Лекция: Методы выполнения монтажных соединений

Методы выполнения монтажных соединений

Содержание

1. Методы выполнения электрических соединений

1.1 Классификация методов выполнения электрических соединений

1.2 Методы выполнения сварных монтажных соединений

1.3 Электрическое соединение методом накрутки

1.4 Соединение проводящими клеями

1.5 Электрические соединения методом пайки

1.6 Выбор материалов для монтажной пайки

1.7 Технология выполнения пайки

1.8 Подготовка компонентов ЭС к монтажу

2. Групповые методы пайки

3. Монтаж плоскими ленточными кабелями

4. Технология жгутового монтажа

5. Механическая сборка радиоэлектронной аппаратуры

5.1 Неразъемные соединения

5.2 Разъемные соединения

6. Соединение склеиванием

Основная литература

1. Методы выполнения электрических соединений

электрический соединение пайка жгутовый

1.1 Классификация методов выполнения электрических соединений

По результатам исследований 50…80% отказов в аппаратуре происходит из-за некачественных электрических соединений. Качественные характеристики соединений определяются многими факторами, но во всех случаях должны быть обеспечены:

Высокая надёжность и долговечность соединения.

Минимальное омическое сопротивление в зоне контакта и его стабильность при различных климатических воздействиях.

Максимально достижимая механическая прочность.

Минимальное значение основных параметров процесса контактирования (температуры, давления, длительности выдержки и т.д.).

Возможность соединения разнообразных сочетаний материалов и типоразмеров.

Стойкость к термоциклированию.

В зоне контакта не должно образовываться материалов вызывающих деградацию соединения.

Качество соединения должно контролироваться простыми и надёжными средствами.

Экономическая эффективность и производительность процесса.

Основные методы выполнения электрических соединений обеспечиваются на основе: пайки, сварки, соединения, основанные на пластической деформации контактируемых деталей, соединения токопроводящими клеями.

Пайкой называется процесс соединения металлов в твёрдом состоянии путём введения в зазор расплавленного припоя, взаимодействующего с основным металлом и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва.

Паяные соединения очень широко применяют при монтаже электронной аппаратуры из-за низкого и стабильного электрического сопротивления, универсальности, простоты автоматизации, контроля и ремонта.

Однако методу пайки присущи и существенные недостатки: высокая стоимость используемых цветных металлов и флюсов, длительное воздействие высоких температур, коррозионная активность остатков флюсов, выделение вредных веществ.

Сварка - это процесс получения неразъёмного соединения материалов под действием активирующей энергии теплового поля, деформации, ультразвуковых колебаний или их сочетаний. По сравнению с пайкой она характеризуется следующими преимуществами: более высокой механической прочностью получаемых соединений, отсутствием присадочного материала, незначительной дозированной тепловой нагрузкой, возможностью уменьшения расстояния между контактами.

К недостаткам метода следует отнести: критичность при выборе сочетаний материалов, увеличение переходного сопротивления из-за образования интерметаллоидов, невозможность группового контактирования соединений, сложность ремонта.

Соединения, основанные на пластической деформации контактируемых деталей, проводов или выводов, выполняются в холодном состоянии. Под действием значительных механических усилий, приложенным к этим элементам, происходит разрушение оксидных плёнок и образование надёжного вакуум-плотного соединения. Оно характеризуется высокой механической прочностью, низкой стоимостью, легко поддаётся механизации, не создаёт помех в цепях низкого напряжения.

Соединение токопроводящими клеями и пастами в отличие от пайки и сварки не вызывает изменения структуры соединяемых материалов, так как проводится при низких температурах, упрощает конструкцию соединений и применяется в тех случаях, когда другие способы невозможны: в труднодоступных местах, при ремонтных работах и т.д. Однако широкого распространения в серийном производстве метод не получил из-за невысокой проводимости, низкой термостойкости и надёжности соединений.

Сравнительная характеристика параметров электрических соединений приведена в таблице 1.

Таблица 1

Обозначения: Р - механическая прочность; - интенсивность отказов; R_Т - тепловое сопротивление контакта.

1.2 Методы выполнения сварных монтажных соединений

Физико-химические основы сварки. Процесс образования сварного соединения можно условно разделить на четыре стадии:

1) образование физического контакта между поверхностями материалов;

2) активизация контактных поверхностей;

3) объёмное развитие взаимодействия;

4) кристаллизация.

На первой стадии сближаются материалы на расстояние порядка 10…100 нм, при котором между частицами начинает проявляться физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса. Под действием этих сил в жидких фазах происходит дальнейшее самопроизвольное уменьшение расстояний между атомами и их поляризация на фазовых границах раздела с изменением орбит части внешних электронов, которые приводят к снижению потенциальной энергии атомов. При некоторой критической величине начинается перекрытие стабильных электронных оболочек и появляются силы отталкивания. Достижение минимума потенциальной энергии соответствует физической адсорбции и завершает первую стадию образования соединения.

На второй стадии происходит образование на поверхности более твёрдого из соединяемых материалов центров, активных в химическом отношении. Активный центр упрощённо - это частицы со свободными валентностями, которые могут возникнуть при разрыве связей в кристалле, в местах образования дефектов. Для активизации поверхностей вводится дополнительная энергия: тепловая, деформации, ультразвуковая. При сварке плавлением цепная реакция растекания с выделением энергии поверхностного натяжения увеличивает площадь контакта вокруг каждой точки взаимодействия. Отдельные контактные пятна начинают сливаться в более крупные очаги схватывания, происходит коллективизация валентных электронов, которая приводит к образованию металлической связи между контактирующими поверхностями.

