Лекция 11

Тема. Методы микроконтактирования при монтаже ЭВС и их конструктивов. Механизмы и способы пайки. Индивидуальные средства реализации пайки.

Общие сведения о монтаже ЭВС. Методы микроконтактирования.

Монтаж электронных устройств (ЭУ) представляет собой технологический процесс (ТП), направленный на получение электрических соединений между конструктивами ЭУ. В зависимости от уровней монтируемых модулей (т.е. модулей 1…4 уровней) различают внутриузловой (или просто узловой) монтаж (т.е. монтаж ячеек, сборочных узлов и других модулей 1-го уровня) и межузловой (например, блочный, межблочный и монтаж других модулей 2…4 уровней). Наибольшей трудоемкостью характеризуется внутриузловой монтаж, который в зависимости от: типа используемых электрорадиокомпонентов (ЭРК), то есть традиционно – или поверхностно-монтируемых компонентов (соответственно ТМК и ПМК); наличия специальных (например, термочувствительных и др.) изделий электронной техники (ИЭТ); выбранного варианта сборки и монтажа (с учетом использования 1-ой или 2-х сторон платы; сложности конструкций ПМК и компоновки ТМК и ПМК на плате); потребности в теплоотводах, экранах, прокладках, объемных соединителях и прочих конструктивах; применения ручных и (или) автоматизированных средств реализации; может осуществляться сразу после сборки ЭРК на печатной плате (ПП), обеспечивая за один технологический цикл монтажных операций полностью смонтированную ячейку, либо чередоваться со сборочными операциями, последовательно формируя конструкцию ячейки нередко с использованием разных методов и средств для выполнения сборочно-монтажных операций. Например, при односторонней сборке ТМК на ПП и групповой технологии монтажа технологический процесс монтажа может включить этапы: нанесения флюса то есть флюсования собранного узла (СУ); подсушивания флюса; предварительного нагрева СУ; микроконтактирования (в данном случае групповой пайкой волной припоя); обрезки выводов; очистки смонтированной ячейки; контроля качества монтажа. При односторонней сборке ПМК на ПП и использовании групповых технологий процесс монтажа включает этапы: предварительного нагрева СУ; микроконтактирования (например, групповой пайкой оплавлением дозированного припоя); очистки смонтированной ячейки; контроля качества монтажа. В любом случае – микроконтактирование является ключевым этапом монтажа, обеспечивающим электрический контакт сопрягаемых электропроводящих поверхностей конструктивов для реализации ячейкой заданных электрофизических характеристик. На рис.11.1 представлены основные методы микроконтактирования, которые могут применяться при монтаже модулей 1-го уровня, а основные сведения о них даны в табл.11.1.

При монтаже ячеек ЭВС преимущественно используется пайка (метод 1,а,б,в см.рис.11.1) благодаря возможности его автоматизации на низком, среднем и высоком уровнях; хорошей совместимости контактируемых и прочих материалов конструктивов с технологическими средами при монтаже; хорошей освоенности процессов пайки в условиях серийного производства и удовлетворительным основным показателям процесса микроконтактирования (см. табл.11.1). Микросварка (метод 2,а,б, см. рис.11.1) чаще используется для монтажа бескорпусных ИЭТ при изготовлении микросборок, микросистем (в том числе многокристальных модулей и прочих миниатюрных изделий), она требует подложек (плат) повышенной нагревостойкости; автоматизируема только на низком и среднем уровнях (так как требует прижимного инструмента), хотя некоторые показатели процесса микроконтактирования свидетельствуют и об имеющихся ее преимуществах в сравнении с пайкой (см. табл.11.1). И все же пайка является более универсальным методом микроконтактирования, так как ее можно использовать не только при внутриузловом, но и межузловом монтаже ЭУ, благодаря более простым средствам реализации, гораздо меньшему числу ограничений по температурным и прочим режимам, по форме и размерам монтируемых объектов, по возможностям автоматизации и др. в отличие от микросварки.

