Контроль качества паяных соединений.

Процессы контроля при монтаже ЭА включают:

– проверку соединяемых ма­териалов на паяемость,

– контроль тех­нологических режимов пайки,

– оценку качества соединений.

Паяемость характеризует способ­ность паяемого материала вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовы­вать надежное паяное соединение. Пая­емость зависит от физико-химической природы металлов, способа и режимов пайки, флюсующих сред, условий под­готовки паяемых поверхностей.

Поскольку для образования спая не­обходимо и достаточно смачивания по­верхности основного металла расплавом припоя, это гарантирует с физической стороны процесса паяемость, а с техно­логической условие соблюдения режимов процесса пайки. Паяемость метал­лов оценивают несколькими методами:

– замером площади растекания припоя и определением коэффициента астекания Кр:

где S₀, S_p – площади дозы припоя до и после растекания соответст­венно;

– определением Кр по высоте капли растекшегося припоя:

гдеH₀ , H_р – высота капли припоя до и после растекания (рис. 3.27);

– краевым углом смачивания θ;

– по высоте или времени подъема припоя в капиллярном зазоре;

– по усилию, действующему на обра­зец металла, погружаемого в припой.

Рис. 3.27. Схема растекания капли припоя.

Высота капли до растекания нахо­дится из условия несмачивания по­верхности:

где ρ – плотность припоя;

g – уско­рение свободного падения.

Для измерения высоты капли припоя после растекания разработан прибор, в основу которого положен принцип бесконтактного измерения высоты ка­пли с помощью индуктивного преоб­разователя (рис. 3.28).

Рис. 3.28. Схема прибора для измерения высоты капли растекшегося припоя

Он содержит ин­дуктивный преобразователь 1, высо­кочастотный генератор 2, измеритель частоты 3 и регистрирующий прибор 4. В осевом отверстии катушки индук­тивного преобразователя жестко за­креплена игла 5 из материала, смачи­ваемого припоем 6. Игла устанавлива­ется на исследуемую поверхность образца 7, длина иглы должна превы­шать высоту капли припоя при полной несмачиваемости исследуемого мате­риала. Для расплавления навески при­поя используют нагреватель 8.

Перед началом испытаний в центре образца размещают навеску припоя дозированной массы 250мг и дозиро­ванный объем флюса (0,01 мл). Вклю­чают нагреватель и уста-навливают на заданном уровне температуру испыта­ний. С помощью секундомера фикси­руют начало и конец растекания кап­ли припоя, определяют частоту по по­казаниям прибора и, применяя по­строенную для данного материала но­мограмму, находят высоту капли рас­текшегося припоя, а затем коэффици­ент растекания припоя.

По критерию паяемости все много­образие современных паяемых мате­риалов различной физико-химической природы можно классифицировать на следующие основные группы: легкопаяемые, среднепаяемые, труднопаяемые и непаяемые (табл. 3.8).

Табл. 3.8. Классификация материалов по паяемости.

Группа материалов	Материалы	Кр	θ , град
Легкопаяемые Среднепаяемые Труднопаяемые   Непаяемые	Олово, золото, серебро, медь и ее сплавы Бронза, латунь, никель, цинк, стали малоуглеродистые Нержавеющая сталь, магний, алюминий, титан, молибден, тантал Керамика, стеклокерамика, ферриты, полупроводники	0,97 – 0,80 0,82 – 0,60 0,60 – 0,50   –	0 – 12 5 –20 20 – 40   120 – 160

Контроль качества предусматривает следующие виды оценки паяных со­единений:

– по внешнему виду с использованием эталона паяного соединения при 100 %-м контроле;

– прочности соединений на отрывпри выборочном контроле на об­разцах-свидетелях;

– переходного сопротивления контакта выборочно для различных про­водников;

– надежности соединения путем опре­деления интенсивности отказов в те­чение заданного срока испытаний.

Определение качества паяных со­единений по внешнему виду прово­дится путем их осмотра с помощью бинокулярного микроскопа МБС-9 при увеличении в 8–56 раз. При этом соединения с гладкой блестящей по­верхностью без трещин и следов пере­грева, с полностью заполненным за­зором между паяемыми деталями, при угле смачивания 5–10° считаются высококачественными. Одновременно от­мечаются такие дефекты, как холод­ный непрогретый слой, избыток или недостаток припоя, короткозамыкающее паяное соединение.

