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

при сравнительно невысоких температурах, в то время как окислы таких металлов, как алюминий и магний, весьма устойчивы к действию нагрева.

4. Воздействие на окисную пленку паяемого металла механическими колебаниями ультразвуковой частоты, возбуждаемыми в расплавленном припое с помощью магннтострикционных генераторов. Явление кавитации, обусловленное действием ультразвука, приводит к рас­

Часто способы пайки классифицируются в соответст­ вии с применяемым методом очистки паяемой поверхно­ сти. Тогда различают: флюсовую пайку, пайку в атмос­ фере водорода, ультразвуковую пайку и т. д.

Энергия активации. Как упоминалось выше, для воз­ никновения квантовых сил связи на границе раздела кристалл — кристалл или кристалл — жидкость необхо­ димо сообщить поверхностным атомам энергию, доста­ точную для преодоления энергетического барьера схва­ тывания. В случае пайки для этой цели обычно вводится тепловая энергия, которая наряду с активированием по­ верхностных атомов выполняет не менее важную функ­ цию— оплавление припоя.

Существуют разные методы генерирования тепловой энергии и подвода ее к паяемому соединению. Выбор того или иного из этих методов для пайки конкретного изделия определяется его совместимостью с конструк­ тивными и технологическими особенностями изделия.

Можно выделить следующие основные категории ме­ тодов нагревания паяемых соединений:

1) Электрический нагрев. Нагревание электрическим током может быть непосредственным, индукционным или за счет теплопередачи. Наиболее распространенной яв­ ляется последняя разновидность методов, к которой относится, например, использование паяльников и дру­ гих электрически нагреваемых инструментов непрерыв­ ного или импульсного действия. Индукционный нагрев осуществляется магнитным полем токов высокой часто-

70

2) Погружение в горячую ванну с припоем или рас­ плавленными солями. Метод погружения позволяет уве­ личить уровень автоматизации процесса пайки печатных плат и осуществлять прогрессивные методы групповой и избирательной пайки. Разновидностью этого метода является широко известный метод пайки волной.

3)Нагревание нейтральным или восстановительным газом. В зависимости от характера паяемого изделия горячий нейтральный или восстановительный газ может быть подведен к месту соединения в виде струи, либо может служить атмосферой печи, в которой нагревается изделие в целом.

4)Радиационный нагрев. На паяемое соединение на­ правляется сфокусированный световой, лазерный или электронный луч.

Часто пайку классифицируют в соответствии с при­ меняемым методом нагрева. Таким образом, различают: пайку паяльником, сопротивлением, струей горячего га­ за, лазерную пайку и т. д.

Степень и длительность нагрева паяного соединения существенно влияет на его прочностные и электрические качества, так как основные физико-химические и метал­ лургические явления, протекающие в нем, весьма чувст­ вительны к температуре и времени ее воздействия в про­ цессе пайки. На практике оптимальную температурупайки и продолжительность нагрева выбирают на осно­ вании экспериментально снятых кривых зависимости от них основных параметров соединения. В качестве при­ мера на рис. 3.4 показана зависимость предела прочно­ сти стальных образцов, паяных медью, от выдержки при температуре пайки [36]. Как видно из рисунка, график имеет отчетливый максимум.

Зазор. Одно из основных условий пайки — наличие зазора между паяемыми поверхностями. Жидкий припой, смачивающий эти поверхности, в силу явления капил­ лярности затекает в зазор и заполняет его.

При погружении в жидкий припой паяемых провод­ ников, например, металлизированного отверстия печат­ ной платы и вывода какого-либо элемента (рис. 3.5), размеры зазора между ними во многом определяют ха­ рактер капиллярного затекания жидкого припоя.

71

J7

тем сильнее, чем уже и длиннее зазор, чем больше по­ верхностное натяжение жидкости и чем лучше она сма­ чивает поверхность капилляра.

С другой стороны, скорость v движения фронта при­ поя в зазоре прямо пропорциональна величине зазораD

где г) — вязкость припоя; / — высота шва; остальные обо­ значения те же, что и в формуле (3.1)..

Таким образом, если зазор окажется слишком боль­ шим, припой может не подняться до его верхнего края. Кроме того, быстро движущийся поток припоя может оставлять за собой незаполненные полости. Последнее явление становится особенно заметным при неодинако­ вой смачиваемости паяемых поверхностей. В этом слу­ чае скорость течения припоя неодинакова по сечению за­ зора: ближе к хорошо смачиваемому металлу припой движется быстрее (рис. 3.6).

Как будет показано ниже, величина зазора между паяемыми металлами существенным образом влияет на

72

электрические и прочностные параметры паяного соеди­ нения.

Переходное сопротивление. В паяном соединения пе­ реходное сопротивление обусловлено целым рядом фи­ зико-химических и металлургических процессов, проте­ кающих в этом соединении во время и после его образования. Учесть влияние всех этих процессов на величину переходного сопротивления невозможно. Ниже схематически рассматриваются лишь основные из них..

Обратимся к упрощенной схеме стыкового паяного соединения (рис. 3.7). Такое соединение представляет собой слой литого припоя толщиной, равной зазору D, окруженный с обеих сторон продуктами его взаимодей-

ствия с основными металлами — интерметаллическими соединениями различного состава и областями взаимной диффузии. Кроме того, в местах пайки даже после очи­ стки сохраняются остатки непрореагировавших флюсов,

Рассмотрим по отдельности вклад каждого из компо­ нентов этой структуры в переходное сопротивление со­ единения, имея в виду, что в реальных конкретных слу­ чаях может не быть той или иной фазы приведенной мо­ дели или же распределение различных областей может принимать какую-либо другую форму.

