9

Лекция 14.

Тема. Монтаж с помощью контактолов и накруткой. Механизмы получения электрических соединений. Специфика применения. Материалы и средства реализации.

Монтаж эвс с применением токопроводящих клеев – контактолов.

Электропроводящие полимерные клеевые материалы (ЭПКМ) находят все большее применение в производстве ЭВС, особенно при узловой сборке и монтаже миниатюрных электронных устройств, а также при сборке и монтаже термочувствительных полупроводниковых приборов, при получении электрических соединений в труднодоступных для сварки и пайки местах, при ремонте изделий в полевых условиях в случаях, когда недопустима деформация соединяемых деталей. Перспективность использования ЭПКМ связана с тем, что они обеспечивают: низкотемпературный режим формирования электрических контактов (ЭК), так как

температура отверждения ЭПКМ может быть выбрана в пределах 20С-100С с учетом

свойств контактируемых материалов и сопряженных с ними диэлектрических материалов

плат и различных защитных покрытий;

• возможность контактирования в труднодоступных местах изделия;

• отсутствие процесса растворения контактируемых металлов припоем (эффекта выщелачивания);

• отсутствие влияния на структуру и свойства контактируемых материалов;

• возможность организации групповой автоматизированной технологии сборки и монтажа;

• уменьшение объема сборочных и монтажных операций и упрощение технологического оборудования, в том числе часто за счет совмещения сборочных и монтажных операций;

• возможность варьирования свойств ЭК за счет корректировки ингредиентов композиционных ЭПКМ;

• совместимость по температурным характеристикам контактируемых материалов в сопряженной токопроводящей системе изделия;

• возможность исключения из ЭПКМ растворителей и летучих продуктов химических реакций при отверждении;

• упрощение контроля качества микромонтажа и выполнения ремонтных работ;

• возможность использования в составе ЭПКМ фотополимеров, позволяющих существенно повысить эффективность сборочно-монтажных операций и качество ЭК;

• возможность получения пленочных ЭПКМ с анизотропными свойствами, позволяющими заметно уменьшить удельное сопротивление ЭК;

• перспективу существенного снижения стоимости сборочно-монтажных работ и себестоимости изделия в целом.

ЭПКМ, называемые контактолами (с удельным объемным сопротивлением после отверждения <0,01 Ом·см), и применяемые для микроконтактирования в изделиях микроэлектроники (ИМЭ), по составу можно разделить на две основные группы. Первая группа – наполненные полимеры, электрическая проводимость которых обусловлена совокупностью проводящих цепочек, образуемых введением в полимер электропроводящих компонентов в виде мелкодисперсных частиц металла (например: Ag,Au,Ni,Mo,Wи др.). Вторая группа ЭПКМ – это полимеры, электрическая проводимость которых обусловлена непосредственно их структурой, образуемой в процессе формирования (структурирования) самого полимера.

Контактолы в виде наполненных полимеров.

Контактолы первой группы находят пока еще преимущественное применение и представляют собой многокомпонентные, вязкотекучие композиции, обычно включающие:

• связующее вещество;

• отвердитель;

• электропроводящий наполнитель;

• различные добавки для придания композиции необходимых свойств.

Основные требования к контактолам:

• величина удельного объемного сопротивления _Vпри комнатной температуре должна быть не более 10^-3Ом·см;

• высокая адгезия к соединяемым поверхностям (усилие отрыва не менее 10²кг/см²);

• вязкость должна быть такова, чтобы обеспечивать удобство применения (т.е. высокую технологичность);

• невысокая температура и минимальное время отверждения ЭПКМ.

ЭПКМ в этом случае изготавливаются чаще всего на основе эпоксидной смолы (связующего) с аминным отвердителем и наполнителем в виде серебряного порошка с частицами сферической либо чешуйчатой формы (либо их смесью) и размером 0,1-3,0 мкм. Никелевые порошки в составе контактолов используются с частицами сферической формы размером до 5 мкм (карбонильный никель) и осколочной формы размером до 40 мкм (электрооптический никель). Содержание проводящего наполнителя менее 70% массы клеевого состава заметно повышает сопротивление ЭК (при содержании серебра в ЭПКМ 85% по массе контактола его удельное сопротивление_Vдостигает 10^-4Ом·см, в то время как при 70% -_Vувеличивается почти в 3 раза). В состав ЭПКМ в большинстве случаев вводятся различные добавки для придания контактолу специфических свойств (пластичности, тиксотропности, требуемой вязкости и др.). Использование в составе ЭПКМ порошка посеребренного наполнителя (никеля, меди, либо др.) с размером частиц 40-70 мкм обеспечивает повышенную стойкость порошка к окислению, снижение_VЭПКМ (например, никелевым наполнителем) дает экономию серебра и снижение стоимости контактола. Кроме того, важной особенностью использования никелевого порошка, покрытого серебром, является приобретение контактолом с таким наполнителем анизотропии электропроводности (при полимеризации контактола в однородном магнитном поле проводящие частицы образуют цепочки с фиксированной структурой и удельное сопротивление заметно снижается в направлении магнитного поля), что может быть использовано для снижения контактного сопротивления. Механические и электрические свойства получаемых с помощью контактолов ЭК в значительной степени зависят как от технологии их формирования так и от природы контактируемых материалов. Важно отметить весьма эффективное применение для монтажа ИМЭ наполненных пленочных ЭПКМ с анизотропией электропроводности, например, марок АС-1053 и АС-5052 (см. табл.14.1),

Таблица 14.1.