Критериями оценки прочности пая­ных соединений являются: усилие от­рыва, устойчивость соединений при воздействии знакопеременных нагру­зок и вибропрочность. Оценку проч­ности на отрыв дают по среднему зна­чению усилия отрыва, которое для паяного соединения меди припоем ПОС61 при оптимальных режимах со­ставляет не менее 30 МПа. Устойчи­вость паяного соединения к воздейст­вию знакопеременных нагрузок харак­теризуют средним числом циклов кручения на угол φ = ±0,75 град/мм, средним числом цикла изгиба вывода на угол α = ±10° относительно платы с частотой 50–100 циклов в минуту при одновременном воздействии осевой на­грузки Р, равной 0,1–0,5, усилия ста­тического разрыва припоя (рис. 3.29).

Рис, 3.29. Схема приложения знакопеременных нагрузок:

1 - основа; 2 - припой; 3 - вывод

Вибропрочность оценивают интер­валом времени, в течение которого паяные соединения противостоят раз­рушению под действием вибрации с частотой 50–2000 Гц и ускорения, со­ответствующего максимальному уско­рению при нормальной эксплуатации аппаратуры.

Для изучения структуры припоя при­готавливают металлографические шлифы, которые исследуют с помощью микроскопов МИМ-7, ММР-2Р. Во время испытаний обращают внимание на то, что надежному паяному соеди­нению соответствует мелкокристалли­ческая плотная структура припоя, что свидетельствует об оптимальных ре­жимах процесса пайки и охлаждения. Путем химического травления мик­рошлифов паяных соединений выяв­ляют наличие диффузионной зоны между припоем и основным метал­лом, в зависимости от ее ширины су­дят о качестве соединения. При на­греве происходит глубокая взаимная диффузия основного металла и при­поя, частичное растворение (эрозия) металла в припое, что приводит к об­разованию в нем интерметаллидов, снижающих прочность соединения.

При недостаточном нагреве глубина диффузии чрезвычайно мала, проч­ность чисто адгезионного спая не обеспечивает требуемой надежности соединения. Исследования прочности на разрыв паяных соединений выво­дов из меди припоем ПОС 61 показы­вают, что достаточная прочность обес­печивается при ширине диффузионной зоны 0,8–1,2 мкм. Переходное сопро­тивление паяного соединения рассчи­тывается по падению напряжения ме­жду двумя точками, расположенными на расстояниях х и у от границы раз­дела соединяемых металлов, по урав­нению:

где U – измеренное напряжение;

I – сила тока, проходящего через соеди­нение;

R_x; R_y – сопротивления участ­ков х и у (рис.7.30). Измерения про­водят при постоянном токе, так как при переменном токе возникает по­верхностный эффект, увеличивающий погрешность. Переходное сопротив­ление надежного паяного соединения не превышает 2–3 мОм.

Рис.3.30. Схема измерения переходного сопротивления.

Интенсивность отказов позволяет количественно оценить надежность паяных соединений и показывает, ка­кая доля паяных соединений, рабо­тающих в момент времени t, выходит из строя в единицу времени после момента t:

где – плотность вероятности вре­мени безотказной работы;

– ве­роятность безотказной работы.

За критерий отказа при испытаниях на надежность принимается полный обрыв соединения или увеличение па­дения напряжения на нем на один порядок. Примерный временной гра­фик проведения испытаний паяных соединений на надежность (рис.3.31) включает термоциклирование от +80 до -60 °С с длительностью цикла1 ч, отстой в нормаль-

Рис. 3.31. График испытаний на надежность:

1 - термоциклироаание; 2 - нормальные условия;

3 - на­грев до 80 °С; 4 - тропическая влажность.

ных условиях, нагрев до 80 °С и выдержку в атмосфере тро­пической влажности (98 % при 40 °С). Надежными считаются паяные соеди­нения, для которых суммарная интен­сивность отказов < 10 ^-8 ч ^-1.