Рис.11.1. Основные методы микроконтактирования при монтаже ячеек ЭУ и некоторые разновидности их реализации.

Таблица 11.1.

Наиболее важные сведения о методах микроконтактирования, хорошо освоенных в производстве ЭУ

№ п/п в соответствии с рис. 11.1	Метод микроконтактирования	Основные сведения
		,						Максимально возможный уровень автоматизации
1.	Пайка		130…280	0…0,7	0,002	10…60	1…10	Высокий
2.	Микросварка		200…550	1,5…8,2	0,001	80…200	0,4…2,0	Средний
3,а	Накрутка		18…25	15…40	0,0005	60…80	0,2…0,5	Низкий
3,б	Обжимка		18…25	8…20	0,0008… 0,001	20…50	2…5	Низкий
4,а	Соединение контактолами		18…125	0…0,5	5,0	5…15	10…50	Высокий

Обозначения: – переходное сопротивление контакта; – температура формирования электрического контакта; – усилие прижима контактируемых поверхностей; – тепловое сопротивление контакта; – механическая прочность получаемого электрического контакта (по усилию среза); – интенсивность отказов электрических контактов (показывает, какая часть контактов, по отношению к среднему числу исправных, выходит из строя за единицу времени);

–значения большие нуля относятся и инструментальным способам;

–усилие ограничивается допустимой величиной деформации в местах контактов.

Методы 3,а,б (см.рис.11.1 и табл.11.1) чаще используются для межузлового монтажа, для их реализации требуются специальные формы соединяемых деталей в местах соединений. Например, при накрутке требуется удлиненный вывод одной детали и штыревой вывод другой (причем, для уменьшения контактного сопротивления, штырь должен быть не круглого сечения и иметь увеличенный размер). Обжимка реализуется специальными инструментами и по своей природе аналогична процессу клепки.

Соединения контактолами – электропроводящими клеями (метод 4,а, см. рис.11.1) используют для монтажа на ПП термочувствительных ЭРК либо ИЭТ сложной формы, когда другие методы контактирования применять нецелесообразно или невозможно. Основные достоинства и недостатки данного метода можно видеть из табл.11.1, например, повышенное контактное сопротивление , является существенным недостатком, хотя возможен и повышенный разброс из-за наличия инородных примесей в клеевом составе, от которых трудно избавиться при очистке исходных материалов. Эти недостатки в ближайшем будущем могут быть устранены при освоении метода 4,б (см. рис. 11.1), так как технология получения ненаполненных полимерных электропроводящих клеевых материалов еще находится в стадии исследований и доработки в направлении ее использования для изделий микроэлектроники.

Метод 4,в (см. рис.11.1) признан одним из перспективнейших для создания миниатюрных ЭУ (рис.11.2), главным образом из-за существенно повышенной надежности монтажа (так как лишен наибольшей причины ненадежности ЭУ – паянных либо сварных

Р

4

ис.11.2. Фрагменты конструкций многокристальных модулей, изготавливаемых с применением технологии сращивания металлизации кристалла БИС (СБИС) и платы по вариантам: а – без заглубления кристалла; б – с заглублением кристалла в объеме платы; 1 – кристалл; 2 – контактные площадки кристалла; 3 – диэлектрическое основание коммутационной платы (КП); 4 – элементы коммутации КП; 5 – тонкопленочная коммутация для сращивания металлизации кристалла и КП; 6 – клей с теплоотводящим наполнителем; 7 – углубление для посадки кристалла; 8 – изолирующие слои; 9 – межслойная коммутация; 10 – тонкопленочная коммутация; 11 – структура КП с многослойной разводкой коммутации.

соединений) и значительно сокращенного цикла изготовления ЭУ (так как структура КП формируется одновременно со сборкой и монтажом ячейки или всего устройства в целом).