С момента образования на контактных поверхностях активных центров наступает третья стадия, при которой развивается взаимодействие соединяемых металлов, как в плоскости так и в объёме зоны контакта. В плоскости контакта оно заканчивается слиянием очагов взаимодействия, что является необходимым условием возникновения прочных химических связей между материалами

Характерной особенностью кристаллизации сварного соединения является образование зональной структуры, состоящей из ядра, переходной зоны и неизменяемой зоны основы. Ядро при сварке плавлением представляет собой закристаллизовавшуюся жидкую фазу, которая может состоять из гомогенных кристаллов, твёрдого раствора замещения или внедрения, интерметаллидов, механической смеси кристаллов и примесей. Структура ядра определяет качество и надёжность соединения.

Ультразвуковая сварка выполняется за счёт возбуждения в свариваемых деталях упругих колебаний УЗ-частоты при одновременном создании определённого давления. Для УЗ-микросварки используют оборудование с частотами 22, 44, 66, 88 кГц. При УЗ-сварке температура нагрева непосредственно в зоне контакта не превышает 30…50% от температуры плавления соединяемых материалов, что позволяет использовать этот метод для соединения чувствительных к нагреву материалов.

Прочность сварного соединения в основном определяется амплитудой колебания на рабочем торце инструмента и давлением, приложенным к соединяемым деталям. При малой амплитуде в плоскости контакта происходит замедлённое образование активных центров соединения. Чрезмерное увеличение амплитуды увеличивает напряжение среза, приводящее к разрушению части узлов схватывания.

Занижение давления замедляет пластическую деформацию и снижает плотность дислокаций, необходимых для активирования поверхности. Завы-шение давления увеличивает трение и снижает амплитуду колебаний торца инструмента. Оптимальное значение давления колеблется от 0,5 до 20 Н/ мм.

Время сварки подбирается экспериментально. Схема УЗ-колебательной системы состоит из (рис. 1): 1 - преобразователя, 2 - волновода, 3 - кон-центратора, 4 - свариваемые детали, 5 - опора-отражатель, 6 - акустическая развязка.

Рис. 1. Схема У3-колебательной системы

Основным элементом установок УЗ-сварки является инструмент, форма и размер рабочей части которого имеют важное значение для получения качественных соединений.

Иногда на торце инструмента делают поперечные и продольные канав-ки, которые обеспечивают эффективную передачу 43-колебаний и обжатие выводов. Материал инструмента должен обладать высокой износостойкостью, иметь незначительные акустические потери и высокую прочность. Обычно используются карбид вольфрама. Значительное повышение стойкости достигается химико-термической обработкой инструмента, насыщение рабочей поверхности марганцем или нанесение покрытия из титана.

Термокомпрессионная сварка - это сварка, которая проводится при невысоких давлениях с подогревом соединяемых деталей. Достоинства: стабильность сварочного инструмента и его высокая стойкость, малая чувствительность к изменению режима, простота контроля основных параметров процесса. Недостатки: ограниченное число сочетаний свариваемых материалов (только пластичные), необходимость весьма тщательной подготовки соединяемых деталей.

При приложении температуры и давления в момент осадки в результате течения пластичного металла вдоль поверхности другого металла происходит очистка места соединения от оксидных плёнок, сближение поверхностей и образование между ними плотного контакта. После сварки за счёт развития процесса диффузии между свариваемыми материалами полученное соединение упрочняется.

Основными параметрами режима термокомпрессии являются: усилие сжатия Р, температура нагрева инструмента или соединения Т, длительность выдержки под давлением t. Выбор давления определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника или максимально допустимым давлением на присоединяемую деталь. Температура нагрева не должна превышать температуру образования эвтектики соединяемых материалов и колеблется для различных материалов от 250 до 450^оС. Длительность выдержки устанавливается в зависимости от сочетания свариваемых материалов и определяется экспериментально путём оценки прочности соединения.

Тип образующегося соединения определяется формой инструмента: сварка капилляром (рис. 2) дает “обычное” соединение.

Рис. 2. Сварка капилляром

Сварка клином (рис.3) образует соединения с ребром жесткости или типа “рыбий глаз” - наиболее прочные соединения, но требуют сложной формы инструмента.

Рис.3. Сварка клином

Выбор материала инструмента основан на низкой теплопроводности, высокой прочности, износостойкости, неокисляемость. Используются карбиды вольфрама и титан, и керамики (оксид бериллия, алюмокерамика).

Термокомпрессионная сварка применяется для присоединения выводов к полупроводниковым кристаллам, микропроводов и проволок между собой (внахлестку и встык).

Сварка давлением с косвенным нагревом в отличие от термокомпрессии проводится инструментом, который импульсно нагревается проходящим по нему током. Вследствие, кратковременности процесса нагрева, металлический проводник в месте контакта нагревается до менее низких температур, чем при термокомпрессии. Это позволяет приваривать проводники из относительно малопластичных металлов к тонким плёнкам на керамических подложках. Высокая точность поддержания температуры и малая инерционность обеспечиваются при нагреве инструмента током с частотой следования импульсов 0,5…1,5 кГц.

Сварка расщеплённым (сдвоенным) электродом применяется в технологии электрического монтажа. Сварку осуществляют инструментом-электродом, изготовленным из вольфрама или молибдена в виде двух токопроводящих частей, разделённых зазором 0,02…0,25 мм в зависимости от толщины или диаметра привариваемых выводов. Зазор между электродами оказывает значительное влияние на глубину проникновения тока и на термическую нагрузку печатного проводника в месте соединения с диэлектриком.