Дефекты в паяных соединениях (по­ры, раковины, трещины) могут быть обнаружены с помощью телевизионно-рентгеновского микроскопа МТР-3 либо ультразвуковым дефектоскопом. Ультразвуковой контроль основан на изменении структуры акустического по­ля частотой 0,5–25 МГц при наличии в паяном соединении дефектов, отра­жающих УЗ-колебания. Универсальные УЗ-дефектоскопы типа УДМ-1М по­зволяют обнаруживать и определять раковины, трещины, поры, расслое­ние и другие дефекты в паяных со­единениях.

Определенная часть дефектов, ино­гда до 60 % общего числа, может быть выявлена методом модуляции элек­трического сигнала. Он основан на свойстве дефектов паяных соединений служить модуляторами сигнала. Кон­трольная аппаратура включает генера­тор с регулируемым переменным на­пряжением частотой 10 – 100 Гц, блок индикатора, состоящий из двухкаскадного предварительного усилителя, детектора, указателя уровня, фильтра-пробки, настроенного на фиксиро­ванную частоту (например, 3,2 кГц), двухкаскадного усилителя, осциллогра­фа или громкоговорителя.

После настройки генератора на частоту фильтра-пробки контролируемую схему подвергают вибрациям, при этом любое изменение омического сопротив­ления соединения вызывает по­явление электрического сигнала другой частоты, отличной от частоты генератора.

Одним из перспективных ме­тодов объективного контроля паяных соединений является оценка распределения темпера­турных полей в электронном модуле. При его использовании кон­тролируемую плату подключают к ис­точнику питания и генератору им­пульсов фиксированной частоты. По­сле установления теплового равнове­сия плату со стороны паек сканируют инфракрасным датчиком, соединен­ным с тепловизором, который позво­ляет воспроизводить распределение температур по поверхности исследуе­мого изделия. Прибор обнаруживает зоны локальных перегревов, соответ­ствующие дефектным паяным соеди­нениям, которые имеют температуру на 1–5°С выше номинальной. В ка­честве датчика используют фотоболо­метры и другие ИК-детекторы. Тепло­визор ТВ-03 (СССР) имеет темпера­турное разрешение 0,2°С в диапазоне измеряемых температур 25 – 300 °С.

Повышение качества контроля пая­ных соединений достигается путем при­менения лазерной системы контроля дефектов (рис. 3.32).

Рис.3.32. Схема лазерного контроля паяных соединений.

С помощью ге­лий-неонового лазера устанавливают точное местоположение контролируе­мого элемента 3 в прямоугольной сис­теме координат передвижного столика 4. Контролирующие лучи генерирует мощный неодимовый лазер, который работает в области инфракрасного излучения. Длительность процесса тестирования задает микропроцессор, управляя шторкой 1. Если пайка каче­ственная, ее поверхность блестящая и однородная, то луч света, управляемый системой зеркал 2, полностью отражается.

Если структура пайки крупнокристаллическая, то она начи­нает поглощать энергию луча, нагре­вается и сама является вторичным ис­точником инфракрасного излучения. Собранное в линзах 5 и отраженное зеркалом излучение воспринимается ИК-датчиком 6, сигнал с которого анализируется с помощью микропро­цессора и подается на осциллограф в виде термограммы. С помощью лазер­ного контроля обнаруживаются такие дефектные соединения, как раковины, внутренние включения, поскольку они имеют меньшую массу и нагре­ваются по этой причине быстрее, чем сплошные паяные соединения. Разо­грев паяного соединения с помощью Nd-лазера выходной мощностью 6 Вт происходит за 50 мс. На установке La­ser Inspect фирмы Vanzetti Systems (США) удается контролировать около десяти паяных соединений в секунду, которые расположены на расстоянии 1,25 мм друг от друга.

Если в дополнение к лазерной установке предусмотреть ультразвуко­вой контроль, то можно определить и те дефекты, которые не могут быть обнаружены с помощью лазера. Автоматизированный контроль паяных со­единений с комбинированной лазерно-ультразвуковой системой позволя­ет увеличить производительность кон­троля паяных соединений печатных плат, для чего микропроцессору зада­ется программа расположения соеди­нений на плате.