Однако использование метода сращивания металлизации в основном ограничивается конструкцией применяемых ЭРК (в частности, предпочтительной является бескорпусная конструкция либо ПМК в микрокорпусах с ограничением по форме выводов), а также сложностью и дороговизной используемого, в том числе для монтажа, технологического оборудования.

Как отмечалось ранее, ЭВС представляет собой комплекс более или менее сложных узлов, связанных между собой средствами электрической коммутации и для их создания используется электрический монтаж (внутриузловой и межузловой). Электромонтажные работы при изготовлении ЭВС занимают значительный объем по трудоемкости. От качества выполнения при этом электрических контактов во многом зависит эксплуатационная надежность ЭВС. Различают два вида электрических контактов в ЭУ: разъемные контакты (получаемые, например, с помощью объемных соединителей; накрутки; механических прижимов; контактных лепестков и др.); неразъемные контакты (получаемые сваркой; пайкой; соединением контактолами); а иногда, например, паянные контакты еще относят к полуразъемным из-за их повышенной, по сравнению с другими, ремонтопригодностью. Наличие разных типов электрических контактов объясняется необходимостью обеспечения компромисса между временем безотказной работы ЭУ и временем, затрачиваемым на устранение неисправностей (которое определяется суммарным временем поиска неисправного узла и его замены). При этом известно, что надежность неразъемных контактов выше, а использование разъемных контактов уменьшает время замены неисправного узла.

Кроме того, важно знать, что межконтактная коммутация обеспечивается коммутирующими элементами ПП при монтаже на них ЭРК (то есть за счет печатного монтажа) либо с применением объемных проводов (в том числе в виде жгутов, гибких шлейфов, кабелей). Межконтактная коммутация за счет печатного монтажа обычно используется для выполнения электрических связей длиной не более 300 – 500 мм, а объемным проводом – для связей значительной длины. По этой причине внутриузловой монтаж осуществляется с применением неразъемного контактирования на ПП, то есть печатного монтажа, а межузловой монтаж часто выполняется с применением разъемного контактирования и межконтактной коммутации объемными проводниками (при значительной их длине), либо с помощью объемных соединителей (в том числе позволяющих использовать в этом случае и печатный монтаж, например в виде соединительных смонтированных узлов на ПП). Коммутирующие узлы на ПП обеспечивают лучшие функциональные параметры ЭУ при межузловом монтаже, так как за счет печатного монтажа возможно существенное уменьшение длины сигнальных трактов и паразитной емкости между ними, тем самым способствуют повышению быстродействия ЭУ (так как время задержки сигнала определяется , где и соответственно паразитные сопротивление и емкость линий связи).

Пайка при монтаже ячеек эвс. Механизм пайки, модель паянного соединения.

П

5

ри передаче электрических сигналов происходит их ослабление и искажение в результате потери энергии в проводниках, электрических соединениях, в том числе в ЭРК и других конструктивах. Поэтому при разработке системы электрических соединений в изделии необходимо сводить к минимуму эти процессы, что особенно важно для слаботочных цепей быстродействующих ЭУ, за счет не только оптимизации проектных решений, но и обеспечения качества микроконтактирования и межконтактной коммутации, в том числе на этапе монтажа ЭУ. При монтаже ЭВС доля дефектов, обнаруживаемых в электрических соединениях достаточно велика и может составлять от 50% до 80% (от общего числа дефектов изделия), поэтому повышение качества микроконтактирования, а также межконтактной коммутации и их эксплуатационной надежности является задачей чрезвычайной важности при производстве аппаратуры.

