Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Специальные методы сварки плавлением в электронике. Учебное пособие для бакалавров
.pdf
помог создать совершенно новые изделия во многих отраслях
современной техники: в машиностроении, космической технике, электронике, авиации, корабле- и приборостроении.
Но главное, что сделал в мировой науке Николай Федотович, — он сформулировал следующее определение диффузионного соединения: «Диффузионная сварка в твердом
состоянии — способ получения монолитного соединения, образовавшегося вследствие возникновения связей на атомарном
уровне, появившихся в результате максимального сближения
контактных поверхностей за счет локальной пластической
деформации при повышенной температуре, обеспечивающей
взаимную диффузию в поверхностных слоях соединяемых
материалов».
В этом определении два ключевых слова: «диффузия»
и «соединение». Процесс соединения характеризуется сращиванием материалов и их превращением в одно целое. К основным
параметрам этого метода относятся температура, давление,
время, а их удельное значение зависит от физико-химических
и механических свойств соединяемых материалов, состояния
их поверхностей, степени разрежения, конструктивных особенностей и др. Это определение было принято Международным институтом сварки в качестве определяющего
1
.
1.2. Особенности сварки деталей
и узлов электронных приборов
Работоспособность практически всех изделий электронной техники в значительной степени определяется качеством соединений деталей и узлов. Удельный вес операций
с использованием сварки составляет довольно значительные
величины от общей трудоемкости изготовления различных
типов приборов: ПУЛ — 46–48%, CBЧ-приборов — 18–20%,
дискретных полупроводниковых приборов и интегральных
1
Конюшков Г. В., Мусин Р. А. Специальные методы сварки давлени-
ем: Учеб. пособие. — Саратов: Ай Пи ЭР Медиа, 2009. — С. 85.
11
микросхем — 20–75%. Велика доля сварочных операций
и при изготовлении вакуумного откачного оборудования, вакуумных и водородных печей, насосов, сварочных установок
и другого оборудования
2
.
Выпрямительные и приемно-усилительные лампы
(ПУЛ), электронно-лучевые и фотоэлектронные, генераторные мощные усилительные и газоразрядные приборы,
несмотря на различное назначение и разнообразие конструкций, состоят из элементов, наличие которых характерно
для всех групп. К этим элементам относятся катоды, аноды,
замедляющие системы, выводы энергии, оболочки и т. д. Элементы имеют сходное исполнение и могут быть изготовлены
из одних и тех же материалов по типовым технологическим
процессам.
На рис. 1.1 представлены элементы различного оборудования, изготавливаемого в большинстве случаев из стыковых
и угловых соединений труб и труб с листами.
Требования к сварным соединениям определяются свойствами соединяемых материалов, назначением узлов и условиями эксплуатации электронных приборов и оборудования.
В электронной технике наиболее широкое применение
находят медь марок МБ и МВ (медь бескислородная и медь
вакуумной плавки чистотой 99,999% меди), нержавеющая
сталь 12Х18Н10Т, ковар марки 29Н18К, никель, а также тугоплавкие металлы и их сплавы: титан, молибден, вольфрам,
ниобий, рений и другие в литом или порошковом изготовлении.
Известно, что только в электровакуумном производстве используется более 300 марок металлов и сплавов. Как ни в какой другой области техники, широкое применение находят
керамика, стекла, ситаллы, ферриты, керметы, кремний,
германий и другие неметаллические и полупроводниковые
материалы. Сваркой плавлением изготавливают чаще всего
замедляющие системы, анодные блоки и, как правило, оболочки ЭВП СВЧ-диапазона.
2
Конюшков Г. В., Мусин Р. А. Указ. соч. — С. 85.