3.6. Физико-технологическое содержание сварки.

Сваркой называют процесс получе­ния неразъемных соединений мате­риалов с помощью металлической фа­зы либо контактированием в твердой фазе под действием давления, теплоты или их сочетаний. Процесс образова­ния сварного соединения состоит из четырех стадий: образования физиче­ского контакта между соединяемыми поверхностями, активации контакт­ных поверхностей, объемного разви­тия взаимодействия, кристаллизации.

На первой стадии контактируемые материалы сближаются на рас­стояние порядка

10-100 нм, между ними образуется физический контакт путем увеличения числа и размеров пятен схватывания по мере сминания гребешков микронеровностей. В этот период начинают действовать физиче­ские силы взаимодействия Ван-дер-Ваальса, контактная поверхность пла­стически деформированного металла активируется вследствие выхода дис­локаций, что создает условия возник­новения в контакте слабых химиче­ских связей.

На второй стадии начинается образование соединения за счет вве­дения дополнительной энергии в зону контакта, усиление активационных процессов на контактируемых поверх­ностях. В зоне, где энергия активации суммируется с энергией упругих на­пряжений (обычно в местах упругих искажений кристаллической решет­ки, дислокаций), возникает активный центр (очаг схватывания). Для актива­ции поверхностей используют различ­ные виды энергии: тепловую, дефор­мации, ультразвуковую и др. При теп­ловой активации за счет плавления и растекания жидкой фазы увеличивает­ся площадь контакта вокруг каждого активного центра. Отдельные контакт­ные пятна сливаются в более крупные очаги схватывания. Решающую роль при этом играют квантовые процессы электронного взаимодействия, проис­ходит коллективизация валентных электронов положительными ионами обеих фаз, т. е. образование металли­ческой связи в очаге схватывания.

Активирование энергией деформа­ции приводит к очистке сопрягаемых поверхностей в зоне контакта от ок­сидных и адсорбционных пленок, а также к размножению и выходу дис­локаций на контактную поверхность и увеличению числа активных центров. При воздействии УЗ-колебаний на­блюдается упрочнение поверхностных слоев в зоне сварки, что приводит к деформированию более глубоких сло­ев твердого тела с одновременным ин­тенсивным тепловыделением, вызван­ным трением сжатых контактных по­верхностей. В результате деформация увеличивается в большем объеме ме­талла, разрастаются мостики схваты­вания.

На третьей стадии процесса развивается взаимодействие соединя­емых материалов как в плоскости, так и в объеме зоны контакта, заканчи­вающееся слиянием очагов схватыва­ния, что является необходимым усло­вием возникновения Прочных хими­ческих связей между материалами. Но оно может оказаться недостаточным для получения прочного сварного со­единения, если к этому моменту не произойдет релаксация напряжений. Увеличение времени сварки усиливает гетеродиффузию, что может упрочнить соединение при образовании твердых растворов замещения либо разупрочнить при образовании хрупких интер-металлидных фаз. Стадии процесса сварки можно рассмотреть на кинети­ческой кривой изменения прочности сварного соединения (рис. 3.33).

Рис. 3.33. Зависимость прочности соединения от длительности сварки

Длительность стадии А образования физического контакта определяется уравнением:

где ε – относительная деформация: ε = а/h_max;

а – величина сближения по­верхностей;

h_max– максимальная вы­сота микровыступов;

с– коэффици­ент, учитывающий форму микроне­ровностей: с = 0,3-0,7;

m – коэффи­циент: m = 3-5; V _Ф – скорость пла­стической деформации в момент

достижения физического контакта.

При сварке разнородных металлов можно предположить, что физический контакт будет образовываться за счет более пластичного материала, поэтому длительность развития этого контакта будет зависеть в основном от скорости ползучести. Высота микронеровностей и их геометрия зависят от вида обра­ботки: при грубых видах типа точения или фрезерования отношение микро­выступа к его высоте составляет 20 – 50, а при полировке – 100–200. При этом высота микронеровностей изме­няется от 50 до 0,01 мкм соответст­венно. Приняв условно форму микро­выступа в виде конуса, получим, что скорость пластической деформации:

где l₀ – длина основания микровы­ступа;

l_к/2 – длина образующей ко­нуса;

t– время сглаживания.

