|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 10 11 12 13 14 15 16 ... 31 Твердая пайка применяется, когда температура или механическая прочность мягкой пайки недостаточна или когда металлы плохо поддаются пайке. Твердые припои имеют температуру плавления 250... 1000° С (табл. 7.4) и содержат в виде основного компонента медь или серебро. При производстве ИС часто используются сплавы золота, отличающиеся низкой температурой плавления, мелкокристаллической структурой и хорошим смачиванием многих поверхностей. При массовом производстве используются полуфабрикаты, которые помещаются в месте спая. Подготовленные таким образом изделия по нескольку десятков или сотен штук размещаются в гнездах специального оборудования, которое на ленте транспортера перемещается внутри туннельной печи. Вес частей, соединяемых пайкой, обычно создает достаточное давление, необходимое при пайке. Масса, однако, влияет на толщину и равномерность слоя припоя и его количество, выступающее по краям. При этом порядок расположения частей, соединяемых пайкой, количество припоя и конструкция подставки играют существенную роль. Так как флюсы не используются, выбор атмосферы в печи основывается иа компромиссе между наилучшим смачиванием и минимальным воздействием на элементы. Для особенно чувствительных к нагреву изделий (например, тонкопленочные ИС) состав атмосферы печи должен строго контролироваться. Пайка в тунельной печи обеспечивает постепенный нагрев и охлаждение, что исключает термоудары. Однако после пайки в соединяемых частях могут существовать механические напряжения, что Таблица 7.4. Химический состав припоев для пайки корпусов,
может вызвать отказы при низкой температуре и прн испытаниях йа термоциклы. Если перегрев изделия недопустим, то для ограничения области нагрева применяют индукционный нагрев или резистивный нагреватель (рис. 7.11, а). Прижим его к месту пайки осуществляется с помощью радиатора, хорошо отводящего тепло. При этом для припоя с температурой плавления 350°С температура внутри изделия будет только 150° С. Толщину, равномерность и выступающую часть припоя регулируют изменением усилия прижатия. Весь процесс пайки может происходить в камере с контролируемой газовой средой или в вакууме. Этот технологический процесс лучше всего подходит для корпусов размером не более 12,5 X 12,5 мм. Сварка. Металлические корпуса чаще всего герметизируют конденсаторной сваркой (сварка сопротивлением), роликовой, точечной и холодной. Конденсаторная сварка (рис. 7.11, б) применяется обычно для соединения никелевых и стальных частей и сплавов Fe - Ni. Для получения равномерного шва свариваемые детали соединяются с усилием 0,5 МПа в пневматическом прессе с помощью электродов из сплавов меди (Си-Ве или медь с вольфрамой накладкой). Через электроды пропускают импульс тока, выделенное тепло расплавляет поверхностный слой и образует герметичное соединение. Для больших корпусов метод нецелесообразен, так как резко возрастает мощность электроустановки. Недостаток метода состоит в том, что шов увеличивает размеры изделия. Процесс протекает быстро и безотказно для миниатюрных изделий, например транзисторов в корпусах ТО-5 и ТО-18.  Рис. 7.11. Способы соединения металлических корпусов: а - при помощи подогревателя; б - контактный нагрев; в <- роликовая сварка; г - холодная сварка; б -пайка твердым припоем с использованием ролика; I - давление; 2 - радиатор; 3 - корпус; 4 - твердый припой; 5 - крышка; 6 - опорная греющая плита; 7 -спай; й -электрод; 5 -стеклянный спай; /О -слой ковара, покрытый фольгой ковар - медь; - слой меди, покрытый фольгой медь - ковар в устройствах для конденсаторной сварки (гл. 13) напряжение в несколько сотен вольт заряжает через тиристор конденсатор емкостью 1000...10000 мкФ. Импульс тока, разряжающий конденсатор через схему с игнитроном, вызывает большой ток через обмотку, который, проходя через соединяемые детали, сваривает их. Для полупроводниковых приборов процесс протекает в среде сухого воздуха или инертного газа с точкой росы - 50° С, а иногда - 100° С. . Роликовая сварка сопротивлением используется для больших круглых и прямоугольных корпусов. Нагрев производится с помощью