12
¦
à)
¦
¦
¦
á)
Рис. 1.1. Положение шва при сварке:
стыковых (а) и угловых (б) соединений труб
¦
¨
3
:
Н1 — нижнее при горизонтальном расположении осей труб,
свариваемых с поворотом; Н2 — нижнее при вертикальном
расположении оси трубы, свариваемой без поворота или с поворотом
и горизонтальном расположении оси трубы, привариваемой с поворотом;
В1 — переменное при горизонтальном расположении осей труб
(трубы) свариваемых без поворота (на подъем); В2 — переменное
при горизонтальном расположении осей труб (трубы) свариваемых
без поворота (на спуск); Г — горизонтальное при вертикальном
расположении осей труб, свариваемых без поворота или с поворотом;
Н45 — переменное при наклонном расположении осей труб (трубы)
свариваемых без поворота; П2 — потолочное при вертикальном
расположении оси трубы, свариваемой без поворота или с поворотом
Замедляющие системы, анодные блоки являются важнейшими элементами практически всех СВЧ-приборов. Замедляющие системы ряда ЛОВ и ЛБВ (ламп обратной волны и ламп
бегущей волны) выполняют одновременно и функцию оболочек
приборов. Их соединения должны иметь высокую вакуумную
плотность при термических нагрузках.
3
Сборник нормативных документов системы аттестации сварщиков
и специалистов сварочного производства РД 03-495-02. — М., 2002. — С. 75.
13
Оболочки приборов обеспечивают взаимное расположение элементов, механическую прочность и жесткость всего
прибора при различных статических и динамических нагрузках, получение внутри прибора вакуума и его сохранение при
работе в различных температурных условиях. Через детали
оболочки во внешнюю среду передается основное количество
выделяемой в приборах тепловой энергии. В некоторых приборах по металлическим деталям оболочек текут значительные
по величине и частоте токи. Поэтому соединения деталей
оболочки должны обладать высокой точностью, статической,
динамической прочностью и формоустойчивостью, теплои электропроводностью, вакуумной плотностью, малой газопроницаемостью при термоциклических нагрузках. Нередко
к оболочкам приборов предъявляются жесткие требования
по стойкости к воздействию агрессивных сред и радиации.
Одним из наиболее важных условий надежности и дол-
говечности электровакуумных приборов (ЭВП) является
способность их вакуумных оболочек сохранять герметичность
в процессе изготовления и эксплуатации. Наблюдаемые
на практике натекания через сквозные неплотности в оболочках могут отличаться по скорости на несколько порядков:
от 10
–10
до 10
–20
Па. Допустимая величина натеканий современных ЭВП СВЧ исходя из условий работоспособности в течение
10–12 лет не должна превышать 133,3 × (10
–20
... 10
–21
) Па·м 3/с.
Пример устройства металлокерамического СВЧ-прибора, откачиваемого камерным способом, например камерной
и гнездовой откачкой ЭВП, см. на рис. 1.2.
При изготовлении оболочек необходимо получать отвечающие этим требованиям соединения меди, железа, никеля
и других металлов и их сплавов друг с другом, а также со стеклом и вакуумно-плотными керамическими материалами. В настоящее время широко применяются пайка твердыми припоями, аргонодуговая, электронно-лучевая, холодная и другие
способы пайки и сварки.
Применение сварки в электронике позволяет не только получить качественные соединения отдельных деталей, но и раз-
14
работать принципиально новые технологические процессы,
улучшающие качество изделий электронной техники.
Рис. 1.2. Металлокерамический СВЧ-прибор, откачиваемый камерным
способом, например камерной и гнездовой откачкой ЭВП
4
Весьма перспективными направлениями являются совмещение операций спекания порошков с их одновременной
приваркой к металлам, присоединение проводников в микросхемах к тонким пленкам и полупроводникам и др.
5
Помимо
конструктивных назначений сварных изделий они должны
удовлетворять требованиям их применения и эксплуатации,
прежде всего климатическим воздействиям: параметрам зоны
умеренного климата, зоны пустынь, районов тропического климата, морского тумана, Арктики, Антарктики и Гренландии.
Высотные условия, параметры вибрации и ударных воздействий также требуют учитывать их параметры при сварке.
Все сварные соединения в зависимости от конструктивных
размеров соединяемых элементов в месте сварки, условий
работ и предъявляемых требований можно условно разделить
на три категории
6
.
1. Микросоединения круглых или плоских металлических
выводов, выводов 5–500 мкм или этих выводов к поверхности
полупроводников, диэлектриков или металлических пленок
толщиной 0,05–5 мкм. Для материала выводов используются
4
Конюшков Г. В., Копылов Ю. Н. Диффузионная сварка в электро-
нике. — М.: Энергия, 1974. — С. 19.
5
Конюшков Г. В., Мусин Р. А. Указ. соч.