Таким образом, к электрическим контактам (ЭК) в ЭУ предъявляются следующие требования:

• минимальное омическое сопротивление в зоне контакта и его стабильность при различных климатических воздействиях;

• высокая надежность и долговечность;

• максимально достижимая механическая прочность;

• минимальное значение основных параметров процесса микроконтактирования (температуры, давления, длительности выдержки);

• возможность соединения разнообразных сочетаний материалов и типоразмеров контактируемых элементов конструктивов;

• устойчивость к термоциклам;

• в зоне контактирования не должны образовываться продукты, вызывающие деградацию ЭК;

• качество получения ЭК должно контролироваться простыми и надежными средствами;

• экономическая эффективность и производительность технологического процесса (ТП) получения ЭК.

Так как самым широко применяемым при монтаже ячеек ЭУ является метод пайки, то целесообразно рассмотреть его более детально.

Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии путем введения в зазор между ними расплавленного припоя (при температуре ниже температур плавления соединяемых материалов) и взаимодействующего с ними, что приводит к образованию паянного соединения (ПС) (или паянного шва). В качестве припоя при монтаже ячеек ЭВС используются преимущественно легкоплавкие сплавы эвтектического типа (с мелкодисперсной микроструктурой паянного шва и температурой плавления меньшей чем температуры плавления ингредиентов сплава) на основе олова и свинца.

Механизм пайки характеризуется физико-химическими процессами, проходящими при формировании паянных соединений во время монтажа ячеек ЭУ. К таким процессам преимущественно относятся: активация поверхностей соединяемых металлов (т.е. основных металлов) и припоя; смачивание припоем контактируемых поверхностей; растекание припоя по контактируемым поверхностям с заполнением зазоров и капилляров (макро- и микрокапилляров) в зоне пайки; взаимодействие жидкой фазы припоя с основными металлами, проявляющееся в растворении припоем поверхностных слоев металлов и диффузии металлов на границах металл-припой; кристаллизация жидкого расплава (жидкой фазы, образующейся в результате взаимодействия припоя с контактируемыми поверхностями металлов).

А

6

ктивация соединяемых металлов и припояобеспечивается за счет нагрева основных металлов и расплавления припоя при введении его в зазор между сопрягаемыми поверхностями металлов либо при оплавлении уже имеющейся дозы припоя (например, в виде припойной пасты) между контактируемыми металлами. В первом случае эффективность активации снижается вследствие взаимодействия металлов и припоя с кислородом воздуха и образования оксидной пленки. Чтобы удалить образующуюся в процессе пайки оксидную пленку и защитить контактируемые поверхности от дальнейшего окисления, применяют флюсы, газовые среды, самофлюсующиеся припои или способы физико-механического воздействия (механические вибрации, ультразвуковые (УЗ) колебания и др.). При использовании припойных паст защита от окисления сопрягаемых материалов осуществляется за счет флюса, содержащегося в самой пасте. Таким образом, пайка с флюсами наиболее распространена и общедоступна, так как ее можно проводить в обычных атмосферных условиях без применения дорогостоящего оборудования. Расплавленный флюс растекается по паяемым поверхностям и припою, смачивает их и вступает с ними во взаимодействие, в результате которого удаляются оксидные пленки. Основными процессами, происходящими при удалении оксидов металлов являются: химическое взаимодействие между флюсом и оксидами припоя с образованием растворимого во флюсе соединения; химическое взаимодействие между флюсом и основным металлом, в результате которого происходит постепенный отрыв оксидной пленки и перевод ее в шлак; адсорбционное понижение прочности оксидной пленки под действием расплава припоя и диспергирование ее; растворение оксидной пленки основного металла и припоя во флюсе. Неправильный выбор флюса либо нарушение технологических режимов флюсования и пайки может привести к тому, что флюсовые остатки и продукты взаимодействия их с оксидными пленками образуют в паянном шве шлаковые включения, что снижает прочность и коррозионную стойкость, нарушает герметичность паянных соединений. Использование флюсов – не единственный метод удаления оксидов и избежания окисления металлов в процессе пайки, иногда для этих же целей в процессе пайки применяют специальные технологические газовые среды (восстановительные, вакуумные и др.) либо ультразвук, однако, это заметно усложняет технологический процесс монтажа, так как требуется специальное технологическое оборудование или оснастка для реализации пайки.

