2.3 Механізми і способи пайки

При передачі електричних сигналів відбувається їх ослаблення і спотворення в ре-док втрати енергії в провідниках, електричних з'єднаннях, в тому числі в ЕРК та інших конструктивах. Тому при розробці системи електричних з'єднань в виро-ща необхідно зводити до мінімуму ці процеси, що особливо важливо для слабкострумових ланцюгів швидкодіючих ЕУ, за рахунок не тільки оптимізації проектних рішень, а й забезпечення якості мікроконтактірованія і межконтактной комутації, в тому числі на етапі монтажу ЕУ . При монтажі ЕВС частка дефектів, що виявляються в електричних со-єднання досить велика і може складати від 50% до 80% (від загального числа дефектів вироби), тому підвищення якості мікроконтактірованія, а також межконтактной комутації та їх експлуатаційної надійності є завданням надзвичайної важливості при виробництві апаратури.

Таким чином, до електричних контактів (ЕК) в ЕУ пред'являються такі тре-бования:

 мінімальне омічний опір в зоні контакту і його стабільність при різних-них кліматичних впливах;

 висока надійність і довговічність;

 максимально досяжна механічна міцність;

 мінімальне значення основних параметрів процесу мікроконтактірованія (темпера-тури, тиску, тривалості витримки);

 можливість з'єднання різноманітних поєднань матеріалів і типорозмірів контак-тіруемих елементів конструктивів;

 стійкість до термоціклов;

 в зоні контактування не повинні утворюватися продукти, що викликають деградацію ЕК;

 якість отримання ЕК повинно контролюватися простими і надійними засобами;

 економічна ефективність і продуктивність технологічного процесу (ТП) отримання ЕК.

Пайкою називається процес з'єднання металів у твердому стані шляхом введення в зазор між ними розплавленого припою (при температурі нижче температур плавлення з'єднуваних матеріалів) і взаємодіє з ними, що призводить до утворення па-янного з'єднання (ПС) (або паяного шва). В якості припою при монтажі осередків ЕВС ис-користуються переважно легкоплавкі сплави евтектичного типу (з мелкодісперс-ної мікроструктурою паяного шва і температурою плавлення меншою ніж температури плавлення інгредієнтів сплаву) на основі олова і свинцю.

Механізм пайки характеризується фізико-хімічними процесами, що проходять при формуванні паяних з'єднань під час монтажу осередків ЕУ. До таких процесів пре-майново відносяться: активація поверхонь з'єднуються металів (тобто основних ме-них металів) і припою; змочування припоєм контактируемих поверхонь; розтікання припою по контактируемих поверхонь із заповненням проміжків і капілярів (макро-і мікрокапіл-ляров) в зоні пайки; взаємодія рідкої фази припою з основними металами, прояв-ляющие в розчиненні припоєм поверхневих шарів металів і дифузії металів на кордонах метал-припой; кристалізація рідкого розплаву (рідкої фази, що утворюється в результаті взаємодії припою з контактируемих поверхнями металів).

Активація з'єднуються металів і припою забезпечується за рахунок нагріву основ-них металів і розплавлення припою при введенні його в зазор між сполучаються по-поверхні металів або при оплавленні вже наявної дози припою (наприклад, у вигляді припойні пасти) між контактируемих металами. У першому випадку ефективність ак-тіваціі знижується внаслідок взаємодії металів і припою з киснем повітря і освіти оксидної плівки. Щоб видалити утворюється в процесі пайки оксидну плівку і захистити контактіруемие поверхні від подальшого окислення, застосовують флюси, газові середовища, самофлюсуючі припої або способи фізико-механічного віз-дії (механічні вібрації, ультразвукові (УЗ) коливання та ін.) При використанні-ванні припойні паст захист від окислення сполучених матеріалів здійснюється за рахунок флюсу, що міститься в самій пасті. Таким чином, пайка з флюсами найбільш розпо-країна і загальнодоступна, так як її можна проводити в звичайних атмосферних умовах без застосування дорогого обладнання. Розплавлений флюс розтікається по паяемим поверхнях і припою, змочує їх і вступає з ними у взаємодію, в результаті якого видаляються оксидні плівки. Основними процесами, що відбуваються при видалений-нии оксидів металів є: хімічна взаємодія між флюсом і оксидами припою з утворенням розчинного у флюсі з'єднання; хімічну взаємодію між флюсом і основним металом, в результаті якого відбувається поступовий відрив оксидної плівки і переведення її в шлак; адсорбційну зниження міцності оксидної полон-ки під дією розплаву припою і диспергирование її; розчинення оксидної плівки ос-новного металу і припою у флюсі. Неправильний вибір флюсу або порушення техноло-гічних режимів флюсування і пайки може привести до того, що флюсові залишки і продукти взаємодії їх з оксидними плівками утворюють в паянном шві шлакові включення, що знижує міцність і корозійну стійкість, порушує герметичність па-янних сполук. Використання флюсів - не єдиний метод видалення оксидів і з-Бежанов окислення металів в процесі пайки, іноді для цих же цілей в процесі пайки застосовують спеціальні технологічні газові середовища (відновні, вакуумні та ін) або ультразвук, проте, це помітно ускладнює технологічний процес монтажу , так як потрібно спеціальне технологічне обладнання або оснащення для реалізації пай-ки.