6
Костенко Е. М. Сварочные работы: Практическое пособие. —
М.: НЦ ЭНАС, 2006.
15
золото, серебро, алюминий, медь, позолоченный ковар или
никель. Контактные площадки на полупроводниках, вакуумноплотных, магнитных, пьезоэлектрических керамиках и стеклах
изготавливаются из алюминия, золота, меди, никеля и серебра.
Область контакта полупроводника с металлом должна иметь
низкое удельное сопротивление (менее 1 Ом × см).
2. Сварные соединения приборов и устройств, которые
при достаточном уровне прочности и контролируемом уровне
деформации должны быть вакуумно-плотными при проверке
масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем чувст-
–11 м3
вительностью не хуже 6,5 × 10
Па/с после прогревов в течение десятков часов до температуры примерно 973–1073 K
и 20-кратном термоциклировании по режиму 293–1073–293 К,
эксплуатации в полевых условиях и хранении на складах в течение 10–12 лет.
3. Сварные соединения сборочных единиц, имеющих
необходимый запас прочности, к которым не предъявляются
требования по вакуумной плотности.
Помимо указанных требований, методы сварки, применяе-
7
мые в электронной технике, должны обеспечивать
:
сохранение на исходном уровне специфических свойств
свариваемых материалов и параметров микросхем;
соединение без применения припоев, флюсов и без огра-
ничения соотношения толщин одноименных и разноименных
металлических материалов, а также металлов с полупроводниками, керамиками, стеклами и другими неметаллическими
материалами;
прочность сварных соединений, которая должна со-
ставлять не менее 0,8 предела прочности наименее прочного
из свариваемых материалов;
уменьшение использования драгоценных и дефицитных
материалов;
100%-ный контроль качества соединений в процессе
сварки;
7
Костенко Е. М. Указ. соч.
16
создание высокопроизводительного автоматического
сборочног о оборудовани я на основе у нифици рованной конст руктивно-узловой базы с активным управлением технологическими процессами сварки для многономенклатурного производства
изделий с аффективной эксплуатацией в течение 5–7 лет.
Названным требованиям удовлетворяет большинство из из-
вестных методов сварки, разумеется, в той или иной степени.
Качество сварного соединения и стабильность параметров
процесса зависят также от ряда факторов, объединяемых понятием «качество процесса сварки» (рис.
1.3). К ним относятся
технический уровень применяемого оборудования, надежность
его системы и контрольно-измерительной аппаратуры. Существенное влияние оказывают также качество и надежность
применяемой сварочной оснастки (приспособления, обеспечивающие центровку, передачу давления и температуры, экранирующие устройства и др.), профессиональный уровень оператора
и качество подготовки деталей к сварке.
¬КДЗ»БШЦГКИДМ¹Л¹ПББ
£ЗЖКЛЙМГЛБ»ЖФ¾Н¹ГЛЗЙФ
¡ÊÎǽÆÔ¾
ȹɹžËÉÔ
ɾ¿ÁŹ
«¾ÎÆÁоÊÃÁÂÌÉÇ»¾ÆÕ
БЖ¹½¾¿ЖЗКЛХЗºЗЙМ½З»¹ЖБШ
£¹Ð¾ÊË»Ç
ÇÊƹÊËÃÁ
£¹Ð¾ÊË»Ç
Ê»¹ÉÆǼÇ
ÊǾ½ÁƾÆÁØ
£¹Ð¾ÊË»Ç
ÈÉÇϾÊʹ
Ê»¹ÉÃÁ
¨Ç½¼ÇËǻù
½¾Ë¹Ä¾ÂÃÊ»¹Éþ
£¹Ð¾ÊË»Ç
ÁÊÎǽÆÔÎ
Ź˾ÉÁ¹ÄÇ»
¦¹½¾¿ЖЗКЛХ
БАЕ¾ЙБЛ¾ДХЖФОИЙБºЗЙЗ»
£»¹ДБНБГ¹ПБШ
ÇȾɹËÇɹ
Рис. 1.3. Факторы, определяющие качество соединения
8
Конюшков Г. В., Копылов Ю. Н. Указ. соч.
8
17
Можно показать, что некоторое отличие качества соединений одних и тех же сочетаний материалов, наблюдаемое у разных исследователей, объясняется, видимо, расхождениями
в качестве процесса и в оценке свойств соединений.