73

i . Удельное электрическое сопрошвление припоя, за­ полняющего зазор между паяемыми проводниками, обычно значительно выше удельных сопротивлений са­ мих проводников. Например, оловянио-свинцовые припои

равномерность градиента напряжения вдоль соединяемых проводников.

Составляющая переходного' сопротивления Ru, обус­ ловленная низкой электропроводностью припоя, может

припоем часто образуются слои интерметаллических со­ единений;- как, например, при пайке меди оловом. Кри­ сталлическое строение таких соединений более упорядо­ чено, чем твердых растворов соответствующих металлов, поэтому они обладают меньшими удельными сопротив­ лениями. Тем не менее они, как правило, менее элек­

где S —площадь поперечного сечения проводника; рг— удельное сопротивление t-ro слоя; U— его толщина.

3. Определенное действие на переходное сопротивле­ ние паяного1 контакта оказывает и влияние диффузии припоя в основной металл и основного металла в при­ пой. Диффузионный слой представляет собой твердый, раствор переменного содержания. Как правило, в боль­ шей части диапазона концентраций удельное сопротив-

74

ление твердого раствора значительно превышает удель­ ные сопротивления составляющих его металлов. Общее сопротивление слоя, таким образом, равно

новного металла в припой и припоя в основной металл. Толщина слоя монотонно увеличивается с течением вре­ мени и тем быстрее, чем выше температура. Для оценки величин укажем, что непосредственно после пайки меди серебряным припоем ПСр-45 диффузионный слой со стороны основного металла составляет 1,5 . . . 2 мкм, а со стороны припоя — 7 ... 10 мкм.

4. По периметру проводника в непосредственной бли­ зости от места соединения пайкой часто наблюдается коррозия основного металла. Это может быть обусловле­ но либо корродирующим действием оставшегося флюса, либо наличием между металлом и припоем большой раз­ ности электрохимических потенциалов. Такая разность электрохимических потенциалов в сочетании с адгезион­ ными пленками жидких загрязнений (действующих как

вблизи соединения уменьшается, что приводит к стяги­ ванию в этом месте линий тока (см. § 1.2) и увеличению переходного сопротивления соединения.

вносящих эти сопротивления, их велнчи-нььне поддаются расчету.. Однако они могут быть ликвидированы -либо, сведены к минимуму соответствующим выбором материа-! лов и конструкции паяного соединения. Для этого кон­ структор должен предусмотреть следующее:

75

1. Площадь сечения слоя припоя должна быть значи­ тельно больше площади сечения паяемого проводника,

авеличина зазора — минимальной.

2.Припой не должен диффундировать в основной ме­ талл или образовывать с ним интерметаллические со­ единения.

3.Электрохимические потенциалы основного металла

и припоя должны быть близки друг другу по величине. 4. Паяемое соединение должно быть защищено по­

крытием.

Прочность паяного соединения. Предел прочности пая­ ного соединения определяется пределом прочности само­

являются интерметаллические образования. Как прави­ ло, такие соединения весьма хрупки и не отличаются повышенной прочностью. Поэтому с точки зрения меха­ нической надежности контакта при выборе системы ме­ талл — припой, а также технологического режима необ­ ходимо предусмотреть невозможность образования интерметаллидов.

Собственно литой припой почти всегда менее прочен,

строят зависимость предела прочности соединения от

76

риванию твердых тел вообще и металлов в частности при

адсорбированных газовых и жидкостных пленок, которые предотвращают возникновение непосредственного кон­ такта между кристаллическими решетками соприкасаю­ щихся тел.

Для осуществления сваривания в общем случае в той или иной пропорции вводят в место соединения энергию

пластичность металла, и при наличии достаточного ме­ ханического давления металл течет вдоль поверхности раздела, унося с собой обломки окисных и других по­ сторонних пленок. Вступают в непосредственный контакт

В предельном случае, когда нагрев доводит металлы до расплавления, объемы жидких металлов сливаются в одну сварочную ванну, и при затвердевании этой ван­ ны происходит сваривание без механического давления (термическая сварка). Возможен также и противополож­ ный предельный случай, когда сваривание осуществля­ ется с помощью одного лишь механического давления (холодная сварка).

В общем случае при сварке в место соединения по­ мимо энергии может быть введено и вещество (присад­ ка). Однако те методы сварки, которые нашли в элек­ тронике широкое применение, как правило, не использу­ ют присадок.

Характер микроструктуры сварного шва и металли­ ческой связи между сваренными металлами определяет­ ся термомеханическим режимом сварки:

78

1. В случае сварки с плавлением металлов у поверх­ ности раздела образуется ванночка жидких металлов, которая после прекращения подачи тепла начинает кри­ сталлизоваться. Поскольку отвод тепла происходит че­ рез окружающий ванночку твердый металл, то кристал­ лизация начинается, как правило, от граничащих с ван­ ночкой слегка оплавленных зерен. Поэтому образующие­

весьма малые размеры, так как время пребывания си­ стемы при высоких температурах мало, а степень дефор­ мации велика. Характер металлической связи в этом случае также внутрикристаллический.

3. В случае холодной сварки методом глубокой пла­ стической деформации или с нагревом до температур, меньших температуры рекристаллизации, пограничные зерна свариваемых металлов измельчаются и вследствие неодинакового течения этих металлов зерна перемеши­ ваются. Сварной шов-приобретает расплывчатую и весь­ ма мелкодисперсную структуру. Металлическая связь при таком методе сварки имеет межкристаллитный ха­ рактер.

Близким к этому с точки зрения микроструктуры и природы связи является сварной шов, полученный воз­ действием ультразвуковой энергии (см. ниже). Знако­ переменная механическая деформация также приводит к измельчению и перемешиванию поверхностных кри­ сталлитов; и хотя ультразвуковая энергия частично рас­ ходуется на нагрев свариваемых поверхностей, этот на-

79