Особенности и требования к сварочным соединениям в электронике
В настоящее время электроника нашла применение во всех сферах человеческой деятельности. Она является наиболее универсальной отраслью промышленности, поэтому электронную технику называют
катализатором научно-технического прогресса.
Изделия электронной техники насчитывают многие тысячи различных по своим параметрам приборов и устройств: электровакуумные приборы (ЭВП) различных типов, дискретные полупроводниковые приборы,
интегральные микросхемы, резисторы, установки с вакуумной, газовой средой и агрессивными средами и т.д. Работоспособность практически всех изделий в значительной степени определяется качеством
соединений деталей и узлов. Удельный вес операций с использованием сварки составляет довольно значительные величины от общей трудоемкости изготовления различных типов приборов: ПУЛ — 46-48%, СВЧ
приборов — 18-20%, дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — 20—75%, велика доля сварочных операций и при изготовлении различного оборудования.
Требования к соединениям изделий электроники определяются чрезвычайно широкой сферой их применения и эксплуатации (См.: Бодъянов Б.Н., Давыдов В.Н. Сварочные процессы в электронной технике. —
М.: Высшая школа, 1988).
Условия эксплуатации приборов определяются прежде всего климатическими воздействиями. Климатические условия в разных точках земного шара различны. Зоны умеренного климата простираются примерно
между широтами от 40 до 65°. Ухудшение параметров и снижение работоспособности электронных приборов в этой зоне по сравнению с другими зонами меньше.
В зоне пустынь температура воздуха от +60 до — 10°С с суточным перепадом до 40°С. Максимальное значение относительной влажности воздуха 10% (ночью). Характерным для зоны пустынь является
повышенная интенсивность солнечного излучения и наличие пыли и песка.
Районы тропического климата характеризуются постоянно повышенной температурой воздуха (25—40°С) и высокой влажностью (выше 90% ночью и 70—80% днем). В приморских тропических районах высокие
относительная влажность и температура могут сохраняться в течение длительного времени, что создает благоприятные условия для интенсивной коррозии металлов.
Районы морского климата характеризуются небольшими изменениями температуры, повышенной влажностью воздуха, дождями, туманами, соленой водяной пылью.
Районы Арктики и Антарктиды отличаются низкими температурами воздуха (до —70°С) и низкой абсолютной влажностью воздуха.
Высотные условия характеризуются тем, что температура воздуха снижается на 6,5°С через каждый 1 км подъема на высотах до 11 км (верхняя граница тропосферы). На высотах 11—25 км она равна
—56,5°С, затем возрастает, достигая на высотах 48—53 км +10°С, далее снова снижается и на высоте более 75 км достигает -75°С. Сила ветра повышается в тропосфере и уменьшается в стратосфере.
Атмосферное давление при подъеме на первые 1000 м снижается примерно на 0,13 Па на каждые 10 м, при дальнейшем подъеме — в геометрической профессии, достигая на высоте 10 км примерно 26 Па, на
высоте 20 км — около 5,5 Па и на высоте 40 км — около 0,27 Па.
Условия эксплуатации приборов и их сварных соединений зависят также от внешних воздействий. Наиболее часто приборы подвергаются вибрации.
Параметры вибрации, воздействующие на электронную аппаратуру, зависят не только от объекта, на котором она эксплуатируется, но и от места ее установки на объекте. Так, например, размещаемые в
фюзеляже самолета электронные приборы испытывают вибрацию с частотой от 3 до 50 Гц и амплитудой от 2 до 0,75 мм соответственно. В месте установки двигателей вибрация характеризуется частотой 10—500
Гц и амплитудой 0,35—0,025 мм соответственно. Ракетные двигатели создают вибрацию с частотами до нескольких тысяч герц.
Интенсивность ударных воздействий на электронные изделия при эксплуатации зависит от объекта, на котором они установлены, места и способа их установки. Значительные удары возникают при
формировании железнодорожных составов, во время посадки самолета, при швартовке кораблей, при запуске ракет, при столкновении снарядов с броней танков.
Интенсивность ударных воздействий характеризуется амплитудой и длительностью импульса ускорения изделия.
При эксплуатации изделий ударные ускорения могут достигать 5 g на самолетах и танках, 10 g — в кузовах движущихся автомобилей, 15 g — на кораблях большого тоннажа, 25 g — при аварийной посадке
самолетов.
Все сварные соединения в зависимости от конструктивных размеров соединяемых элементов в месте сварки, условий работ и предъявляемых требований можно условно подразделить на три категории.
1. Микросоединения круглых или плоских металлических выводов, выводов 5—500 мкм или этих выводов к поверхности полупроводников, диэлектриков или металлических пленок толщиной 0,05—5 мкм. Для
материала выводов используется золото, серебро, алюминий, медь, позолоченный ковар или никель. Контактные площадки на полупроводниках, вакуумноплотных, магнитных, пьезоэлектрических керамиках и
стеклах изготавливаются из алюминия, золота, меди, никеля и серебра. Область контакта полупроводника с металлом должна иметь низкое удельное сопротивление (менее 1 Ом*см).
2. Сварные соединения приборов и устройств, которые при достаточном уровне прочности и контролируемом уровне деформации должны быть вакуумноплотными при проверке масс — спектрометрическим
гелиевым течеискателем с чувствительностью не хуже 6,5 x 10-11 (м3 x Па)/c после прогревов в течение десятков часов до температуры порядка 973—1073К и 20-кратном
термоциклировании по режиму 293—1073—293 К, эксплуатации в полевых условиях и хранении на складах в течение 10—12 лет.