1.3. Теоретические основы образования
соединения при сварке плавлением
1.3.1. Сварочная дуга и сущность
протекающих в ней процессов
Наиболее распространенным способом сварки плавлением является электродуговая сварка. Прмерно 70–80% всех
операций по сварке изделий практически во всех отраслях
техники приходится на этот метод сварки с его многочисленными разновидностями.
Электрическая дуговая сварка классифицируется
по не с кольким признакам.
По способу воздействия дуги на металл:
1) сварка дугой прямого действия плавящимся электродом
(способ Славянова), рис.
и изделием. Сварочный шов образуется за счет материала
плавящегося электрода и оплавления кромок свариваемых
изделий;
2) сварка неплавящимся электродом (способ Бенардоса),
рис.
1.4, б. Дуга горит между неплавящимся угольным или
вольфрамовым электродом и изделием. Сварочный шов образуется за счет оплавления кромок изделия и плавления
присадочного прутка металла, подаваемого в зону сварки.
Электрод нужен только для возбуждения и поддержания
горения дуги;
3) сварка косвенной дугой. В сварочную цепь включены
два электрода, а основной металл нагревается за счет теплоотдачи столба дуги, рис.
1.4, а. Дуга горит между электродом
1.4, в;
18
4) сварка трехфазной дугой, рис.
1.4, г — дуга горит между
электродами, а также между каждым электродом и изделием.
В последних двух случаях электроды могут быть плавящимися
либо неплавящимися.
а) б) в) г)
Рис. 1.4. Сварочные дуги:
а) прямого действия; б) неплавящимся электродом
(способ Бенардоса); в) косвенного действия; г) прямого
действия двумя электродами при трехфазном токе
По степени механизации процесса: ручная полуавтоматическая и автоматическая сварка. При ручной сварке подача
электрода и перемещение его относительно свариваемых кромок производятся рукой сварщика. При полуавтоматической
сварке подача электрода механизирована, а при автоматической сварке механизированы подача электрода и его перемещение относительно изделия или перемещение изделия
относительно электрода.
По роду сварочного тока: сварка на переменном, постоянном и выпрямленном токе.
По виду защиты дуги: сварка открытой (видимой сварщиком) либо закрытой дугой, т. е. под слоем плавящегося флюса.
Открытая дуга может быть защищена струей газа, вдуваемого
в зону сварки, например аргона, углекислого газа.
По виду электрода: сварка штучным электродом, проволокой, ленточным электродом, порошковой проволокой или
лентой.
19
При дуговой сварке расплавление кромок соединяемых
деталей и присадочного материала производится за счет
тепла, выделяющегося при горении электрической дуги в газовой среде. При нормальных условиях газы ток не проводят,
а в дуге они ионизируются и приобретают электропроводность.
После касания и отдаления электрода от изделия напряжение резко падает, что увеличивает плотность тока
эмиссии и приводит к ионизации атомов газа в электродном
промежутке, а это, в свою очередь, — к падению напряжения
до предела устойчивого горения дуги. Ионизация приводит
к образованию положительных и отрицательных ионов. Положительно заряженные ионы перемещаются к катоду-изделию, а отрицательно заряженные ионы — к аноду-изделию
(при прямой полярности тока).
Возникновение сварочной дуги происходит в четыре этапа
(рис. 1.5).
Дуга, горящая между электродом и изделием при прямой
полярности на воздухе, называется свободной (рис. 1.6).
В свободной дуге возникают три зоны: катодная с катодным пятном служит для эмиссии электронов; анодная
с анодным пятном, бомбардирующимся электронным потоком
(при прямой полярности), и столба дуги, который занимает
промежуточное положение между катодной и анодной зонами.
К катоду устремляется поток положительных ионов, которые
накаляют его до 2500–4000
о
С.
При ручной дуговой сварке покрытыми электродами температура в зоне столба дуги при сварке достигает 6000–7000 ºС
в зависимости от плотности сварочного тока.
В зависимости от применяемых электродов, рода тока
и его полярности, способа сжатия и применяемого оборудования можно идентифицировать дуги следующим образом: дугу
называют короткой, если длина ее составляет 2–4 мм, длина
нормальной дуги — 4–6 мм, дугу длиной более 6 мм называют
длинной.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]