Длину образующей конуса можно определить из геометрии микровы­ступа:

где h₀ – высота микровыступа;

n = l₀/h_o – чистота обработки (для 5-го класса n= 10, для 7-го – 20, для 8-го – 30).

Длительность стадии В активации контактных поверхностей:

где γ – коэффициент, зависящий от типа взаимодействующих материалов;

Е_а – энергия активации;

k – постоян­ная Больцмана: k = 1,381·10^-23Дж/К;

Т – температура в зоне взаимодейст­вия;

α – коэффициент (для полупро­водников α = 3,4);

τ – контактное ка­сательное напряжение.

При сварке металлов с полупровод­никами (кремнием, германием) Е_а со­ставляет 2–3 эВ, длительность стадии активации – единицы секунд. При сварке однородных металлов в усло­виях высоких скоростей пластической деформации длительность периода ак­тивации мала

(t_В ≤ 10 ^-3с).

Анализ зависимости прочности со­единения от времени сварки показы­вает, что быстрый рост прочности происходит на стадиях А и В, в тече­ние которых генерируется избыточное количество дефектов. Для стадии уста­новившейся ползучести С характерен определенный баланс между количе­ством дефектов (вакансий и дислокаций), при этом выход дефектов в зону реакции ограничен, что замедляет рост прочности на этом этапе.

На стадии С взаимодействие разви­вается на активных центрах, которые, распространяясь в плоскости контакта и соединяясь, образуют очаги взаимо­действия. Длительность стадии опре­деляется формулой:

где r – радиус взаимодействия в плос­кости контакта;

β – коэффициент, за­висящий от рода материала;

D₀ – предэкспоненциальный множитель;

r₀ – радиус начала очага взаимодействия;

Е_р – энергия релаксации напряжений.

Итак, необходимым условием обра­зования сварного соединения является активирование поверхности менее пластичного из свариваемых материа­лов. Наиболее распространены следу­ющие способы активации (рис. 3.34):

Рис.3.34. Классификация способов сварки.

– тепловой энергией (Т-, Т, t-процес­сы);

– тепловой энергией и специальной атмосферой (Т, А-процессы);

– энергией деформации давлением (Р-процессы);

– тепловой и деформационной энер­гией (Р, Т-процессы);

– ультразвуковой энергией (Р, f-про­цессы);

– энергией деформации ползучести (Р, Т, t, А-процессы).

Характерная особенность сварного соединения, полученного плавлени­ем, – зональная структура (рис. 3.35).

Рис. 3.35. Структура сварного соединения:

1 - ядро; 2 - граница раздела; 3 - зона легирования;

4 - зона термического влияния

Первая зона – литое ядро, которое представляет собой закристаллизовав­шуюся жидкую фазу. Вторая зона – граница раздела между соединяемыми фазами (0,30–1,0 мкм). Третья зона – приконтактная, она имеет размеры в несколько десятков микрометров – это область диффузионного легирова­ния. Последняя – зона термического влияния, обусловленная неравномер­ным нагревом деталей (10–100 мкм).

При других методах сварки структу­ра соединения может отличаться от описанного выше. При сварке давле­нием за счет глубокой пластической деформации, при которой разрушают­ся и выдавливаются в стороны оксид­ные пленки и другие загрязнения, по­граничные зерна измельчаются и сближаются. Между ними возникают межкристаллитные силы взаимодейст­вия. Вследствие неодинаковой текуче­сти металлов и проявления сил трения пограничные зерна частично перема­лываются. Граница между металлами исчезает, а по мере протекания про­цесса диффузии растет диффузионная область.

При сварке УЗ-колебаниями между соединяемыми поверхностями деталей возникают силы трения, под действи­ем которых происходит местный разо­грев поверхностных слоев металла. Вследствие интенсивной знакопере­менной деформации металл переходит в высокопластичное состояние, что приводит к резкому измельчению зер­на и развитию дефектов в кристалли­тах. Металлы в зоне деформации на­греваются до температур, близких к температуре рекристаллизации. Одна­ко из-за относительно низкой темпе­ратуры и ограниченного времени про­цесс диффузии не успевает завер­шиться, поэтому структура соедине­ния близка к структуре металлов при сварке давлением.