После расплавления припоя и достижения атомами сопрягаемых металлов требуемого уровня энергии активации происходит смачивание твердых поверхностей контактируемых материалов жидким припоем. От того, насколько хорошо расплавленный припой смачивает поверхности основных металлов, зависит прочность, коррозионная стойкость и другие свойства ПС. При смачивании атомы металлов сближаются на расстояние менее 100нм и в поверхностных слоях сопрягаемых металлов возникают связи, активность образования которых определяется строением внешней электронной оболочки контактируемых металлов. Смачивающую способность припоя обычно оценивают по коэффициенту его смачивания, определяемому из выражения:

;

где – угол смачивания (при удовлетворительном смачивании);,,– соответственно силы поверхностного натяжения на границах твердой и газообразной фаз, твердой и жидкой фаз, жидкой и газообразной фаз;– коэффициент смачивания припоем конкретного металла (рис.11.3). Из этого выражения видно, что чем выше поверхностное натяжение припоя в расплавленном состоянии, тем хуже смачивает он основной металл.Растекание припоя по поверхности основного металла во многом зависит от смачивающей способности припоя (при полном растекании припоя по контактируемым поверхностям угол ) и продолжается до тех пор, пока не установится равновесие векторов сил поверхностного натяженияв точке на границе трех фаз (например, точка О, см.рис.11.3).

Рис.11.3. Схематическое представление равновесия сил поверхностного натяжения капли припоя на поверхности твердого тела; 1 – диэлектрическое основание платы; 2 – контактная площадка (основной металл); 3 – капля жидкого припоя; 4 – газообразная среда; – угол смачивания припоем основного металла;– соответственно векторы сил поверхностного натяжения на границах твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной фаз.

7

Однако, способность к растеканию припоя определяется соотношением сил

адгезии припоя к поверхности основного металла и когезии, характеризуемой силами связи между частицами припоя:

;

где – коэффициент растекания;– сила адгезии припоя к поверхности основного металла;– сила когезии припоя. На практикеоценивают по отношению площади припоя до пайкик площади, занимаемой припоем после пайки(т.е.) с использованием методик отраслевых стандартов. Таким образом, на процессы смачивания и растекания припоя влияют следующие факторы: способ удаления оксидной пленки (например, при использовании флюсования важными факторами являются свойства флюса, а также характер его взаимодействия с припоем и соединяемыми материалами); технология предварительной подготовки контактируемых поверхностей; физико-химические свойства припоя и основных металлов; характер взаимодействия припоя с основными металлами; технологический режим процесса пайки и др.

В процессе растекания припоя сразу же (уже в момент заполнения им капиллярных зазоров) происходит взаимодействие жидкой фазы припоя с основными металлами, проявляющееся в растворении и диффузии металлов, в результате чего на границах твердой и жидкой фаз образуются растворно-диффузионные прослойки (РДП) (представляющие собой микрозоны расплавов, включающих припой и контактирующий с ним металл (т.е. РДПи РДПна рис.11.4)).

