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

При 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).

Активация соединяемых металлов и припоя обеспечивается 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 натяжения в 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.

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 практике оценивают по отношению площади припоя до пайки к 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. РДП и РДП на рис.11.4)).

Скорость протекания этих процессов и, соответственно, ширина РДП и РДП зависят 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 прослойки существенно 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 величина находилась в пределах 0,9…1,1мкм.

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 ширина и ; , , , , – 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.

После удаления источника тепловой энергии наступает процесс 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.

Дата добавления: 2015-08-02