Монтажная микросварка.

Монтажная микросварка применяет­ся при монтаже кристаллов ИМС с по­мощью золотых и алюминиевых выво­дов. Процесс УЗ-микросварки основы­вается на введении механических коле­баний УЗ-частоты в зону соединения, что приводит к пластической дефор­мации приконтактной зоны, разруше­нию и удалению поверхностных пленок с созданием атомно-чистых (ювенильных) поверхностей, что интенсифици­рует процесс образования активных центров и тем самым приводит к об­разованию прочного сварного соеди­нения без большой пластической де­формации свариваемых деталей.

Наиболее часто применяются про­дольные колебания частотой 66 кГц, вводимые в зону сварки с помощью волноводной системы (рис.3.36), со­стоящей из преобразователя 1, аку­стического трансформатора 2, кон­центратора 3. Колебания от рабочего инструмента 4 сообщаются проволоч­ному выводу 5, совмещенному с кон­тактной площадкой 6, расположенной на акустической опоре 7. Волноводная система крепится в узле колебаний держателем 8.

Рис.3.36. Схема УЗ-микросварки.

Режим сварки на заданной частоте характеризуется следующими параметрами:

1. энергией ультразвуковых колебаний Е:

Е = AFt

где А – амплитуда колебаний (2–5 мкм);

F– частота колебаний;

t – время микросварки.

Увеличение времени сварки повышает проч­ность сварного соединения за счет роста суммарной площади очагов схватывания до определенного пре­дела, увеличение времени более 3–5 с приводит к усталостному разру­шению соединения;

2. акустической мощностью Рак, вво­димой в сварочную зону и связан­ной с электрической мощностью Р, подводимой к преобразователю, со­отношением:

где η_м – механический КПД пре­образователя (0,5–0,7 для магнито-стрикционных, 0,8–0,9 для пьезо­электрических);

Р₀ – мощность по­терь на подмагничивание;

3. контактным усилием сжатия F, ко­торое зависит от толщины свари­ваемых элементов и подводимой мощности. При недостаточном уси­лии сжатия не достигается необхо­димое сцепление между инструмен­том и деталью, так как происходит проскальзывание инструмента по детали. Увеличение усилия сжатия приводит к чрезмерной деформации сварной точки и снижению прочно­сти соединения. Оптимальная сте­пень обжатия вывода выбирается в соответствии с коэффициентом де­формации 0,5–0,6:

где d_np – диаметр проводника;

Н_Д – высота деформированной зоны;

4. формой рабочей части инструмента, которая выбирается из соображения, что длина деформируемого при свар­ке проводника должна быть равной 2–3 диаметрам проводника. Повы­шению прочности способствует не­большой паз в центре рабочей части вдоль свариваемой проволоки.

Функциональные особенности кон­структивных элементов инструмента при УЗ-микросварке заключаются в следующем (рис. 3.37):

Рис.3.37. Рабочая часть инструмента для УЗ-микросварки

– диаметр направляющего отверстия выбирается из условия устранения возможности забивки его материа­лом привариваемой проволоки:

d₀ ≥1,5d_np;

– угол наклона направляющего отверстия определяется условиями пере­мещения инструмента на вторую сварку, зависит от высоты и длины проволочной перемычки:

где h – высота проволочной петли;

γ – перемещение стола. Оптималь­ная величина угла α составляет 30°;

– длина рабочей части инструмента L определяет длину деформируемой при сварке проволоки и выбирается из соотношения L = 2dnp; оптималь­ное значение L составляет 0,1 мм для проволоки диаметром 27 мкм и 0,2 мм для проволоки диаметром 60 мкм;

– глубина продольного паза b зависит от коэффициента деформации kд=0,6:

b = (0,01– 0,05) мм;

– удаление выхода отверстия от зад­ней кромки рабочей площади инструмента должно обеспечивать сим­метрию петли проволочной пере­мычки: lуд = 8dпр;

– угол наклона задней кромки рабочей площади β должен обеспечивать подрезку проволоки после второй сварки без остаточных напряжений в ней. Оптимальная величина угла β составляет 60°.