Скорость протекания этих процессов и, соответственно, ширина РДПи РДПзависят от природы взаимодействующих металлов, температуры, скорости и времени нагрева, а также остаточных напряжений в основных металлах. Так интенсивность растворения основных металлов в расплаве припоя увеличивается с повышением температуры и длительности контакта твердой и жидкой фаз, при этом происходит разрушение кристаллической решетки твердых металлов и переход их в расплав припоя за счет диффузии, что проявляется в смещении границы контакта жидкой и твердой фаз в стороны соединяемых металлов. Процесс диффузии в этом случае протекает как в сторону припоя (для атомов основного металла), так и в сторону основного металла (для атомов ингредиентов припоя), то есть на границах основной металл-припой, по сути, происходит взаимодиффузия атомов сопрягаемых материалов по поверхности сопрягаемых границ, по границам зерен основных металлов, а также в объеме зерен и расплава. Диффузионные процессы при пайке позволяют увеличить прочность соединений, хотя способствуют некоторому возрастанию контактного сопротивления, но образования интерметаллидов в зонах растворно-диффузионных прослоек вызывают хрупкость паянных соединений и существенное увеличение контактного сопротивления получаемых при этом электрических контактов. Следовательно, в результате растворения и диффузии образуется макроструктура паянного соединения, упрощенная модель которой может быть представлена в виде, изображенном на рис.11.4,а, с эквивалентной схемой электрического сопротивления (см.рис.11.4,б) получаемого соединения. Причем, ширина растворно-диффузионной прослойкисущественно влияет на прочность паянного соединения (рис.11.5), поэтому в каждом конкретном случае условия пайки (температурно-временной режим и введение в состав припоя небольшого количества (до 2 %) основного металла) должны быть подобраны таким образом, чтобы величинанаходилась в пределах 0,9…1,1мкм.

8

Рис.11.4. Простейшая модель макроструктуры электрического соединения, получаемого при пайке (а) и эквивалентная схема его сопротивления (б); ,– соединяемые металлы; П – припой;и– соответственно растворно-диффузионные прослойки на границах П –и П –;,– соответственно ширинаи;,,,,– соответственно сопротивления,,,и припоя;– контактное сопротивление паянного шва;– общее сопротивление электрического соединения.

Рис.11.5. Изменение прочности паянных соединений (по усилию среза Р) в зависимости от ширины h растворно-диффузионной прослойки в паянном шве.

П

9

осле удаления источника тепловой энергии наступаетпроцесс кристаллизации жидкой фазы (т.е. расплава, образующегося в процессе пайки), характер протекания которого в значительной степени определяет качество паянных соединений. При кристаллизации происходит затвердевание зоны расплава, которое связано с формированием микроструктуры спая и, в сущности, фиксирует процессы взаимодействия между основными металлами и расплавом припоя на том или ином уровне их развития. Ближе к основным металлам образуются прослойки, обогащенные компонентами основных металлов, а ближе к центру – компонентами припоя (см.рис.11.4,а). Кристаллизация расплава начинается на поверхностях границ основных металлов с жидкой фазой (кристаллиты основных металлов являются как бы центрами зарождения кристаллитов припоя) и на частицах тугоплавких металлов расплава. На микроструктуру паянного соединения влияют: величина зазора между соединяемыми металлами (определяющая температурный градиент расплава, величину и протяженность области концентрационного переохлаждения вблизи фронта кристаллизации), а также скорость снижения температуры. При прочих равных условиях уменьшение величины зазора (а, следовательно, и слоя кристаллизующейся жидкости) между сопрягаемыми металлами от 2 до 0,15мм приводит к тому, что прочность паянного шва существенно увеличивается и его микроструктура становится более мелкозернистой с формой кристаллитов от дендритной до простой с гладкой поверхностью. Таким образом, от величины зазора между сопрягаемыми материалами зависят химический состав (так как при малых зазорах атомы основных металлов могут проникать (за счет диффузии) в зону расплава на всей ее протяженности) и микроструктура паянного шва; плотность ПС, его электропроводность и прочность (тем более, что у припоев (в отличие от клеев) силы когезионных связей слабее адгезионных); а также экономичность процесса пайки. Величина оптимального зазора при пайке на этапе монтажа конструктивов ЭВС, с учетом часто используемых сопрягаемых материалов, находится в пределах 0,02…0,3мм. Скорость кристаллизации тоже влияет на форму и размеры кристаллитов, а также на величину остаточных напряжений в паянном соединении. В любом процессе, происходящем при микроконтактировании параметры технологических сред (т.е. условий осуществления процессов) и средств реализации пайки должны быть оптимизированы для обеспечения требуемых показателей качества и надежности ЭК.