книги из ГПНТБ / Смирнов В.И. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре

покрытие контактных поверхностей слоем некорродирующего металла, например золота, платины, палладия и т. п., толщиной в единицы микрон. В случае серебря­ ных контактов • часто оказывается недостаточным их пассивирование, которое, однако, несколько ухудшает паяемость. Защита серебряных контактов без ухудше­ ния паяемости (если это требуется) может быть осуще­ ствлена путем нанесения слоя специальных органиче­ ских веществ. Такая пленка, естественно, несколько уве­ личивает значение переходного сопротивления, так как

Окружающая среда часто оказывается источником агрессивных веществ и влаги, вызывающих коррозию контактных поверхностей, а также органических и дру­ гих загрязнений, способных образовывать на контакте изолирующие пленки, нарушающие его нормальную ра­ боту. Кроме того, в атмосфере, как правило, содержатся пыль и частицы различных твердых материалов, попада­ ние которых на поверхность часто коммутируемого кон­ такта и обусловливает его механическую эрозию (см. § 1.4).

При конструировании контактных устройств, особен­ но разрывных, необходимо учесть характер окружаю­ щих условий и, если нужно, предусмотреть герметиза­ цию контактного устройства. Для предотвращения окис­ ления контактов в процессе работы герметический кор­ пус может быть наполнен инертным газом, например азотом.

Помимо атмосферы, источниками агрессивных газов, кислотных паров, а также органических и других за­ грязнений могут оказаться неудачно выбранные мате­

например фторопласт, при не слишком высоких темпе­ ратурах выделяют пары чрезвычайно агрессивной фторной кислоты [27], правда, в ничтожном, но достаточном для воздействия л а контактируемые металлы количест­ ве. Другие органические изоляционные материалы и ма­ териалы, содержащие кремний, нередко оказываются причиной появления на контактных поверхностях орга­ нических и стеклообразных изолирующих пленок.

60

Таким образом, при разработке конструкции кон­ тактного устройства необходимо критически подходить к вопросу выбора материалов, учитывая их физико-хи­ мические свойства при разных температурах окружаю­ щей среды.

Наличие в конструкции трущихся деталей необхо­ димо рассматривать как потенциальную причину меха­ нического износа контактных поверхностей. Отделяю­ щиеся в результате трения частицы материала, попадая на рабочую поверхность контакта, вызывают его эрозию

индуктивных нагрузок, например обмотки реле и т. п.,

помех в -радиоэлектронном устройстве. Спектр этих по­ мех перекрывает чрезвычайно широкую полосу частот — от 10 до 10й Гц. Поэтому для предотвращения эрозии контактов и подавления помех необходимо предусмо­ треть гашение дуги или минимизацию энергии, выделяе­ мой в ней.

Рассмотрим некоторые меры борьбы с искрением ком­ мутируемого контакта.

1. Продолжительность горения дуги оределяется ускорением движения одного контактного элемента по отношению к другому в процессе коммутации, а ускоре­ ние, в свою очередь, пропорционально силе размыкания или замыкания соответственно. Поэтому для сокраще­ ния времени горения дуги и, следовательно, величины выделяемой в ней .энергии материал и конструкция под­ вижного контактного элемента должны обеспечивать ма­ ксимально допустимые усилия замыкания и размыкания контактной пары.

2. В момент замыкания разрывного контакта проис­ ходит отскакивание подвижного элемента и многократ­ ная коммутация контакта. В каждом периоде вибрации возникает новая дуга, что эквивалентно увеличению

61

нием, поглощая часть энергии вибрации. Действенной мерой является также замыкание контактных элементов под углом, приводящее к уменьшению нормальной со­ ставляющей импульса.

3. Рассмотрим основные схемные приемы искрогашения при коммутации цепей постоянного тока в случае

U=LdI/dt,

где / — ток в катушке. При быстрой коммутации вели­ чина U может достигать значений, достаточных для возникновения дуги даже при небольших напряжениях источника Суть разных методов защиты, вообще говоря, сводится либо к созданию пути малого сопротивления мимо контакта для переменной составляющей переход-

62

ного процесса, либо к искусственному уменьшению на­ пряжения и тока в цепи контакта.

Пример схемы, шунтирующей переменную состав­ ляющую, показан на рис. 2.9, где параллельно с кон­

источника питания, то #С-цепочка может быть заменена диодом (рис. 2.10).

Приведенные выше схемы и различные их вариации являются простейшими и предназначены лишь для уменьшения дуговой эрозии контакта. На практике к схемам искрогашения часто предъявляются и другие требования, в частности — подавление индуцированных

сфильтрами (рис. 2.12)

ит. д.

63

ются модификациями одного процесса, заключающегося во введении и термодинамически необратимом преобра­ зовании энергии и вещества в месте соединения [33].

Рассмотрим несколько подробнее процесс образова­ ния металлического контакта. В большинстве твердых тел, в частности, в металлах, металлоидах и интерметаллидах атомы соединяются в кристаллические образова­

незаполненные связи, так как каждый из них окружен меньшим количеством соседей, чем такой же атом, на­ ходящийся в глубине кристалла. Это пояснено на рис. 3.1 [34]. Таким образом, поверхность твердого тела обладает избыточной энергией, которой соответствует некоторый

Piic. 3.2. Потенциальные барьеры в глу­ бине и на поверхности твердого тела.

образуются адсорбированные пленки (см. § 1.2), полис стью или частично заполняющие свободные связи по­ верхностных атомов.