Для присоединения внахлест прово­локи из алюминиевых сплавов УЗ-микросваркой используют капилляры из твердых сплавов типа ВК-20 с упроч­ненной рабочей поверхностью типа КУТ32-27-95-15, где КУТ – капилляр для УЗ- и термозвуковой сварки,

27 – диаметр проволоки, 95 – размер L, 15 – размер R.

Анализ факторов, влияющих на ка­чество и надежность микросварных соединений, показывает, что все тех­нологические параметры УЗ-микро­сварки оказываются настолько тесно связанными, что неудачный выбор од­ного из них изменяет ранее установ­ленные значения других. Поэтому для обеспечения высокого качества и вос­производимости ультразвуковой сварки важны:

– обеспечение заданной микро­геометрии поверхности контактных площадок;

– оптимизация технологиче­ских параметров УЗ-микросварки ме­тодом математического моделирования;

– разработка новых способов микро­сварки с активацией процесса физи­ко-химического взаимодействия кон­тактирующих металлов.

УЗ-микросварка позволяет соеди­нять без значительного нагрева самые разнообразные металлы (алюминий, медь, никель, золото, серебро), а так­же металлы с полупроводниковыми материалами. Выполнение проволоч­ного соединения контактной площад­ки на кристалле с траверсой корпуса требует наряду со сварочными опера­циями действий по совмещению ин­струмента с местом сварки на кри­сталле и корпусе схемы.

Накрутка и обжимка.

Монтаж накруткой, предназначен­ный для получения электрических со­единений одножильных проводов со штыревыми выводами разъемов, был разработан в США в 1952 г. фирмой Bell Lab's и широко применяется для электрического монтажа блоков, па­нелей и рам ЭВМ. Монтаж накруткой исключает применение припоев и флюсов, ускоряет процесс межблоч­ного монтажа, повышает надежность соединений по сравнению с паяными, создает возможность автоматизации межблочного монтажа.

Рис.3.38. Соединение накруткой:

а - внешний вид; б - сечение; 1-штырь; 2-одножильный провод;

3-область газонепроницаемого соединения; 4-кромка штыря.

Контактное соединение накруткой – соединение неизолированного одножильного провода со штыревым вы­водом, имеющим острые кромки, при котором провод навивается на вывод с определенным усилием (рис.3.38). При этом кромки штыря, частично деформируясь, врезаются в провод, разрушая на нем оксидную пленку, и образуют газонепроницаемое соеди­нение. Концентрация напряжений в зонах контакта и среднее давление порядка 170 МПа обусловливают вза­имную диффузию металлов, что спо­собствует повышению надежности со­единений. Срок службы соединений при нормальных климатических усло­виях 15–20 лет.

Соединение накруткой должно иметь минимальное переходное сопротивле­ние (не более 1–3 мОм), сумму пло­щадей контактных точек больше пло­щади поперечного сечения провода во избежание местного перегрева при прохождении тока.

Перечисленные требования обеспе­чиваются выбором материала штыре­вого вывода, конструкции соединения, технологических режимов. Материал штыревого вывода должен обладать прочностью и упругостью, чтобы про­тивостоять усилию скручивания, а также высокой электропроводностью. Лучшими материалами, имеющими вы­сокий модуль упругости, низкое оста­точное напряжение и коэффициент ли­нейного теплового расширения, близ­кий к коэффициенту медного провода, являются бериллиевая, фосфористая и кремнистая бронзы (например, Бр. Б2 содержит в среднем 2% бериллия, Бр. КМцЗ-1 – до 3 % кремния, отличает­ся высокой коррозионной стойкостью и заменяет дорогостоящую бериллиевую бронзу). Формы поперечного се­чения выводов под накрутку приведе­ны на рис. 3.39.