В процесі розтікання припою відразу ж (вже в момент заповнення їм капілярних проміжків) відбувається взаємодія рідкої фази припою з основними металами, що виявляється в розчиненні і дифузії металів, в результаті чого на кордонах твердої і рідкої фаз утворюються розчинно-дифузійні прошарку (РДП) (представляють собою мікрозони розплавів, що включають припой і контактує з ним метал (тобто РДП і РДП на ріс.11.4)).

Швидкість протікання цих процесів і, відповідно, ширина РДП і РДП залежать від природи взаємодіючих металів, температури, швидкості і часу нагрівання, а також залишкових напружень в основних металах. Так інтенсивність розчинення основних металів в розплаві припою збільшується з підвищенням температури і тривалості контакту твердої та рідкої фаз, при цьому відбувається руйнування кристалічної решітки твердих металів і перехід їх в розплав припою за рахунок дифузії, що проявляється в зміщенні кордону контакту рідкої та твердої фаз в сторони з'єднуються металів. Процес дифузії в цьому випадку протікає як у бік припою (для атомів основного металу), так і в сторону основного металу (для атомів інгредієнтів припою), тобто на кордонах основний метал-припой, по суті, відбувається взаімодіффузія атомів сполучених матеріалів по поверхні сполучаються кордонів, по межах зерен основних металів, а також в обсязі зерен і розплаву. Дифузійні процеси при пайку дозволяють збільшити міцність з'єднань, хоча сприяють деякому зростанню контактного опору, але освіти інтерметалідів в зонах розчинно-дифузійних прошарків викликають крихкість паяних з'єднань та суттєве збільшення контактного опору одержуваних при цьому електричних контактів. Отже, в результаті розчинення і дифузії утворюється макроструктура паяного з'єднання, спрощена модель якої може бути представлена ​​у вигляді, зображеному на ріс.11.4, а, з еквівалентною схемою електричного опору (см.ріс.11.4, б) одержуваного з'єднання. Причому, ширина розчинно-дифузійної прошарку істотно впливає на міцність паяного з'єднання (ріс.11.5), тому в кожному конкретному випадку умови пайки (температурно-часовий режим і введення до складу припою невеликої кількості (до 2%) основного металу) повинні бути підібрані таким чином, щоб величина знаходилася в межах 0,9 ... 1,1 мкм.

Способи реалізації пайки та індивідуальні засоби для її виконання

Здійснювати процес пайки можна з застосуванням великої різноманітності способів. Систематизують способи пайки по самих різних ознаках, з яких найбільш суттєвим є:

 характер нагріву (локальний нагрів (місця або декількох місць пайки) і фронтальний нагрів всіх сполучених матеріалів всього складального вузла (СУ));

 механізм передачі теплової енергії від джерела тепла до об'єкта пайки (кондукція-онний (за рахунок теплопровідності або електропровідності), конвекційний (потоком нагрітого газу); конденсаційний (за рахунок конденсації пари); випромінювальний (елек-тронний або лазерним променем; ІЧ-випромінюванням ; та ін), а також комбінований (при поєднанні декількох механізмів теплопередачі, наприклад, випромінювальний і конвек-ційний та ін));

 тип джерела тепла (нагрівається інструмент або частина обладнання; плазмова або газовий пальник; хвиля припою; пучки або потоки різних видів випромінювання; елек-тросопротівленіе, струми високої частоти (ВЧ), розплав припою; пари киплячої рідко-сти та ін);

 ступінь участі людини в процесі пайки (ручна (тобто індивідуальна), полуавтома-тизированной, автоматизована тощо);

 кількість одночасно одержуваних паяних з'єднань (одинична, групова, симультанна тощо) і т.д.