3. Сварные соединения сборочных единиц, имеющих необходимый запас прочности, к которым не предъявляются требования по вакуумной плотности.
Помимо указанных требований методы сварки, применяемые в электронной технике, должны обеспечивать:
сохранение на исходном уровне специфических свойств свариваемых материалов и параметров микросхем;
соединение без применения припоев, флюсов и без ограничения соотношения толщин одноименных и разноименных металлических материалов, а также металлов с полупроводниками, керамиками, стеклами и
другими неметаллическими материалами;
прочность сварных соединений должна составлять не менее 0,8 предела прочности наименее прочного из свариваемых материалов;
уменьшение использования драгоценных и дефицитных материалов;
100-процентный контроль качества соединений в процессе сварки;
создание высокопроизводительного автоматического сборочного оборудования на основе унифицированной конструктивно-узловой базы с активным управлением технологическими процессами сварки для
многономенклатурного производства изделий с аффективной эксплуатацией в течение 5—7 лет.
Этим требованиям в той или иной мере могут удовлетворить практически только большинство известных методов сварки в твердом состоянии.
Методы сварки в твердом состоянии в последние годы находят все более широкое применение в электронной технике. Причем наибольшее предпочтение отдается методам, которые позволяют получать
вакуумноплотные термостойкие соединения разнородных материалов при малых макропластических деформациях соединяемых деталей.
Ниже приведены примеры изготовления электронных приборов, изготовляемых этими методами.
Холодная сварка применяется для герметизации корпусов полупроводниковых и медных штенгелей электровакуумных и газоразрядных приборов после откачки.
При герметизации корпусов полупроводниковых приборов и микросхем холодной сваркой свариваются следующие сочетания материалов медь-медь, медь-сталь, ковар-медь. Для получения нужного сварного
соединения холодной сваркой необходимо, чтобы поверхности были тщательно подготовлены.
Одним из способов такой подготовки является нанесение на основание корпуса из ковара и медные крышки химическим или гальваническим методом пленок никеля. Хорошие результаты получают при
герметизации корпусов с предварительно химически нанесенным слоем никеля толщиной 3—6 мкм и последующим вжиганием его в течение 45 мин. в атмосфере водорода при 400°С. Термообработка увеличивает
микротвердость покрытия, стабилизируя процесс герметизации холодной сваркой.
Полупроводниковый прибор устанавливают в приспособление для холодной сварки, состоящее из направляющего стакана и сварочного инструмента. Приспособление после загрузки помещают под шток
гидроцилиндра пресса.
На прессе задают предварительно выбранное давление и производят холодную сварку.
Рабочие части пуансонов должны иметь трапецеидальную форму с притуплением острых кромок с внутренней стороны для устранения подреза на утонченной части шва. Пуансоны для холодной сварки
изготавливают из легированных инструментальных сталей марок Х12, Х12М, Х13Г, ШХ13, а также из твердых сплавов ВК20.
Холодносварные ребристые охладители силовых полупроводниковых приборов имеют массу на 30-40% меньше, а поверхность охлаждения — на 50-60% больше по сравнению с лучшими отечественными и зарубежными
аналогами, полученными литьем или горячим прессованием.
Магнитоимпульсная сварка широко применяется для изготовления электродов, катодов и других элементов, в основном мощных электровакуумных и газоразрядных приборов.
Ультразвуковая сварка применяется в основном в микротехнике достаточно широко: для сварки круглых (диаметром 0,03-0,1 мм) и плоских (не более 0,05 мм) выводов проводников из алюминия, золота и меди
к металлическим пленкам из золота, алюминия, меди, тантала толщиной не менее 0,1 мкм, напыляемым на диэлектрические и полупроводниковые подложки; для сварки перевернутых кристаллов к контактным
площадкам тонкопленочных схем и т.д.
За последние десятилетия ультразвук стал использоваться для получения соединений самых различных полупроводниковых приборов и монтаже коммутируемых цепей.
При монтаже схем ультразвуковой сваркой применяются только одноточечные соединения. Пониженная мощность ультразвуковых установок для монтажа схем не только позволяет применить помимо
магнитострикционных преобразователей пьезоэлектрические и увеличить диапазон рабочих частот, но и обеспечивает возможность встраивать в поточную линию ультразвуковые сварочные установки.
Ультразвуковая сварка используется для соединения микропроводов с фольгой печатного монтажа, для сварки проводников с тонкими и толстыми пленками на различных диэлектрических подложках.
Сваркой трением можно сваривать корпуса приборов большого размера и любой конфигурации. Одним из вариантов способа является сварка плоских корпусов двумя роликами, которые прокатываются по одной
поверхности на небольшом расстоянии друг от друга. В этом случае сварка ведется по принципу односторонней контактной сварки с параллельным расположением электродов (роликов).
При герметизации корпусов микросхем роликовой сваркой в качестве инструмента используются конические ролики, свободно вращающиеся на полуосях. Ролики изготавливаются из меди. Для увеличения стойкости используют также ролики из медно-кадмиевого сплава (МК).
Twitter
Вконтакте
Livejournal
Facebook
Мой Мир
Google Buzz
Gmail