Для осуществления монолитного соединения такого твердого тела с другим необходимо сообщить им неко­ торое количество энергии, способное оборвать связи

стей и характеризуется углом смачивания 0, образован­ ным с одной стороны касательной к поверхности жидко­ го припоя в точке соприкосновения его с паяемой по­ верхностью и окружающей средой, а с другой стороны— проекцией этой касательной на паяемую поверхность (рис. 3.3,а). Чем меньше значение угла 0, тем лучше смачивается основной металл припоем. Предельные слу­ чаи 0 = 0 (рис. 3.3,6) и 0=180° (рис. 3.3,6) отвечают соответственно полной смачиваемости и ее отсутствию. Поскольку смачиваемость определяется энергетическими соотношениями на поверхности раздела твердой и жид-

кой фаз, очевидно, что каждому паяемому металлу или сплаву соответствуют лишь определенные припои, спо­ собные растекаться по нему.

Итак, если жидкий припой смачивает чистую поверх­ ность металла, то при его затвердевании между припоем и основным металлом возможно протекание следующих процессов [35].

1. Сцепление. Если компоненты, входящие в состав припоя, не взаимодействуют с паяемым металлом и не растворяются в нем при температуре пайки, то сцепле­ ние между ними возникает в результате образования металлической связи между кристаллическими решетка­ ми основного металла и припоя. Эта связь является связью межкристаллитного типа,' так как на поверхности раздела не кристаллизуются зерна, общие для обеих

образуя развитую поверхность сцепления для обеих фаз, значительно большую кажущейся поверхности контакта. Благодаря пайке силы межкристаллитных связей вступа­ ют в действие по всей поверхности сцепления и имеют поэтому большую величину.

Возникает вопрос: почему силы межкристаллитных связей не создают прочного постоянного сцепления контактируемых поверхностей при простом механическом нажатии? При простом механическом нажатии межкристаллитные силы сцепления действительно возникают, но только на небольшой поверхности соприкасающихся ми­ кровыступов, и поэтому эти силы невелики. Кроме того, им противостоят силы упругой деформации микровысту­ пов прижимаемых поверхностей и после снятия прижим­ ного усилия эти силы приводят к разрыву межкристал: литных связей. Поэтому постоянного контакта таким спо­ собом создать нельзя.

Манко [34] указывает, что именно механизм чистого сцепления и обусловливает влияние пайки как таковое. Другие же эффекты (диффузия и образование интерме­ таллических соединений) являются побочными, а порой

ивредными.

2.Диффузия. Если при температуре пайки или при более низких температурах возможно растворение одно­ го металла в другом, то помимо межкристаллитных сил связи наблюдается диффузия атомов припоя в паяемый металл, и наоборот. В связи с тем, что границы зерен являются областями с избыточной свободной энергией, процесс диффузии быстрее всего протекает в этих ме­ стах. Подобную картину можно наблюдать, например, при пайке железа медью [35], когда диффузия по гра­ ницам зерен иногда приводит к отделению целых кри­ сталлитов основного металла и продвижению их в глубь припоя. Как и всякий процесс диффузии, взаимная диф­ фузия припоя и паяемого металла чрезвычайно чувстви­ тельна к температуре. Поэтому развитие этого процесса сильно зависит от температуры пайки и продолжитель­ ности нагрева.

3.Интерметаллические соединения. Если паяемый металл образует с компонентами припоя интерметалли­ ческие соединения, то на границе металл — припой об­ разуются различные слои таких соединений. Медь и олово, например, образуют при определенных температу­ рах целый ряд интерметаллидов типа CUiSnj.

68

В соответствии с описанными процессами иногда различают мягкую пайку, выполненную легкоплавкими припоями без образования диффузионных областей, и твердую пайку, основным механизмом которой является взаимная диффузия припоя и основного металла.

Следует заметить, что для пайки всевозможных тех­ нических металлов и сплавов разработан чрезвычайно широкий ассортимент припоев различных составов с раз­ личными свойствами, температурами плавления, интерва­ лами кристаллизации. Подробные сведения о припоях приводятся в соответствующей литературе, посвященной технологии пайки [34, 36, 37].

Очистка паяемой поверхности. Для того чтобы припой смачивал паяемый металл, необходимо, чтобы поверх­ ность последнего была обнажена, т. е. очищена от окис-

ществления соединения. В зависимости от природы паяе­ мых металлов и конкретных технологических условий выбирается и метод удаления поверхностных пленок. Существует целый ряд таких методов, основанных на различных физико-химических эффектах. Таковыми, в ча­ стности, являются:

1. Использование органических и неорганических флюсов, которые при нагревании либо растворяют окисные пленки, либо взаимодействуют с ними, образуя про­ дукт, легко растворяющийся в расплавленном флюсе. Например, при пайке меди оловянно-свинцовым припоем наиболее распространенным флюсом является чистая ка­ нифоль, а также ее растворы в этиловом, изопропиловом или других спиртах. Флюсующее действие канифоли объясняется наличием в ее составе абиетиновой кисло­ ты С2 оЯзо02 и органических кислот, растворяющих окис­ лы меди и вообще металлов [36]. Согласно другим пред­ положениям действие канифоли сводится к образованию абиетината меди, который легко растворяется расплав­ ленной, не прореагировавшей частью канифоли [34].

2.Нагревание паяемых металлов и припоя в атмос­ фере восстанавливающего газа, например, водорода или окиси углерода.

3.Диссоциация окислов путем нагрева в вакууме или

ватмосфере нейтрального газа. Температура разложе­ ния окисла пропорциональна теплоте его образования. Окиси благородных металлов, например, диссоциируют

69