серии коротких импульсов тока с большой частотой следования и постоянной амплитудой. Импульсы пропускают через два вращающихся конических электрода, которые с усилием около 1 Н (100 гс) прилегают к противоположньш сторонам свариваемого корпуса (рис. 7.11, в). Каждый импульс нагревает ограниченную поверхность, так что свариваемый' слой становится непрерывным. Непрерывность шва при минимальной мощности импульсов достигается подбором амплитуды, длительности и частоты следования импульсов, а также скорости перемещения электродов. Преимуществом метода является то, что тепло выделяется на очень малой поверхности и быстро рассеивается. Температура внутри корпуса возрастает не более чем на 10...50° С. При сварке круглых корпусов электроды движутся по дуге 185°, а при сварке прямоугольных нагреваются одновременно противоположные стороны, после чего корпус автоматически поворачивается на 90° и продолжается сварка двух других сторон. Скорость сварки около 2,5 мм/с, мощность установки не превышает 600 Вт. Роликовая сварка сопротивлением находит все более широкое применение, в частности, для герметизации больших ИС (БИС). Оборудование (гл. 13) можно использовать для твердой пайки согласно схеме, изображенной на рис. 7.11, е. Аналогично выполняется точечная сварка, однако при этом свариваемые детали должны иметь фланец (отгиб). Вдоль фланца производится точечная сварка с шагом 0,2 мм так, чтобы точки сварки накладывались не менее чем на 0,05 мм. Однако этот метод малопроизводителен. Холодная сварка, которая в Польше используется для герметизации кварцевых резонаторов, основана на сжатии фланца корпуса в специальном приспособлении, помещенном в гидравлический пресс (рис. 7.11, г). Под действием силы сжатия слои металла становятся пластичными, что приводит к их соединению. Метод может быть использован для пластичных металлов, главным образом меди. Если корпус должен быть выполнен из ковара, он покрывается медью. Метод позволяет получить герметичное соединение без нагрева защищаемого изделия, а также уменьшает опасность загрязнений. Процесс иногда ведут в вакууме, что создает вакуум и внутри герметизируемого корпуса. Следует также обращать внимание на то, чтобы высокое давление не повредило герметизируемое изделие. Диаметр корпусов не должен превьш1ать 50 мм [13]. Сварка электронным лучом [47]. Этот метод, несмотря на то, что он требует специального оборудования - установок с электронньши пушками, целесообразно использовать для герметизации некоторых типов ЙС. Герметизация происходит в вакууме, скорость сварки достигает 750 см/мин, продолжительность сварки корпусов ИС 1,6 с (без ее нагрева). Пучок электронов разгоняется в поле 70... 150 кВ и имеет плотность потока энергии 10... 10® Вт/см, диаметр пучка не более 25 мкм, так что необходимая мощность установки невелика. Преимуществом метода является то, что отсутствуют электроды, соприкасающиеся с корпусом. Ориентация свариваемых деталей относительно электронного луча выполняется с помощью электронного оборудования. Когда требуется широкая область нагрева, лучу сообщаются поперечные колебания. Фланец, при электронной сварке также необходим, хотя и очень небольшой. Процесс имеет периодический характер, так как после каждой загрузки электронно-лучевой установки следует 15-мин откачка воздуха для получения вакуума. Прочность спая составляет 2 Н (200 гс). Сварка лазерным лучом имеет много преимуществ перед другими видами сварки [47]: позволяет вести прецизионную сварку в труднодоступных местах; свариваемые поверхности не требуют сжатия; ширину шва можно изменять от 2,5 мкм и больше, свариваемые металлы могут быть разнородными, а прочность шва может быть больше, чем свариваемых металлов; при сварке не требуется защитная атмосфера и не выделяется много тепла; параметры сварки можно контролировать и регулировать в широких пределах. Типовые параметры сварки следующие: энергия импульса Е = 5 Дж, длительность / = 4 мс, частота 20 мин диаметр луча 2,5... 500 мкм. Плотность энергии на единице площади свариваемой поверхности А равна / = EltA. Ширина шва должна быть тем шире, чем толще свариваемые детали. Соединение стеклом. Стеклянные спаи применяют дЛя соединения деталей из стекла, металла и керамики (рис. 7.12), а также для изготовления проходных изоляторов (см. рис. 7.4). Стеклянные спаи должны после раставления обладать хорошей текучестью, их вязкость должна быть 100...1000 Па-с (1000... 10000 П). Они должны хорошо смачивать соединяемые поверхности, а при соединении металлов раст-  Керамиш' Обпуукениый- слой Рис. 7.12. Конструкции вакуумплотных корпусов, используемых для герметизации транзисторов: а - стекло - металл; б - керамика - металлизация - металл; е - металл - металл - стекло - металл а) 16 р и 12. 10 6 Б
