Металлокерамика

Припои

Кроме подвижных контактов в радиоэлектронной аппаратуре широко используются и неподвижные контакты, основными из ко­торых являются пайка, сварка и соединение контактолами.

Пайку применяют не только для получения постоянного элект­рического контакта с малым переходным сопротивлением и хоро­шей механической прочностью, но и для получения вакуумплотных швов.

Пайкой называется процесс получения неразъемных соедине­ний с помощью специальных сплавов или металлов, температура плавления которых ниже температур плавления соединяемых де­талей.

Специальные сплавы, применяемые при пайке, называют припо­ями. Процесс пайки сопровождается нагреванием. В результате при­пой плавится, растекается по поверхности соединяемых деталей, заполняя зазор между ними. На границе соприкосновения расплав­ленного припоя и поверхностей соединяемых деталей происходят сложные физико-химические процессы. Припой диффундирует в основной металл, а поверхностный слой основного металла раство­ряется в припое, образуя промежуточную прослойку. После засты­вания образуется неразъемное соединение.

Наличие оксидных пленок, механических и органических загряз­нений на поверхностях соединяемых деталей затрудняет процесс пайки. Поэтому перед пайкой соединяемые поверхности тщатель­но очищают, а в процессе пайки защищают от окисления вспомога­тельными составами, называемыми флюсами.

Припои должны обладать следующими свойствами: хорошая жидкотекучесть, т.е. способность легко растекаться в расплавлен­ном состоянии и заполнять узкие зазоры и щели; малый интервал температур кристаллизации; высокая механическая прочность; кор­розионная стойкость; высокая электропроводность.

Припои подразделяют на мягкие с температурой плавления Т _плдо 400°С и твердые с температурой плавления Т _пл выше 400°С.

Кроме температуры плавления припои существенно различа­ются по механическим свойствам. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении не выше 50...70 МПа, а твердые – до 500 МПа. Различие между пайкой мягкими и твердыми припоями состоит в том, что при пайке мягкими припоями преобладает адгезия (поверхностное сцепление), которая способствует смачиванию, а при пайке твердыми припоями наряду с адгезией - сплавление и диффузия. С повышением температуры скорость взаимной диффу­зии и смачиваемость возрастают.

Основные свойства и область применения мягких припоев при­ведены в таблице 2.10.

Таблица 2.10 – Состав, основные свойства и область

применения мягких припоев

Марка припоя	Химический состав, %	Температу-ра плавления Т, °C	Область применения
ПОС-30	Sn – 30; Pb – 68; Sb – 2		Пайка меди, латуней, оцинкованного железа
ПОС-61	Sn – 61; Pb – 38,l; Sb – 0,8; Bi – 0,l		Пайка гибридно-пленочных микросхем, полупроводниковых микросхем, печатных плат, радиодеталей
ПOC-61+3%Ag	Sn – 61; Pb – 35,9; Sb – 0,l; Ag – 3		То же
ПОС-90	Sn – 90; Pb – 9,7; Sb – 0,3		Пайка деталей с гальваническими покрытиями
ПОСК-47	Sn – 47; Pb – 36; Sb – 5,5; Cd – 11,5		Создание контактов с посеребренной и омедненной керамикой

Продолжение таблицы 2.10

ПОСИС-1	Sn – 30; Pb – 19; In – 50; Ag – l		Пайка проводов к тонким пленкам на подложках из стекла
Сплав Вуда	Sn – 12,5; Pb – 25; Bi – 50; Cd – 12,5		Заливка деталей и пайка контактов, требующих пониженных температур
АВИА-1	Sn – 55; Cd – 20; Zn – 25		Пайка алюминия и его сплавов
АВИА-2	Sn – 40; Cd – 20; Zn – 25; Al – 15		То же
ПСр-2,5	Pb – 92,7; Ag – 2,5		Пайка проводов радиодета­лей, работающих при повышенных температурах; пайка элементов микроэлектроники

Название марок припоев определяется металлами, входящими в них в наибольшем количестве (олово – О, свинец – С, алюминий – А, серебро – Ср, сурьма – Су, медь – М, цинк – Ц, висмут – Ви, кадмий – К). Обозначение драгоценного или редкого металла, вхо­дящего в состав припоя, присутствует в названии марки даже при малых количествах этого металла в сплаве. Марка припоя выбирается в зависимости от рода соединяемых металлов и сплавов, тре­буемой механической прочности, коррозионной стойкости и удель­ной электрической проводимости припоя (при пайке токоведущих частей).

