током. Использование аргона при дуговой сварке обеспечивает чистоту химического состава литого металла и создает благоприятные условия для формирования структуры шва.

Холодная сварка (рис. 9) осуществляется за счет пластической деформации соединяемых деталей, под действием больших механических усилий.

Рис. 9. Схема холодной сварки:

1 – пуансон; 2 – прижим; 3 – свариваемые детали

Метод применяется для соединения внахлестку тонких (до 1 мм) дета-

лей.

Диффузионная сварка основана на соединении деталей в результате ползучести под действием приложенного давления в контролируемой атмосфере.

Диффузионная сварка позволяет сваривать разнородные материалы, обеспечивает высокую точность, придаваемые усилия колеблются в пределах 5…20 МПа. Недостатками метода являются высокая энергоемкость и низкая производительность (соединение длится 5…20 мин).

Газовая сварка применяется для сварных соединений из тонколистовой стали с целью предупреждения прожогов, для соединения деталей из легких сплавов с минимальными деформациями. В качестве горючей смеси используют ацетилен или природный газ и кислород.

1.2. Технология электрических соединений

Методы создания монтажных соединений

В производстве современной электронной аппаратуры (ЭА) операции сборки и монтажа занимают значительный объем. Их трудоемкость составляет на данный период 50…70 % общей трудоемкости изготовления изделий. Микроминиатюризация компонентов и функционально сложных электронных устройств в значительной степени повышает плотность упаковки элементов в единице объема. Так, создание сверхбольших интегральных схем (СБИС) позволило достичь плотности упаковки 106…107 1/см3, что является физическим пределом в настоящее время. Но методы монтажа ЭА не обеспечивают достижения такой высокой плотности упаковки во всем объеме изделия. Если в блоках на печатных платах аппаратуры второго поколения плот-

19

ность монтажа составляет 10…15 соединений на 1 см2, то в аппаратуре третьего поколения 40…50. В современных многослойных коммутационных платах на керамической подложке минимальная ширина линий и зазоров между ними уменьшена до 0,2…0,4 мкм, а минимальный диаметр переходных отверстий – до 0,1 мкм, что позволило достичь плотности монтажных соединений 100…150 на 1 см2, а в многокристальных модулях на подложке из полиимида – до 200 на 1 см2.

Прогрессирующая микроминиатюризация компонентов, применение поверхностного монтажа вызывают необходимость разработки перспективной технологии монтажных соединений для создания ЭА с высокой надежностью внутриблочных и межблочных соединений. Традиционные процессы монтажа не обеспечивают необходимой производительности и высокого процента выхода годных изделий. Низкий уровень автоматизации процессов, применение ручного труда на отдельных операциях не способствуют высокому качеству соединений. Статистические данные показывают, что 50…80 % всех отказов в аппаратуре происходит вследствие дефектов монтажных соединений, причем обнаружение и исправление отказа на этапе сборки блока обходится в 1000 раз дешевле, чем при испытаниях аппаратуры.

Для разработки новых, более эффективных процессов монтажа ЭА необходимы: углубленное изучение физико-химических основ формирования соединений, рациональный выбор методов активации, применение новых материалов и автоматизированного оборудования со встроенными системами контроля.

Основные требования, предъявляемые к электрическим соединениям при монтаже ЭА:

•минимальное электрическое переходное сопротивление в зоне контак-

та;

•механическая прочность, близкая к прочности соединяемых материа-

лов;

•стабильность электрических и механических параметров во времени при внешних воздействиях;

•высокая надежность и долговечность в заданных условиях эксплуата-

ции;

•экономичность и производительность процесса создания;

•легкость и достоверность контроля качества.

Низкое электрическое переходное сопротивление и высокая механическая стабильность соединений достигаются за счет сил атомной связи, при которой атомы контактирующих металлов, оставаясь в узлах кристаллической решетки, отдают со своих внешних оболочек электроны, коллективизируемые в виде электронного газа. Для возникновения металлической связи необходимо атомы металлов сблизить до расстояния 1—10 нм и ввести энергию в зону соединения.

