Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 91 из 102)

магнитная проницаемость металла; f — частота тока.

Поскольку глубина проникновения зависит от частоты, то для толстостенных деталей (2—5 мм) применяют низкочастотный нагрев (66 кГц), для тонкостенных

— ВЧ-нагрев (440; 1760 кГц). Скорость нагрева пропорциональна

, удельная мощность в зоне нагрева составляет 10⁶—10⁸ Вт/м².

Технологической оснасткой при ВЧ-пайке является индуктор, представляющий собой катушку из нескольких витков полой медной трубки, по которой в процессе нагрева интенсивно прокачивается охлаждающая жидкость — вода. Витки индуктора располагаются вблизи нагреваемых деталей (рис. 6.5).

Эффективность нагрева повышается, если в зоне нагрева образовать электрический короткозамкнутый контур с малым удельным электрическим сопротивлением, расположенный вдоль паяемого соединения и выполненный в виде локального покрытия (медного, серебряного) толщиной 20—30 мкм либо специальной оправки.

1, 4 детали; 2 припой; 3 индуктор; D_и,D_д диаметр индуктора и детали

Рис. 6.5. Схема нагрева токами ВЧ:

Воздействие СВЧ-излучения мощностью 5—10 Вт на атмосферу рабочего газа (аргона) приводит к его ионизации, что дает возможность получать плазменный стержень тлеющего разряда диаметром 0,1—10 мм с температурой до 1000 С. СВЧ-излучение от магнетронного генератора непрерывного действия мощностью 5—10 Вт возбуждают в волноводно-коаксиальном тракте, в который подают аргон с небольшой добавкой водорода со скоростью 1—5 л/мин. С помощью плазменного стержня практически безынерционно можно вести пайку планарных выводов микросхем к контактным площадкам плат. Недостатком метода является значительный градиент температур как по длине стержня, так и в радиальном направлении.

Инфракрасное (ИК) излучение применяют для бесконтактного нагрева деталей в различных средах: на воздухе, в контролируемой атмосфере, в вакууме. Инфракрасное тепловое излучение находится в диапазоне длин волн 0,76—

1000 мкм, однако наибольшая эффективность (75 %) приходится на коротковолновый поддиапазон 0,75—3,0 мкм. Падающее на паяемую поверхность ИК-излучение вследствие поглощения незначительно проникает вглубь металла, частично отражаясь от его поверхности. Отражательная способность гладких поверхностей чистых металлов зависит от их удельного электрического сопротивления и температуры поверхности: ε 1 0,1 T .

Для полированных поверхностей из серебра, алюминия коэффициент отражения составляет 95 %, поэтому они используются для изготовления рефлекторов ИК-установок. Неотраженная часть излучения поглощается рефлектором, и в установках предусматривают его водяное или воздушное охлаждение (рис. 6.6).

В качестве источников ИК-энергии используются галогенные кварцевые лампы мощностью 500—2000 Вт. Галогенные (йодные, галоидные) лампы изготавливаются из кварцевого стекла и имеют вольфрамовую спираль с рабочей температурой порядка 3000 ^оС и сроком службы 2000—5000 ч.

1 рефлектор; 2 ИК-лампа; 3 маска; 4 деталь

Рис. 6.6. Схема ИК-нагрева

В процессах пайки широкое применение получили два вида ИК-нагрева: локальный сфокусированный и прецизионный рассеянный. Для локального нагрева целесообразны отражатели эллиптической формы, фокусирующие излучение источника, помещенного в ближнем фокусе рефлектора, на объект нагрева в дальнем фокусе (рис. 6.7, а). Для прецизионного нагрева используют параболические (рис. 6.7, б) либо овально-цилиндрические с сопловыми насадками рефлекторы (рис. 6.7, в).

Рис. 6.7. Типы отражателей ИК-излучения

К достоинствам пайки ИК-излучением следует отнести: бесконтактный подвод энергии к паяемым деталям, точную регулировку времени и температуры нагрева, локальность нагрева в зоне пайки. Недостатки процесса — затруднение при флюсовой пайке, так как испаряющийся флюс загрязняет лампы и рефлекторы, отсутствие серийно выпускаемого оборудования.

