Методы создания монтажных соединений

ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Методы создания электрических соединений основаны на непосредственном контактировании соединяемых материалов и использовании промежуточных материалов в зоне соединения (рис. 6.1). Непосредственное контактирование соединяемых материалов осуществляют под воздействием давления (холодная сварка, накрутка, обжимка), теплоты и давления (различные методы сварки), давления и физического воздействия (УЗ-сварка). Соединения с промежуточными материалами в виде присадок припоя (пайка) или токопроводящего клея (склеивание) выполняют под действием давления и теплоты.

рис. 6.1. Классификация методов выполнения электрических соединений

Основные требования, предъявляемые к электрическим соединениям при монтаже ЭА:

· минимальное электрическое переходное сопротивление в зоне контакта;

· механическая прочность, близкая к прочности соединяемых материалов;

· стабильность электрических и механических параметров во времени при внешних воздействиях;

· высокая надежность и долговечность в заданных условиях эксплуатации;

· экономичность и производительность процесса создания;

· легкость и достоверность контроля качества.

Низкое электрическое переходное сопротивление и высокая механическая стабильность соединений достигаются за счет сил атомной связи, при которой атомы контактирующих металлов, оставаясь в узлах кристаллической решетки, отдают со своих внешних оболочек электроны, коллективизируемые в виде электронного газа. Для возникновения металлической связи необходимо атомы металлов сблизить до расстояния 1—10 нм и ввести энергию в зону соединения. Энергия может быть введена посредством нагрева, давления или трения. При нагреве с ростом температуры увеличивается подвижность атомов, а с появлением жидкой фазы значительно возрастает скорость диффузии.

Давление необходимо для сближения взаимодействующих металлических поверхностей на расстояния, при которых действуют силы Ван-дер-Ваальса. При степени деформации больше 50 % благодаря диффузии возникает металлическая связь. При перемещении механических поверхностей относительно друг друга в процессе трения в месте соприкосновения макровыступов поверхности создаются высокие удельные давления, которые приводят к пластическому течению или расплавлению металла.

Серьезным препятствием для контактирования являются жировые пленки и химические оксиды на поверхности соединяемых металлов. Удаление этих пленок химическими (флюсованием, обезжириванием) или физическими (ультразвуком, плазменной очисткой) методами является неотъемлемой частью процесса образования соединения.

Наиболее важным показателем электрических соединений является переходное электрическое (контактное) сопротивление. Если сравнить падение напряжение в трех случаях: в сплошном проводнике на участке АВ (рис. 2.2), в зоне контакта двух соединенных непосредственно друг с другом материалов и в зоне контакта через промежуточный материал, то окажется, что оно будет различным.

Для сплошного проводника электрическое сопротивление постоянному току R_v определяется на основании известного закона Ома. Для двух соединенных металлических проводников одинакового сечения и материала электрическое сопротивление контакта

где R _пер — переходное электрическое сопротивление. В этом случае гомогенную связь между материалами нарушают различные поверхностные неровности и оксидные пленки в месте контакта и переходное сопротивление складывается из сопротивления оксидных пленок R _п и сопротивления сужению R _c:

Сопротивление сужению возникает вследствие неровности поверхности контакта, наличия дефектов в зоне контакта и стягивания линий тока.

Для электрического соединения через промежуточный материал контактное сопротивление складывается из следующих составляющих:

,

где R _м — электрическое сопротивление слоя промежуточного материала.

а - сплошной проводник; б - непосредственное контактирование;

в - соединение через промежуточный материал

рис. 2.2. Схема измерения падения напряжения в зоне контакта:

Поскольку отношение удельных электрических сопротивлений оловянно-свинцовых припоев и медного проводника , то контактное сопротивление паяного соединения выше, чем соединения с непосредственным контактированием. С учетом этого расчет паяного соединения на токовую нагрузку проводится в наиболее "тяжелом" варианте, т. е. считается, что весь ток проходит через припой. Для круглых деталей, соединяемых встык при D ₂ > D ₁ (рис. 6.3, а), диаметр припоя в соединении рассчитывается так:

,

где D ₁ — диаметр соединяемого проводника.

Сравнительная характеристика параметров электрических соединений, выполненных различными методами, приведена в табл. 6.1.

Паяные электрические соединения нашли самое широкое применение при монтаже ЭА благодаря следующим достоинствам: низкому и стабильному электрическому сопротивлению, широкой номенклатуре соединяемых металлов, легкости автоматизации, контроля и ремонта. Недостатки паяных соединений связаны с высокой стоимостью используемых цветных металлов, необходимостью удаления остатков флюса, низкой термостойкостью.

Сварные электрические соединения по сравнению с паяными имеют следующие преимущества: более высокая механическая прочность, отсутствие присадочного материала, меньшая площадь контакта. К недостаткам следует отнести: критичность при выборе сочетаний материалов, увеличение переходного сопротивления из-за образования интерметаллидов, сложность группового контактирования и ремонта.

а - стыковое; б - нахлесточное

рис. 6.3. Соединения пайкой:

Табл. 6.1. Параметры электрических соединений

Вид соединения	Переходное сопротивление R пер, мОм	Прочность Р, МПа	Интенсивность отказов 1·10^-9, ч^–1	Тепловое сопротивление R т, °С/Вт
Сварка	0,01—1	100—500	0,1—3,0	0,001
Накрутка	1—2	60—80	0,2—0,5	0,0005
Пайка	2—5	40—50	1—10	0,002
Обжимка	1—10	20—50	2—5	0,001
Токопроводящим клеем	(1—10) Ом·м	5—10		5,0

Электрические соединения, основанные на пластической деформации элементов в холодном состоянии (накрутка и обжимка), характеризуются высокой механической прочностью, низким переходным электрическим сопротивлением, легкостью механизации, экономичностью и надежностью при эксплуатации. К недостатками относятся: необходимость специальных контактирующих элементов, увеличенная площадь контакта.

Накрутка — это соединение оголенного провода со штыревым выводом, имеющим острые кромки, путем навивки провода на вывод с определенным усилием. При этом кромки штыря, частично деформируясь, врезаются в провод, разрушая на нем оксидную пленку и образуя газонепроницаемое соединение. Концентрация напряжений в зоне контакта и значительное давление (до 15—20 МПа) обусловливают взаимную диффузию металлов, что способствует повышению надежности соединений.

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 1·10^-4 Ом·см, предел прочности соединений на разрыв — до 26 МПа.

Дата добавления: 2014-01-07