Залежно від типу виробництва, пайка виконується індивідуально за допомогою нагрітого паяльника, мікропаяльніка або різними груповими способами. Індивіду-альна пайка ефективна при монтажі осередків з ТМК і ПМК в умовах одиничного і дрібно-серійного виробництва; для проводового монтажу; після виконання безінструментальной групової пайки на одній або двох сторонах ПП при змішаному наборі ПМК і ТМК і двосторонньому монтажі осередків ЕУ; при макетних , ремонтних і регулювальних роботах. Під індивідуальної паянням слід розуміти такий процес пайки, який реалізується людиною (індивідуумом) вручну із застосуванням різних інструментів, наприклад, паяльника і інших, представлених в табл. 11.2. Індивідуальна пайка може виконуватися одиничним (при монтажі ТМК і ПМК) і груповим способом (зазвичай при монтажі ПМК) (див. табл.11.2) залежно від конструкції використовуваного монтажником інструменту (або спеціального пристосування для групової пайки). Вибір способу індивідуальної пайки, і відповідно інструменту, залежить від обсягу випущених об'єктів; особливостей конструкцій монтованих вузлів і компонентів; варіантів збірки і монтажу осередків; вимог до якості монтованих об'єктів та їх теплових характеристик, а також від цільового використання монтажних робіт. Важливо разом з тим відзначити, що інструменти для інді-ального пайки найчастіше забезпечують контактний нагрів з'єднуються матеріалів під час пайки (див. наприклад 1 ... 3 та 5 ... 7, табл.11.2), хоча є й такі, які здійснювала-нюється безконтактний нагрівання, наприклад, за допомогою гарячого газу, їх іноді називають газо-вимі паяльниками або мінітермофенамі (див. 4, табл.11.2).

Необхідний температурний режим при індивідуальній пайку контактним нагріванням забезпечується тепловими та електрофізичними характеристиками застосовуваного інстру-мента (або пристосування): температурою робочої кінцевій частині електрода (або жала) інструмента (паяльника, мікропаяльнікі тощо); ступенем стабільності цієї температури, обумовленої динамікою теплового балансу між теплопоглинання при пайку, тепло-підведенням і теплозапасов в електроді (жалі) інструменту; потужністю нагрівача і терми-ного ККД інструменту, що визначають інтенсивність теплового потоку в паяемие со-єднання і необхідну температуру пайки.

Температура робочої кінцевій частині жала інструменту (наприклад, мікропаяльніка), яка вимірюється на холостому ходу, задається на 30 ... 100 вище температури плавлення припою. Номінальне значення температури визначається термічної чутливістю опору-гаєм конструктивів. В процесі пайки температура жала інструменту знижується за рахунок тепловіддачі, що при малій потужності нагрівача обмежує число послідовно монтуються сполук, щоб не вийти за нижню межу теплової зони. Потужність інструментів для монтажу микросборок та осередків з ПМК зазвичай становить 4,6,12,18,25 Вт; для монтажу комірок з ТМК - 25,30,35,40,50,60 Вт; при дротовому (джгутової) монтажі 50,60 , 75,90,100, 120 Вт Вибір потужності інструменту з урахуванням ККД (25 ... 55%) вироб-диться у відповідності з середнім теплопоглинання при багаторазової пайку компонентів на платах або проводів (для монтажу микросборок і ПМК - 6,3 ... 12,6 Дж; для монтажу ТМК і великогабаритних ПМК (наприклад, многовиводних крісталлодержателю) - 37,7 ... 41,9 Дж; для проводового (джгутової) монтажу - 62,8 Дж).