Мягкие припои. Мягкие припои имеют сравнительно невысокую температуру плавления и в ряде случаев не обеспечивают контакту необходимую механическую прочность. Мягкими в основном яв­ляются оловянно-свинцовые припои (ПОС) с содержанием олова от 18% (ПОС-18) до 90% (ПОС-90). Удельная проводимость этих припоев составляет 9...13% от удельной проводимости меди, а температурный коэффициент линейного расширения ТК l больше, чем у меди, на 60...70%. Они содержат эвтектику Sn–Pb с температурой плав­ления Т _пл = 183°С.

Введение сурьмы повышает прочность припоя марки ПОС и уменьшает его «ползучесть» под нагрузкой. По содержанию сурь­мы припои марки ПОС подразделяют на бессурьмянистые, мало-сурьмянистые (0,2...0,5% сурьмы, например ПОССу-30-0,5) и сурь­мянистые (1...5% сурьмы, например ПОССу-40-2).

Добавка кадмия повышает проводимость и механическую проч­ность контакта (например, припои марки ПОСК).

Мягкие припои подразделяют также на низкотемпературные с температурой плавления Т _плдо 400°С и легкоплавкие с температу­рой плавления Т _плдо 145°С. Механическая прочность этих припо­ев не значительна, но они находят применение при пайке деталей, чувствительных к нагреванию (полупроводниковые приборы, тон­копленочные выводы гибридно-пленочных и многокристальных больших интегральных микросхем). Для придания припоям таких свойств в их состав вводят индий, висмут, кадмий. Например, сплав Вуда (50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn, 12,5% Cd) имеет температуру плав­ления всего 65°С.

Разработанные для пайки алюминия и его сплавов припои, со­держащие цинк, кадмий и алюминий, не нашли широкого примене­ния в микроэлектронике.

Мягкие припои используют для пайки внутренних выводов кор­пусов микросхем, проволочных выводов навесных компонентов, герметизации корпусов, лужения наружных выводов корпусов микросхем, коммутационных слоев печатных плат, мест монтажа бескорпусных интегральных микросхем.

Твердые припои. Твердые припои отличаются тугоплавкостью (температура плавления 500...900°С) и высокой механической проч­ностью, но технология пайки при этом значительно сложнее и процесс ведется в специальных электрических печах.

Твердые припои на основе серебра (ПСр) применяют при пайке особо ответственных изделий электронной техники. В электрова­куумной промышленности твердыми припоями паяют узлы электронных ламп, электровакуумных устройств, а также герметичных корпусов. Такие припои называются электровакуумными. Они дол­жны обладать следующими свойствами:

- обеспечивать высокую механическую прочность паяного соеди­нения в инертной среде или вакууме без применения флюса, посколь­ку остатки флюса и образующиеся оксиды могут загрязнять внут­реннюю поверхность электровакуумного устройства;

- не испаряться при нагревании и не загрязнять внутренние детали устройства;

- температура плавления припоя должна быть примерно на 100°С выше температуры нагревания прибора Т при вакуумной откачке;

- обладать достаточно большими значениями электро- и тепло­проводности.

Состав, основные свойства и область применения твердых при­поев приведены в таблице 2.11. Они представляют собой сплавы серебро-медь-олово, серебро-медь-индий, которые часто ис­пользуют в порошке, поскольку они отличаются хрупкостью.

Припои для приборов с Т _н = 700°С представляют собой сплавы на основе золота, меди, палладия и никеля.