Наибольшее распространение полу­чили штыри квадратной и прямо­угольной формы; U- и V-образные штыри обладают большей упругостью и применяются при рабочих темпера­турах до 180°С, когда снижение на­пряжения в проводах компенсируется силой упругости штырей и позволяет сохранять электрические и механиче­ские параметры соединений. Для защи­ты поверхностей штыревых выводов от коррозии, а также для

Рис.3.39. Формы поперечного сечения выводов:

а - квадратная; б - прямоугольная; в - ромбовидная; г -U-образная, д - V-образная

снижения пе­реходного контактного сопротивления применяют следующие покрытия шты­рей: гальваническое золочение (3– 6 мкм), серебрение (6–9 мкм), луже­ние (олово или олово –свинец тол­щиной 35–40 мкм).

При расчете числа витков следует учитывать, что выводы квадратной, прямоугольной и ромбовидной формы сечения имеют по 4 точки контакти­рования на виток, V-образной и тре­угольной – 3, U-образной – 2,5. Две первые и две последние точки не дают надежного соединения, поэтому их не учитывают при расчетах.

При монтаже накруткой применяют три вида соединений: обычное, моди­фицированное и бандажное (рис. 3.40).

Рис. 3.40. Виды соединений накруткой:

а - обычное; б - модифицированное; в - бандажное

Обычное соединение получают путем накрутки на штырь неизолированного участка (4–8 витков) одножильного провода. Модифицированное соединение имеет дополнительно 1–2 витка про­вода в изоляции, что уменьшает кон­центрацию напряжений в точке касания провода первого витка и уменьшает вероятность обрыва при вибрациях. Бандажное соединение используют для крепления многожильного провода или вывода ЭРЭ к штырю путем на­крутки нескольких витков бандажного провода на параллельно расположен­ный вывод и бандажируемый элемент (провод, вывод, шина и т. д.). Для всех видов соединений накруткой не­обходимо плотное прижатие витков друг к другу, не допускается выход конца первого витка за пределы со­единения, что увеличивает опасность случайной развивки. При монтаже накруткой на каждом выводе рекомендуется выполнять не более трех сое-динений. Учитывая конструктив­ные особенности соединений накрут­кой (рис. 3.41), длину вывода можно рассчитать по следующей формуле:

где n₁, n₂ – число неизолированных и изолированных витков провода;

d₁, d₂ – диаметры неизолированных и изо­лированных проводов;

l₁ – расстояние между первым витком и основанием;

l₂ – расстояние между витками;

lз – расстояние между соединениями;

N – число соединений на выводе.

Рис. 3.41. Схема для расчета длины вывода

Контактное соединение накруткой получают с помощью специального инструмента — электрифицированно­го пистолета для накрутки. Основным элементом, обеспечивающим форми­рование соединения, является валик, имеющий два отверстия: центральное для размещения штыря и боковое сту­пенчатое для размещения неизолиро­ванного и изолированного участков монтажного провода (рис. 3.42).

Рис.3.42. Схема образования соединения накруткой

На торце валика выполнена проточка, фор­ма которой определяет качество со­единения. На валик в осевом направ­лении действует пружина, от упругих свойств которой зависит однородность и плотность навивки провода. Сила Р давления валика на провод формирует витки соединения и при оптимальном значении (5–30 Н) обеспечивает их плотное прилега-ние друг к другу.

С помощью монтажного пистолета типа НП-4В при наличии предвари­тельно заготовленных проводов мон­тажник может выполнить до 50–80 соединений в час. При этом основная часть времени уходит на поиск оче­редного места соединения, выбор пе­ремычки соответствующей длины и т. д.

При ручном монтаже конец прово­да со снятой на рекомендуемую длину изоляцией сначала вставляют в канав­ку концевой части навивочного вали­ка до тех пор, пока края изоляцион­ной оболочки провода не натолкнутся на края канавки. После этого его за­гибают вокруг втулки так, чтобы он не закрывал среднее отверстие конце­вой части, и придерживают. Затем ин­струмент насаживают на предназна­ченный для соединения штырь так, чтобы он прошел в среднее отверстие концевой части, и включают привод.

При накрутке ось отверстия в на­правляющей втулке, воспринимающе­го штырь, должна находиться точно на одной линии с продольной осью штыря. Нужно следить также за тем, чтобы у первого витка соединения провод не развернулся вокруг собст­венной оси, так как иначе в этом мес­те возникает концентрация напр