Оптическое излучение в диапазоне длин волн 0,7—10,6 мкм, генерируемое различными типами лазеров, является удобным, надежным и экономичным видом бесконтактного нагрева. В технологии пайки используют лазерные установки, основным элементом которых является оптический квантовый генератор (ОКГ), создающий мощный импульс монохроматического когерентного излучения. Пайка лазерным излучением не требует вакуума и позволяет соединять изделия из разнотолщинных элементов. В процессах пайки используют как непрерывное, так и импульсное лазерное излучение.

Процессы пайки ЭРЭ и микросхем на печатные платы с помощью лазерного излучения, получаемого от твердотельного ОКГ на алюмоиттриевом гранате (АИГ) мощностью до 125 Вт с λ = 1,06 мкм, отличаются высокой производительностью.

Для качественной пайки выводов микросхем к контактным площадкам печатных плат необходимо, чтобы плотность потока излучения составляла 1,95— 2,0 Дж/мм². Перемещение печатной платы со скоростью 8 мм/с обеспечивает производительность процесса 400—440 паек в минуту. Процесс пайки может быть легко автоматизирован путем применения координатного стола и системы ЧПУ, осуществляющей управление столом и мощностью излучения. Лазерное излучение не влияет на электроизоляционные свойства диэлектриков, если средняя плотность потока не превышает 3,4 и 2,8 Дж/мм² для материалов СФ-2-50 и ФТС соответственно.

Для низкотемпературной пайки за рубежом используют установки многоточечной пайки с голографическим делением луча (рис. 6.8). В этом случае луч лазера, генерируемый ОКГ 1, с помощью телецентрической оптики 2 сначала расширяется до значительного диаметра, а затем направляется как плоскопараллельный поток на голограмму 3. Отражаясь от плоского зеркала 4, лучи направляются на участки пайки 5 с высокой степенью локальности. Для каждого процесса пайки необходима специальная голограмма, содержащая информацию о том, на какое количество элементарных лучей должен быть разложен пучок и в каких точках сфокусирован каждый из них.

Для пайки легкоплавкими припоями изделий электронной техники достаточна мощность 5 Вт, выделяемая в зоне протекания процесса. Одним импульсом промышленного лазера мощностью 20—50 Вт можно осуществлять пайку одновременно в нескольких точках. При использовании лазерных установок целесообразно применять в качестве припоев покрытия, которые, оплавляясь, образуют соединения.

Рис. 6.8. Схема лазерной пайки

В обычном состоянии поверхность металлов покрыта оксидными пленками. Нагрев основного металла и расплавленного припоя приводит к тому, что их активность снижается вследствие взаимодействия с кислородом воздуха и ростом оксидных пленок на поверхности. Удаление оксидных пленок в процессе пайки является необходимым условием получения качественных паяных соединений. Классификация способов удаления оксидных пленок приведена на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Классификация способов удаления оксидных пленок

Константа равновесия реакции окисления металла К_р зависит от давления паров кислорода в окружающей среде при данной температуре:

Pn Pm / 2

K_р,

MeO_n

где Р_Ме, P_O2 , P_MeOn — давление паров металла, кислорода и оксида

соответственно.

Уменьшив парциальное давление кислорода и увеличив температуру среды, можно сместить равновесие реакции в сторону разложения (диссоциации) оксида. Однако полное разложение оксидов металла (например, олова, меди) происходит при очень низком давлении (10^–6—10^–8 Па) и температуре 600—700 С.

При нагреве металлов в активных (восстановительных) газовых средах, в качестве которых используют азотно-водородную смесь или добавку оксида углерода, происходит восстановление оксидов металлов активными компонентами газовых сред по реакциям:

1 m 1 m

Me_mO_n H₂ Me H₂^O, Me_mO_n CO Me CO₂ . n n n n

Недостатком такого процесса является взаимодействие водорода с расплавленным припоем, что приводит в ряде случаев к появлению водородной хрупкости, образованию пор, трещин и других дефектов.

Суть механического удаления оксидных пленок с паяемой поверхности заключается в их разрушении под слоем жидкого припоя с помощью режущего или абразивного инструмента, при этом припой защищает паяемую поверхность от воздействия кислорода воздуха и вступает с ней в физический контакт. В качестве режущего и абразивного инструмента используют металлические щетки, сетки, а в качестве материалов — порошки из твердых материалов, асбест, вводимые в припой в мелкоизмельченном виде. Недостатки метода — низкая производительность, неравномерность удаления оксидных пленок, загрязнение припоя частицами абразива.