Энергия может быть введена посредством нагрева, давления или трения. При нагреве с ростом температуры увеличивается подвижность атомов, а с появлением жидкой фазы значительно возрастает скорость диффузии.

20

Давление необходимо для сближения взаимодействующих металлических поверхностей на расстояния, при которых действуют силы Ван-дер- Ваальса. При степени деформации больше 50 % благодаря диффузии возникает металлическая связь. При перемещении механических поверхностей относительно друг друга в процессе трения в месте соприкосновения макровыступов поверхности создаются высокие удельные давления, которые приводят к пластическому течению или расплавлению металла.

Серьезным препятствием для контактирования являются жировые пленки и химические оксиды на поверхности соединяемых металлов. Удаление этих пленок химическими (флюсованием, обезжириванием) или физическими (ультразвуком, плазменной очисткой) методами является неотъемлемой частью процесса образования соединения.

Методы создания электрических соединений основаны на непосредственном контактировании соединяемых материалов и использовании промежуточных материалов в зоне соединения (рис. 10).

Рис. 10. Классификация методов выполнения электрических соединений.

Непосредственное контактирование соединяемых материалов осуществляют под воздействием давления (холодная сварка, накрутка, обжимка), теплоты и давления (различные методы сварки), давления и физического воздействия (УЗ-сварка). Соединения с промежуточными материалами в виде присадок припоя (пайка) или токопроводящего клея (склеивание) выполняют под действием давления и теплоты.

Наиболее важным показателем электрических соединений является пе-

реходное электрическое (контактное) сопротивление.

21

Сравнительная характеристика параметров электрических соединений, выполненных различными методами, приведена в табл. 3.

Табл. 3. Параметры электрических соединений

Паяные электрические соединения нашли самое широкое применение при монтаже ЭА благодаря следующим достоинствам: низкому и стабильному электрическому сопротивлению, широкой номенклатуре соединяемых металлов, легкости автоматизации, контроля и ремонта. Недостатки паяных соединений связаны с высокой стоимостью используемых цветных металлов, необходимостью удаления остатков флюса, низкой термостойкостью.

Сварные электрические соединения по сравнению с паяными имеют следующие преимущества: более высокая механическая прочность, отсутствие присадочного материала, меньшая площадь контакта. К недостаткам следует отнести: критичность при выборе сочетаний материалов, увеличение переходного сопротивления из-за образования и нтерметаллидов, сложность группового контактирования и ремонта.

Электрические соединения, основанные на пластической деформации элементов в холодном состоянии (накрутка и обжимка), характеризуются высокой механической прочностью, низким переходным электрическим сопротивлением, легкостью механизации, экономичностью и надежностью при эксплуатации. К недостаткам относятся: необходимость специальных контактирующих элементов, увеличенная площадь контакта.

Накрутка – это соединение оголенного провода со штыревым выводом, имеющим острые кромки, путем навивки провода на вывод с определенным усилием. При этом кромки штыря, частично деформируясь, врезаются в провод, разрушая на нем оксидную пленку и образуя газонепроницаемое соединение. Концентрация напряжений в зоне контакта и значительное давление (до 15…20 МПа) обусловливают взаимную диффузию металлов, что способствует повышению надежности соединений.

Обжимка представляет собой способ образования контактного соединение под действием сильной пластической деформации соединяемых элементе, вследствие холодной текучести контактирующих поверхностей между соединяемыми материалами образуется газо- и вибростойкое соединение.

Токопроводящие клеи в отличие от припоев отверждаются при более низких температурах, что не вызывает изменения структуры соединяемых материалов. Токопроводящие клеи – контактолы – относятся к гетерогенным структурам, в которых связующим являются различные смолы, а наполнителем – порошки серебра, золота, палладия, никеля, меди, графита. Основную

22