Заводян Лабораторный практикум
.pdf.
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
|
|
Химическийсостав,вес.% |
|
|
Рабочая |
||||
Марка |
|
|
|
|
|
|
|
Температ |
|
|
|
|
|
|
|
|
температура |
||
припоя |
|
|
|
|
|
|
|
ура |
|
|
|
|
|
|
|
|
ванн, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
плавлени |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
я, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПОС-61 |
61 |
Остальн |
0,8 |
- |
0,1 |
- |
- |
183 |
220-240 |
ПОСВ-50 |
Ос |
ое |
- |
- |
50 |
- |
- |
91 |
130-140 |
(33) |
т. |
25 |
|
|
(33 |
|
|
(130) |
(170-180) |
ПОСК-50-18* |
|
|
- |
- |
) |
18 |
- |
145 |
180-195 |
ПСрОСЗ-58 |
50 |
32 |
0,5 |
- |
- |
- |
3 |
185 |
225-235 |
ПСрОСИнЗ- |
58 |
Ост. |
0,5 |
3 |
- |
- |
- |
175 |
215-225 |
56 |
56 |
Ост. |
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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
Наименование Режим операции
Материалы, |
Метод |
Усилие |
|
отрыва |
|||
инструменты |
контроля |
||
приспособления |
качества |
проволоки, |
|
иоборудование |
операции |
г |
|
|
|||
|
|
|
Обнаружение дефекты,характер разрушения.
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