книги из ГПНТБ / Егунов, А. В. Опыт применения контактно-реактивной пайки сопротивлением в производстве аппаратуры на интегральных схемах

Ленинградская организация общества «Знание» РСФСР

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ДОМ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОПАГАНДЫ

УДК 621.791

А. В. ЕГУНОВ, В. И. СЕРЕБРЯКОВ,

ГІ. Б. МЕЛИК-ОГАНДЖАНЯН

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ

КОНТАКТНО-РЕАКТИВНОЙ ПАЙКИ СОПРОТИВЛЕНИЕМ В ПРОИЗВОДСТВЕ

АППАРАТУРЫ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

Серия — Прогрессивные методы обработки конструкционных материалов

Лени н град-1974

Директивы XXIV съезда КПСС по девятому пятилетнему пла­ ну предусматривают серийный выпуск аппаратуры на интеграль­ ных схемах.

Широкое применение нашли интегральные схемы в корпусах с планарными выводами. До недавнего времени присоединение их к контактным площадкам печатных плат производилось с помощью низкотемпературной пайки оловянно-свинцовистыми припоями.

Некоторые недостатки низкотемпературной пайки (невысокая надежность, необходимость применения флюсов, лужения выводов

и контактных площадок) стимулировали изыскание новых, более совершенных способов соединения. Среди них наибольшее распро­

странение получила контактно-реактивная пайка сопротивлением,

осуществление которой стало возможным после разработки прин­ ципиально нового оборудования и применения печатных плат с никелевыми проводниками.

В дальнейшем были разработаны покрытия для нанесения на медные печатные проводники, обеспечивающие контактно-реактив­ ную пайку и вместе с тем не требующие существенного изменения технологии изготовления печатных плат, основанной на примене­ нии диэлектриков, фольгированных медью. Одновременно продол­

жались работы по усовершенствованию специального оборудова­ ния. Комплексный подход к решению проблемы позволил внедрить новый способ соединения выводов радиоэлементов с проводниками печатных плат.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СПОСОБА

КОНТАКТНО-РЕАКТИВНОЙ ПАЙКИ

Контактно-реактивная пайка сопротивлением по способу нагре­

ва является разновидностью односторонней контактной сварки. В

отличие от последней при контактно-реактивной пайке соединение

образуется между выводом интегральной схемы и контактной пло­ щадкой за счет промежуточного сплава, играющего роль припоя.

Вданном случае припой наносится на соединяемые поверхности

ввиде гальванических покрытий, образуя при нагреве соединение

3

по механизму контактно-реактивного плавления. Последнее обеспе­ чивает высокую технологичность и исключает ряд недостатков, при­ сущих как процессу контактной сварки, так и пайке низкотемпера­ турными припоями:

1)по сравнению со сваркой снижается тепловое воздействие на печатную плату вследствие более низких температур нагрева;

2)повышается стабильность качества соединений благодаря расширению диапазона допустимых температур нагрева, определя­

емого разницей температур плавления образующегося сплава и на­ иболее тугоплавкого металла контактной площадки;

3)процесс идет без флюса, применяемого при низкотемпера­ турной пайке, так как при кратковременном нагреве металл не ус­ певает окислиться, а контактнотреактивное плавление достаточно

сильно интенсифицирует процесс взаимодействия соединяемых по­ верхностей.

Известно, что контактно-реактивное плавление заканчивается

образованием эвтектики или твердого раствора с минимумом тем­

ператур плавления после развития диффузионных процессов в твер­ дой фазе. Показано, что оно может происходить и в условиях быст­

рого нагрева (5—15 мсек), приводя к образованию сплавов, ха­ рактерных для равновесных условий.

Паяное соединение образуется в межэлектродном зазоре в зо­ не максимальной плотности тока и интенсивности нагрева. Проч­ ность его определяется количеством, сплава, образовавшего галтель: fio данным механических испытаний соединений с оптимальным размером галтели, прочность их на отрыв под углом 90° обставля­ ет в среднем 250 г, разрушение при *этом поступает не по сплавуприпою, а по адгезионному слою между контактной площадкой и подложкой печатной платы. Коэффициент вариации прочности на отрыв составляет 12,5% против 14,2% у соединении, паянных оло­ вянно-свинцовистым припоем.

При контактно-реактивной пайке сопротивлением ввиду крат­

ковременности нагрева температурное воздействие на интегральную схему практически исключено. На основании тепловых расчетов ус­ тановлено, что по мере удаления от оси межэлектродного зазора температура вывода интегральной схемы быстро падает и на рас­ стоянии 1 — 2 мм от корпуса остается на уровне комнатной. Это

подтверждено прямыми измерениями температур нагрева вы­

водов.

