Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 90 из 102)
Обжимка представляет собой способ образования контактного соединения под действием сильной пластической деформации соединяемых элементов. 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 массу таких клеев приготавливают на основе эпоксидных, уретановых, силиконовых композиций.
Контактолы применяются при монтаже ЭА в тех случаях, когда пайка невозможна, так как нагрев ведет к повреждению термочувствительных компонентов, а также в труднодоступных местах сборочных единиц и блоков (например, для присоединения кристаллов и подложек ИМС к корпусам, при ремонте печатных плат, при заземлении компонентов, в СВЧ-устройствах). Контактолы имеют низкое удельное объемное электрическое сопротивление и стабильные электрические свойства при эксплуатации в жестких климатических условиях. Клеи типа К-8, К-12 применяются для соединения палладиевых, серебряных и медных поверхностей; К-16, К-17 — покрытых припоем ПОС 61 и ПСрОС3-58, ТПК-3 — диэлектрических и металлических поверхностей. Недостатками данного вида соединений являются высокое электрическое сопротивление контакта, низкие термостойкость и надежность.
Для посадки кристаллов ИМС на основания используют токопроводящие пасты. При автоматизированной сборке кристаллов больших размеров токопроводящие пасты обеспечивают высокую производительность, низкую стоимость, невысокую температуру процесса.
Токопроводящая композиция на основе клея ВК-32-200 содержит 30—35 % никелевого порошка с размером частиц менее 10 мкм и 0,3—0,45 % порошка монокристаллического кремния с размером частиц 0,5—2 мкм. Удельное объемное сопротивление композиции составляет (1,5—2)·104 Ом·см, предел прочности соединений на разрыв 10—15 МПа. Недостатком данной композиции является изменение ее прочностных свойств при последующих операциях (термокомпрессионная разварка выводов), а также сложность поддержания однородного состава в процессе приклеивания. Лучшие характеристики имеют токопроводящие композиции с металлическим наполнителем — порошком серебра. Так, композиция Ablebond 84 фирмы Ablestik имеет удельное сопротивление 110-4 Омсм, предел прочности соединений на разрыв — до 26 МПа.6.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ПАЙКИ
Пайкой называется процесс соединения материалов в твердом состоянии путем введения в зазор легкоплавкого металла — припоя, взаимодействующего с основными материалами и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва.
Для образования качественного паяного соединения необходимо:
подготовить поверхности соединяемых деталей; активировать материалы и припой; удалить оксидные пленки в зоне контакта;обеспечить взаимодействие на межфазной границе раздела; создать условия для кристаллизации жидкой металлической прослойки.
Подготовка поверхностей деталей к пайке включает механическую, химическую или электрохимическую очистки от оксидов, загрязнений органического и минерального происхождения, а также нанесение покрытий, улучшающих условия пайки или повышающих прочность и коррозионную стойкость паяных соединений.
Удаление продуктов коррозии и оксидных пленок механическим способом производят с помощью режущего инструмента (напильника, шлифовального круга, шабера), а также наждачной бумаги, проволочной сетки. Для повышения производительности при обработке протяженных или сложнопрофилированных изделий применяют гидроабразивную очистку с помощью струи жидкости или вращающихся щеток из синтетического материала с добавлением в моющий состав абразивных частиц. Образование шероховатой поверхности после механической обработки способствует увеличению растекания припоя, так как риски на поверхности являются мельчайшими капиллярами.
Удаление поверхностных пленок, препятствующих смачиванию расплавленным припоем, осуществляется как химическими, так и электрохимическими способами. Химическое обезжиривание деталей проводят в 5 % -м растворе щелочи или в органических растворителях (ацетон, бензин, спирт, четыреххлористый углерод), спиртобензиновых и спиртофреоновых смесях путем протирки, погружения, распыления, обработки в паровой фазе или ультразвуковой ванне.
Для ультразвукового обезжиривания используют ванны УЗВ-0,1, УЗВ-0,25, УЗВ-0,4, работающие на частотах 18—22 кГц в докавитационном режиме, который обеспечивает получение интенсивных микропотоков в моющей жидкости, что гарантирует высокое качество очистки мелких деталей и ускоряет процесс в 5—10 раз.