S00 700 900 то IZOO то к  15 25 35 45мш Рис. 7.13. Процесс плавления стекла: зависимость от температуры вязкости (а) и времени кристаллизации (б): / - стекло аморфное: 2 - кристаллизирующееся ворять верхний слой окислов, что является непременным условием прочного соединения с металлом. Следует учитывать, что смачиваемость зависит от температуры и газовой среды, в которой выполняется соединение, от вида соединяемых материалов, параметров нагрева, а в случае сварки металлов от их способности образовывать растворимую и соединяющуюся со стеклом пленку окисла (см. рис. 7.2). Различают два типа аморфных стекол для получения спаев: легкоплавкие с большим коэффициентом расширения и тугоплавкие - с малым. Вязкость аморфных стекол резко падает с ростом температуры. После остывания они становятся блестящими и прозрачньши, а при повторном плавлении имеют ту же вязкость (рис. 7.13, а). Кристаллизующиеся стекла первоначально также прозрачные и блестящие, а вязкость их уменьшается с ростом температуры, но после превышения определенной температуры начинается процесс кристализации; с дальнейшим повышением температуры начинает возрастать вязкость (рис. 7.13, а). Стекло постепенно утрачивает блеск и прозрачность. Процесс кристаллизации необратим, новое плавление уже закристаллизовавшегося стекла требует значительно более высоких температур, а стекло утрачивает первоначальные свойства. Если, однако, при плавлении кристаллизующегося стекла не превышается температура кристаллизации, то оно возвращается после застывания в исходное состояние. Усадка кристаллических стекол зависит от степени кристаллизации, т. е. от времени и температуры нагрева после плавления. Чем больше время кристаллизации при данной температуре, тем ниже (рис. 7.13, б) может быть температура спекания и меньше усадка и напряжение в спае. Напряжение в кристаллизующихся стеклах в общем случае меньше, чем в обычных. Кристаллизуюш,иеся стекла лучше выдерживают изгиб, растяжение, удары, лучше проводят тепло, имеют более высокое значение диэлектрической прницаемости и лучшие электрические параметры, чем аморфные стекла. Кристаллическими стеклами можно соединять такие разнородные материалы, как Си и AI2O3 без предварительной дорогой и трудоемкой металлизации. Стеклянные сплавы поставляются в порошках с размером зерен 400...800 (число ячеек в сите на 1 дюйм) специализированными фирмами (Corning, Owens, Illinois). В табл. 7.5 и на рис. 7.14. приведены ассортимент и свойства стекол для получения спаев, выпускаемых этой фирмой. Состав стекол не сообщается, кроме содержания щелочей, что необходимо для определения области использования. Однако обширная литература [27, 50, 55, 70, 88, 148] позволяет установить ряд составных частей спаев из стекла. Свойства одного из типовых кристаллизирующихся стекол с составом [47, 48] РЬО - 46...50%, Zn - 24... 28%, В2О3- 19...20%, SiOg -5...6%, ВаО- 1...1% и SnOg -0... 1% приведены на рис. 7.15. Температура плавления 575° С, а при кристаллизации образуется соединение 2 РЬО ZnO В2О3, которое при по-вьш1ении температуры превращается в PbOg ZnO В2О3, что приводит к резкому изменению ТКР. Присутствие Sn02 в значительной мере препятствует изменению ТКР и делает превышение температуры кристаллизации менее критичным. Как показали исследования, кристаллизация этого стекла начинается на поверхности зерен порошка. Присутствие Sn02 облегчает также кристаллизацию внутри зерен. Величина зерен является вторьш фактором после температуры, которым можно воздействовать на скорость кристаллизации (см. рис. 7.15, а). При быстрой кристаллизации размеры большей части