Электрические, климатические и механические испытания бло­

ков аппаратуры, выполненных на интегральных схемах и защищен­

прочность и коррозионная стойкость паяных соединений находятся на уровне требований технических условий. Переходное сопротив­

ление паяных соединений не превышает (2—3) 10^3 ом и практи­

чески не изменяется во время климатических испытаний при усло­ вии защиты лаком.

4

РАЗРАБОТКА НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КОНТАКТНО-РЕАКТИВНОЙ ПАЙКЕ

Контактно-реактивная пайка сопротивлением осуществляется

на машинах для односторонней контактной микросварки.

В нашей стране и за рубежом разработаны оригинальные об­ разцы таких машин. Они выполнены в настольном варианте, снаб­ жены электродной головкой с независимым перемещением элект­ родов друг относительно друга по вертикали (для обеспечения одинакового усилия на электродах при наличии неровностей на по­ верхности паяемых деталей) и по горизонтали (для регулирования

зазора между ними), а также стабилизатором напряжения на электродах параллельного типа.

Технические характеристики машин приведены в таблице.

Наиболее широкое применение в промышленности нашла сва­

рочная машина типа ПМС-І-02 (и ее более ранняя модификация УПС-1) — рис. 1. Кинематическая схема машины представлена на рис. 2.

Рис 1. Сварочная машина ПМС-І-02

Ножная педаль Дне показана) связана тросом с тянущей рам­ кой, соединенной в передней части ç планками; нижние концы пла­

нок имеют пазы, в которые входят штифты коромысла, способно­ го поворачиваться вокруг оси. На конце коромысла закреплены электрододержатели с электродами. На коромысло давит силовая пружина.

При нажатии на педаль прилагаемое усилие через трос пере*

дается рамке, которая начинает перемещаться назад, увлекая за собой планки. Нижние концы планок смещаются, и коромысло под действием силовой пружины начинает двигаться вниз до тех пор, пока электроды не коснутся изделия, расположенного на предмет­ ном столе. Дальнейшее движение педали, троса и связанной с

ними рамки приводит к расстыковке планок и коромысла, на ко­ торое теперь действует только усилие силовой пружины. В конце

5

хода рамка касается микровыключате^я, запускающего электриче­ скую схему управления машины. Происходит пайка. При снятии усилия с педали под действием возвратной пружины электродная головка возвращается в исходное положение.

Рукояткой электроды можно раздвигать или сближать. Благо­

даря плоским пружинам электроды могут перемещаться друг от­ носительно друга в вертикальной плоскости. Машина ПМС-І-02

Рис. 2. Кинематическая схема машины ПМС-І-02:

1 — стол; 2 — электроды; 3 — электрододержатель; 4 — коромысло; 5 — штифты; 6 — пазы; 7 — рамка; 8 — нижние планки;

9 — верхние планки; 10 — силовая пружина; 11 — возвратная пружина; 12 — микровыключатель; 13 — ось вращения; 14 — рукоятка изменения зазора; 15 — плоские пружины

имеет электромагнитный механизм подачи стола на заданный шаг, включаемый автоматически или вручную в конце обратного хода электродов.

Машина ПМС-І-02 снабжена стабилизатором напряжения на электродах.

Идеализированная внешняя характеристика источника пита­ ния сварочной машины со стабилизатором приведена на рис. 3. Она обеспечивает соблюдение соотношения ua = const = IiiR в ши­ роких пределах изменения R, где Ua — напряжение на электродах,

/н — ток нагрева при пайке, R —■ сопротивление паяемого участ­ ка деталей (т. е. сопротивление нагрузки силового трансформато­ ра источника питания).

При номинальном значении сопротивления Ri (которому отве­

чает площадь сечения деталей sɪ) через детали проходит ток

6

Jhi, что соответствует работе источника питания в точке 1 внеш­ ней характеристики.

Если толщина золотого покрытия па выводе интегральной схе­ мы, например, оказалась ниже номинального значения, то это при­

Рис. 3. Внешняя характеристика сварочной машины со стабилизатором напряжения на электродах (условно)

Следовательно, плотность тока /, определяющая интенсивность нагрева, меняется незначительно, так как изменения тока и пло­

C увеличением температуры нагрева растет удельное электро­ сопротивление металлов. Стабилизатор, согласно описанному вы­ ше механизму регулирования, обеспечивает сброс мощности по мере разогрева деталей, причем, чем больше нагрев, тем больше

сброс, и наоборот.

8