Толстые слои оксидных пленок удаляют травлением в растворах кислот или щелочей. Состав раствора определяется видом металла, толщиной оксидной пленки и требуемой скоростью травления. Электрохимическое травление ускоряет процесс растворения оксидных пленок и проводится при плотности тока 2—5 А/дм2. После травления детали тщательно промывают в нейтрализующих растворах.
Очищенные детали необходимо немедленно направлять на сборку и пайку,
так как паяемость меди сохраняется 3—5 сут, а серебра 10—15 сут. Поэтому для обеспечения межоперационного хранения деталей и компонентов ЭА на их поверхности наносят металлические покрытия, которые улучшают процесс смачивания припоем и сохраняют паяемость в течение длительного времени. В качестве таких покрытий используют легкоплавкие припои (ПОС 61, ПОСВ 33 и др.), сплавы олова с висмутом или никелем, золото, серебро, палладий и другие металлы, которые наносят погружением в расплав, гальваническим или термовакуумным осаждением, а также плакированием. При первом методе погружение производят в расплавы припоев после предварительного флюсования. Гальванические покрытия благородными металлами наносят толщиной 3—6 мкм, остальными — 6—9 мкм. Пленки, полученные термовакуумным осаждением, отличаются высокой равномерностью, отсутствием окисления покрытия, однако имеют малую толщину (0,1—1,0 мкм). Плакирование осуществляется совместной прокаткой паяемого металла и металла покрытия; при этом обеспечивается равномерная толщина покрытия (100—150 мкм). После выполнения подготовительных операций или межоперационного хранения контролируется пригодность деталей к пайке путем оценки паяемости.
Активация паяемых поверхностей необходима для физико-химического взаимодействия атомов основного металла и припоя. Поскольку главным фактором образования паяного соединения является тепловая активация паяемых поверхностей, то способ нагрева определяет классификацию методов пайки (рис.6.4).
Рис.6.4. Классификация способов нагрева при пайке
Существуют три способа переноса энергии в форме теплоты: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Перенос теплоты при пайке паяльником осуществляется за счет теплопроводности паяльного жала, которое служит аккумулятором теплоты, выделяемой нагревателем.
Скорость нагрева паяльником зависит от температуры жала и количества теплоты, аккумулированного жалом (4—8 кДж). Удельная мощность, выделяемая в зоне пайки деталей паяльником, не превышает 1104 Вт/м2.Пайка расплавленным припоем осуществляется путем контакта паяемых деталей с обширной поверхностью расплава, аккумулирующего значительно большее количество теплоты, чем паяльник, поэтому удельная мощность при этом достигает 106 Вт/м2, что сокращает время пайки.
При газопламенном нагреве пламя горелки является конвективным теплообменным источником нагрева. Для газопламенной пайки, сварки, резки мелких деталей с высокой температурой плавления применяют аппараты с водородной микрогорелкой, в основу работы которых положен принцип электролиза воды электрическим током. Аппарат представляет собой настольный переносной прибор, состоящий из электролизера, смесителей, дополнительного смесителя, панели управления, горелки. Для увеличения проводимости в дистиллированную воду добавляют химически чистый едкий калий. В результате прохождения электрического тока из раствора выделяются водород и кислород. В смесителе после прохождения через водный затвор смесь насыщается парами бензина (спирта или ацетона) и поступает в горелку. Управление электролизом воды осуществляется с помощью электронного регулятора мощности. Горелка формирует необходимый факел пламени и снабжается быстросъемными наконечниками. При газопламенном нагреве возможен пережог деталей, окисление припоя вследствие неравномерности температурного поля в зоне нагрева.
Более перспективны бесконтактные способы нагрева паяемых деталей различными видами излучений. При пайке излучением высокой частоты (ВЧ) в деталях индуцируются токи, которые проходят главным образом в поверхностном слое толщиной δ и разогревают детали до необходимой температуры. Глубина проникновения токов ВЧ
503 ( f) ,где ρ, μ — соответственно удельное электрическое сопротивление и