Таблица 2.11 – Состав, основные свойства и область

применения твердых припоев

Марка припоя	Химический состав, %	Температура плавления Т пл, ˚С	Область применения
ПСр-25   ПСр-70   ПСр-36 ПМЦ-62	Ag – 25; Cu – 40; Zn – 35   Ag – 70; Cu – 20; Zn – 10   Сu – 36; Zn – 64 Сu – 62; Zn – 38		Пайка стальных и медных деталей Пайка серебра и платины Пайка латуней и бронз Пайка меди и сталей

Металлокерамические или порошковые сплавы получают из ме­таллических порошков методом их прессования и последующего спекания при температуре ниже температуры плавления исходных материалов или с частичным расплавлением наиболее тугоплавкой составляющей смеси.

Основным сырьем для получения металлокерамических изделий являются порошки вольфрама, титана, кобальта, марганца, хрома, железа, меди, олова, алюминия, ферросплавов и других металлов и сплавов.

Способом порошковой металлургии получают металлокерами­ческие детали, твердые сплавы, фрикционные и антифрикционные материалы, а также полупроводниковые материалы.

Материалы и изделия, полученные методами порошковой ме­таллургии, обладают жаропрочностью, износостойкостью, стабиль­ными магнитными свойствами, механическими свойствами, кото­рые незначительно уступают механическим свойствам литых и кованных заготовок.

Методами порошковой металлургии могут быть изготовлены детали, которые получают литьем. Но потери при изготовлении деталей методами порошковой металлургии составляют 3...7%, а отходы материала при литье иногда достигают 80%. Однако мето­ды порошковой металлургии наиболее эффективны в условиях се­рийного и массового производства.

Технологический процесс изготовления металлокерамических изделий состоит из следующих операций: приготовление порош­ков, приготовление смеси (шихты) порошков заданного состава, дозирование шихты, формование деталей, спекание, калибрование или чеканка, отделочные операции (термическая обработка, механическая обработка, гальванопокрытие).

Для получения порошков исходные материалы дробят и измель­чают в шаровых (черные и цветные металлы) или вихревых мельни­цах (железо, медь, алюминий, серебро, губчатый титан и их сплавы).

Измельченный материал очищают от примесей и просеивают через сита. Частицы, не прошедшие через сито, возвращаются для повторного дробления.

Полученные таким способом порошки смешивают в вибраци­онных или барабанных смесителях. Полученную шихту дозируют по массе или объемным способом. Для формования изделий при­меняют пресс-формы, которые изготавливают из прочных легиро­ванных сталей с высокой чистотой рабочих поверхностей.

Формы помещают в гидравлические или кривошипные прессы и проводят операцию прессования. В зависимости от размеров де­тали применяют одно- или двустороннее прессование.

Спекание проводят в электрических или вакуумных печах в вос­становительной или защитной среде для предохранения металлов от окисления. В результате спекания сцепление частиц порошка происходит вследствие взаимной диффузии атомов настолько плотно, что отдельные частицы порошка перестают существовать самостоятельно. Продолжительность процесса спекания может со­ставлять от нескольких минут до нескольких часов, что зависит от конфигурации и размеров изделия.

При горячем прессовании процессы прессования и спекания про­водят одновременно, что сокращает время спекания в 20...30 раз. После спекания заготовки калибруют или чеканят, т. е. снимают под большим давлением с помощью пресс-формы, выполненной точно по размерам готового изделия, дефектный поверхностный слой за­готовки.

Широкое распространение получили металлокерамические твер­дые сплавы, которые обладают высокой твердостью и износостой­костью из-за наличия в их составе карбидов вольфрама, молибде­на, хрома и титана. Применяют металлокерамические твердые спла­вы для режущего и штамповочного инструмента, наплавки на быс­троизнашивающиеся детали.

Для изготовления металлокерамических твердых сплавов исполь­зуют мелкие порошки карбида вольфрама или карбида титана, об­ладающих высокой твердостью. В качестве вязких связующих ма­териалов в смесь вводят кобальт или никель. В электродах, кото­рые используются для герметизации корпусов микросхем ударной конденсаторной сваркой, применяют твердый сплав эльконайт, получают методом порошковой металлургии, пропитывая спрес­сованные вольфрамовые заготовки расплавленной медью, и выпус­кают в виде слитков цилиндрической формы.

Дата добавления: 2015-05-26