кристаллов остаются небольшими, что повышает механическую и электрическую прочность спая. Чтобы при использовании порошка высшего качества не возникали микропустоты (рис. 7.15, в), порошок должен содержать зерна разного размера. Оптимальная температура образования спая для рассматриваемого стекла составляет 450° С. Процесс плавления и смачивания показан на рис. 7.16. Он продолжается 10 мин. Порошки стеклянных спаев наносятся обычно в виде суспензии в. амиловом спирте и нитроцеллюлозе, которые растворяются и испаряются в первой фазе нагревания. Порошки можно предварительно брикетировать. При выполнении стеклянных спаев используется метод первоначального покрытия поверхностей стеклом, а затем они складываются и нагреваются до температуры, при которой происходит соединение обеих поверхностей. Стекла для спаев поставляются также в виде паст, которые наносятся методом печати через маску. Такая техника, используемая главным образом для микроэлектронных изделий, имеет много преимуществ по сравнению с распылением эмульсии. Потери материала очень малы, покрывается точно определенная поверхность, отсутствуют вредные испарения и пыль. Толщина наносимого за один раз слоя составляет 0,2...0,3 мм. Типичньм материалом этого класса являются пасты фирмы Electro Science Laboratories (США) с обозначениями от 4008 до 4012. Температура плавления идет находится в интервале от 360...410 т - Таблица 7.5. Свойства стеклянных спаев фирмы Owens, Illinois
10 Состав форстерита 2MgO-Si02.  wou - 500 №0
4000 3000 100 гОО 300 400 !00 с 600
1000 о 5000 3000 ЮОО  1 I Forshryt 100. - 200 -300 400 500 cm
 Fcrsteryt  44М1Щ  100 гоо 300 400 soo °сеоо Рис. 7.14. Зависимости ТКР стеклянных спаев фирмы Owens, Illinois от температуры  so ICO ISO гоо 250 зоо зза то с -!-Г------------- J I 1 ИГ 200 зоб т 500 600 700 с ш МПа  и ю 2(1 311 ID ill м га т тн  мим1мии о 2 А е 8 10 12%  550 °С 600 Рис. 7.15. Свойства свинцово-цииково-борного кристаллизирующегося стекла: п - кривые DTA при разной величине зерен; б - изотерма DTA; в - влияние пористости на модуль упругости и электрической прочности; г - скорость тсристаллизации в зависимости от температуры  435 °С 440 С 445 С 450 С >иии 4 мин 5 мин е Нет 7 мин в мин 9 мин 1 мин Рис. 7:16. Процесс смачивания кристаллизирующимся стеклом поверхности металла в процессе плавления  60 mi Рис. 7.17. Ход процесса плавления и кристаллизации стеклянной пасты на базе кристаллического стекла: а - размягчение; б - спайка и кристаллизация ДО 475...510°С, а температура получения твердого спая - от 400...450 до 490...530° С, ТКР материалов соответствует керамикам на базе AlgOg и ВеО, форстеритовой и стеатитовой керамике, а также сплава Fe-Ni-Co. Процесс кристаллизации пасты типа 4010 показан на рис. 7.17. Нанесение стеклянной пасты печатным способом позволяет автоматизировать эту операцию. Производительность автоматов с расположением изделий по двум параллельным линиям составляет 25000 ч После нанесения стекла корпуса помещают в туннельную печь с аналогичной производительностью, в которой происходит герметизация. Производительность оборудования примерно такая же, как при опрессовке деталей синтетическими материалами. Для получения высококачественных спаев необходимо стремиться к тому, чтобы напряжения, возникающие в спае, были сжимающими и не растягивающими, т. е. ТКР стекла был меньше, чем у соединяемых частей, соединяемые металлические части должны быть как можно тоньше и не иметь выступов, приводящих к росту напряжений. Разница усадки в утолщенных спаях допускается 0,01...0,05%, в тонких - 0,05...0.1%. В соединениях деталей из стекла температура размягчения спая должна быть ниже верхней температуры снятия напряжений (рис. 7.18). При соединении металлов с разными ТКР рекомендуется использовать многослойный стеклянный спай с постепенно изменяющимся ТКР (такие стекла марок PS 2... PS14 с ТКР 1 10 ~...90-10 ~ ° С производятся стеколь-  100 S0O ООО к ными заводами в Ожарове). Рис. 7.18. Расширение стеклянного спая в процессе спайки (стекло фирмы Corning): 1 - температура размягчения; 2 - температура превращения 1 ... 10 11 12 13 14 15 16 ... 31 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||