Основные сведения об анизотропных пленочных ЭПКМ

Марка	Тип связую-щего	Основные характеристики и параметры пленок
		Диаметр частиц наполнит., мкм	Сопротивление ЭК, Ом		Усиление отрыва проводника в месте ЭК, г/см	Толщи-на, мкм	Шири-на, мм
			В вертикаль-ном направле-нии	В горизонталь-ном направлении
АС-1053	Термо- пласт	28	2-3	10-9	700	15	2
АС-5052	Термо-пласт	28	2-3	10-9	700	20-25	2

что позволяет: на 2-3 порядка снизить трудоемкость микромонтажа; уменьшить токи утечки в местах межсоединений; повысить помехоустойчивость ИМЭ, а также упростить контроль качества получения ЭК и повысить надежность соединений.

Отработка технологии формирования ЭК с использованием отечественных ЭПКМ типа КБ-4 (АУКО.029.033 ТУ) показала важность обеспечения качества подготовки поверхностей контактируемых материалов перед монтажом и необходимость учета температурной зависимости вязкости конкретного ЭПКМ при выборе способа его нанесения, фиксации контактируемых деталей и технологии отверждения.

Кроме анизотропных пленочных ЭПКМ, целесообразно применение контактолов марок: К-2 (на основе нитроклея); паст К-8, К-13, К-16, отличающихся хорошей технологичностью (в том числе с использованием трафаретной и переносной печати, а также пневмодозаторов) и низким переходным сопротивлением ЭК.

Моделируя структуру наполненного ЭПКМ в виде гетерогенной системы с равномерным распределением электропроводящих частиц и пренебрегая шунтирующим сопротивлением связующего компонента, можно рассматривать основные электрические характеристики контактола. В частности, удельное объемное сопротивление плотно упакованной однородной системы _С, содержащей в 1 см²сеченияNпроводящих цепочек поnчастиц в каждой, можно выразить через сопротивление единичного контакта :

тогда _cплотно упакованной системы, состоящей из проводящих частиц сферической формы с диаметромdопределится как:

(1)

Если выразить r_kчерез сопротивление растекания, то

(2)

где - удельное сопротивление проводящего материала,r_a– радиус контактного пятна. С учетом соотношений (1) и (2) ,_ссистемы, состоящей из частиц сферической формы, можно представить в виде:

(3)

где Е – модуль упругости материала проводящих частиц, r– радиус частиц,p_i– контактное давление частиц.

Контактное давление p_iможно выразить через общее давление в материале

(4)

тогда с учетом (3) и (4) получим:

(5)

Следовательно _сплотноупакованной системы зависит от отношения диаметров проводящих частиц и контактных пятен, а при определенном давлении в системе не зависит от размеров частиц и возрастает с увеличением твердости материала.

Если контактирование происходит через прослойки с поверхностной проводимостью _s, то_cописывается соотношением:

(6)

Из выражения (6) следует, что сопротивление системы возрастает с повышением степени дисперсности проводящего компонента.

С уменьшением объемной концентрации проводящих частиц контакты между ними сохраняются до очень малых значений (из-за образования цепочной проводящей системы, когда частицы наполнителя имеют вытянутую форму), тогда относительный объем проводящего компонента V_отн(а для плотноупакованной однородной системыV_отн 0,52) можно выразить как:

(7)

а с учетом соотношений (1), (7) и n=1/dполучим:

Контактолы готовятся из отдельных компонентов непосредственно перед использованием. Образуемую смесь компонентов перетирают до образования густой однородной массы, не содержащей комков и крупинок. В полученную смесь затем вводят отвердители (если это необходимо по рецепту) и тщательно перемешивают композицию, добавляя в нее соответствующий разбавитель до получения требуемой вязкости.

Сборочно-монтажная технология с применением контактолов включает следующие

этапы:

• подготовку (химическую обработку с целью очистки) соединяемых деталей. Это важнейший этап, так как малейшие загрязнения резко снижают адгезию клея и ухудшают механическую прочность формируемого соединения;

• нанесение контактола. Для этого используется один из следующих способов: нанесение шприцем, трафаретной либо переносной печатью, пневмодозатором, переносом капли;

• позиционирование навесных компонентов с помощью специальных приспособлений и фиксацию компонентов (при необходимости) после их установки на клеевых точках;

• отверждение клея (контактола) в заданном режиме в инертной среде, температура отверждения Т_отвнаходится в пределах 20100^оС ;

• контроль качества сборки и монтажа навесных компонентов на платах.

Так как в полимеризованном клеевом соединении (после термообработки) мелкодисперсные частицы металла находятся в промежутках сетки полимера и образуют точечные контакты с большим, по сравнению с монолитным металлом, удельным сопротивлением, то сопротивление ЭК (получаемых с помощью контактолов первой группы) выше, чем у паянных и сварных соединений. Это является основным недостатком контактолов, наряду с потребностью преимущественного использования драгоценных металлов; ограниченной жизнеспособностью исходных клеевых композиций (временной зависимостью их вязкости), а также склонностью органических материалов к старению в большей степени, чем неорганических. Эти недостатки нельзя назвать неустранимыми, так как работы по их устранению в последнее время дают положительные результаты.