобретение контактолом с таким наполнителем анизотропии электропроводности (при полимеризации контактола в однородном магнитном поле проводящие частицы образуют цепочки с фиксированной структурой и удельное сопротивление заметно снижается в направлении магнитного поля), что может быть

1

использовано для снижения контактного сопротивления. Механические и электрические свойства получаемых с помощью контактолов ЭК в значительной степени зависят как от технологии их формирования так и от природы контактируемых материалов. Важно отметить весьма эффективное применение для монтажа ИМЭ наполненных пленочных ЭПКМ с анизотропией электропроводности, например, марок АС-1053 и АС-5052 (см. табл.9.1),

Таблица 9.1. Основные сведения об анизотропных пленочных ЭПКМ

шить токи утечки в местах межсоединений; повысить помехоустойчивость ИМЭ, а также упростить контроль качества получения ЭК и повысить надежность соединений.

Отработка технологии формирования ЭК с использованием отечественных ЭПКМ типа КБ-4 (АУКО.029.033 ТУ) показала важность обеспечения качества подготовки поверхностей контактируемых материалов перед монтажом и необходимость учета температурной зависимости вязкости конкретного ЭПКМ при выборе способа его нанесения, фиксации контактируемых деталей и технологии отверждения.

Кроме анизотропных пленочных ЭПКМ, целесообразно применение контактолов марок: К-2 (на основе нитроклея); паст К-8, К-13, К-16, отличающихся хорошей технологичностью (в том числе с использованием трафаретной и переносной печати, а также пневмодозаторов) и низким переходным сопротивлением ЭК.

Моделируя структуру наполненного ЭПКМ в виде гетерогенной системы с равномерным распределением электропроводящих частиц и пренебрегая шунтирующим сопротивлением связующего компонента, можно рассматривать основные электрические характеристики контактола. В частности, удельное объемное сопротивление плотно упакованной однородной си-

стемы ρС, содержащей в 1 см2 сечения N проводящих цепочек по n частиц в каждой, можно выразить через сопротивление единичного контакта rk :

ρс = rk Nn ,

1

тогда ρc плотно упакованной системы, состоящей из проводящих частиц сферической формы с диаметром d определится как:

ρc = rk Nn = rk d.

(1)

Если выразить rk через сопротивление растекания, то

ρc = ρ 2dra ,

(2)

где ρ - удельное сопротивление проводящего материала, ra – радиус контактного пятна. С учетом соотношений (1) и (2), ρс системы, состоящей из частиц сферической формы, можно представить в виде:

ρc = 0.6ρ d( piE r )13 ,

(3)

где Е – модуль упругости материала проводящих частиц, r – радиус частиц, pi

– контактное давление частиц.

Контактное давление pi можно выразить через общее давление в матери-

але

(4)

тогда с учетом (3) и (4) получим:

ρc ≈ 0.8ρ(Ep )13 .

(5)

Следовательно ρс плотноупакованной системы зависит от отношения диаметров проводящих частиц и контактных пятен, а при определенном давлении в системе не зависит от размеров частиц и возрастает с увеличением твердости материала.

Если контактирование происходит через прослойки с поверхностной проводимостью γs, то ρc описывается соотношением:

ρс ≈ 0.8(Ep )23 d −1 γ s−1.

(6)

Из выражения (6) следует, что сопротивление системы возрастает с повышением степени дисперсности проводящего компонента.

С уменьшением объемной концентрации проводящих частиц контакты между ними сохраняются до очень малых значений (из-за образования цепочной проводящей системы, когда частицы наполнителя имеют вытянутую форму), тогда относительный объем проводящего компонента Vотн (а для

плотноупакованной однородной системы Vотн ≈ 0,52) можно выразить как:

Vотн = 0.5πN d 2 ,

(7)

1