Сварку проводят одним или несколькими импульсами конденсаторного разряда с регулировкой длительности, мощности и интервалов между импульсами. Усилие прижима электродов при сварке (0,2…1,5 Н) создаётся в момент нагрева до максимальной температуры и снимается по окончания действия импульса тока.
Качество сварки сдвоенным электродом определяется сочетанием температур плавления соединяемых металлов, соотношением размеров выводов и толщины печатных проводников, термостойкостью платы. Медные печатные проводники, вследствие высокой тепло- и электропроводности, плохо свариваются, поэтому их предварительно покрывают электролитическим способом слоем никели или золота.
недостатками рассмотренного метода являются необходимость никелирования плат и золочение выводов ИС, точное позицирование выводов, трудность группового контактирования, более высокая стоимость по сравнения с пайкой.
1.3 Электрическое соединение методом накрутки
Накрутка - это процесс создания электрического соединения путём навивки под натягом определённого числа витков одножильного провода на штыревой вывод с острыми кромками. Под действием приложенного усилия происходит разрушение оксидных плёнок на соединяемых поверхностях и врезание острых граней вывода в провод. Образовавшееся газонепроницаемое соединение удерживается благодаря упругим напряжениям, возникшим в этих элементах. Концентрация напряжений в зоне контакта и среднее давление порядка 15…20 Мпа обуславливают взаимную диффузию металлов, что способствует повышению надёжности соединения.
При монтаже накруткой применяют три вида соединений: немодифицированное, модифицированное и бандажное. Модифицированное соединение от немодифицированного отличается тем, что кроме витков оголённого провода на выводе имеется 1…2 витка провода в изоляции, которая демпфирует воздействие знакопеременных нагрузок на элементы контакта и уменьшает усталостные напряжения. Это обеспечивает высокую надёжность соединений при вибрационных нагрузках. В бандажном соединении соединяемый элемент (провод, вывод, шина и пр.) располагается вдоль широкой поверхности гранёного вывода и на них накручивается несколько витков бандажной проволоки (не менее восьми).
1.4 Соединение проводящими клеями
Электропроводящие клеи (контактолы) применяют при создании монтажных соединений в тех случаях, когда другие методы оказываются неэффективными: в труднодоступных местах, при ремонте ПП, при низкой термостойкости компонентов.
Клеепроводящие композиции изготовляют на основе эпоксидных смол холодного и горячего отверждения. В качестве наполнителя используют мелкодисперсный порошок золота, серебра, палладия, никеля, меди, алюминия.
Свойства электропроводящих клеев зависит не только от типа наполнителя, но и от его концентрации. Необходимым условием получения максимальной электропроводности контактолов является формирование в объёме композиции из частичек наполнителя цепочных структур. Увеличение количества наполнителя увеличивает проводимость, но одновременно ухудшаются механические свойства соединения. В связи с этим разработан способ искусственной ориентации металлических частиц никеля под действием магнитного поля, что позволяет увеличить электропроводность в 5 - 10 раз при значительно меньшей концентрацией наполнителя.
1.5 Электрические соединения методом пайки
Для образования качественного паяного соединения необходимо:
подготовить поверхности деталей;
активизировать соединяемые металлы и припой;
обеспечить взаимодействие на границе "основной металл - жидкий припой";
создать условия для кристаллизации жидкой металлической прослойки.
Подготовка поверхности деталей. Подготовка включает удаление загрязнений органического и минерального происхождения, оксидных плёнок, а в некоторых случаях и нанесения покрытий, улучшающих условия пайки или повышающих прочность и коррозионную стойкость паяных соединений.
Удаление плёнок, препятствующих смачиванию расплавленным припоем, проводят механическими или химическими способами (обезжиривание, травление). При механической очистке удаляется тонкий поверхностный слой металла при помощи режущего инструмента (резца, шлифовального круга, шабера и др.), наждачной бумаги, проволочной щётки.
Для повышения производительности при обработке протяжённых и сложно-профильных изделий (например, ПП) применяют гидроабразивную обработку или очистку вращающимися щётками из синтетического материала. Образование шероховатостей поверхности после механической обработки способствует растеканию флюса и припоя, т.к. риски являются мельчайшими капиллярами.
Обезжиривание изделий производят в растворах щелочей или в органических растворителях (ацетоне, бензине, спирте, четырёххлористым углероде, фреоне, спиртобензиновых и спиртофреоновых смесях) путём протирки, погружения, распыления, обработки в паровой фазе или ультразвуковой ванне.
Современное оборудование для очистки имеет блочно-модульную конструкцию с программным управлением. Обычно оно снабжается устройствами для регенерации моющих средств и сушки изделий. Эффективным методом сушки является центрифугирование.
удаление оксидных плёнок осуществляют травлением в растворах кислот или щелочей. Состав раствора определяется видом металла, толщиной оксидной плёнки и требуемой скоростью травления. После операции травления детали тщательно промывают с применением нейтрализующих растворов.
Очищенные детали необходимо немедленно направлять на сборку и пайку, т.к. сроки хранения паяемости для меди 3…5 суток, для серебра 10…15 суток. В ряде случаев перед пайкой на поверхность соединяемых деталей наносят покрытия, которые улучшают процесс смачивания припоем и поддерживают хорошую способность к пайке в течении длительного межоперационного хранения. В качестве металла для таких покрытий используют: серебро, золото, палладий и их сплавы, которые наносят гальваническим или термовакуумным осаждением, а также горячей металлизацией.
На алюминий и его сплавы, технологические покрытия наносят с применением ультразвуковых колебаний. Для этого используются ультразвуковые паяльники, ультразвуковые ванны. Кавитационные явления, возникающие в расплаве, приводят к разрушению оксидной плёнки на поверхности металла и смачиванию его припоем.
Увеличение срока сохранения паяемости деталей, подготовленных к пайке, достигается также путём нанесения специальных консервационных покрытий, большинство из которых не удаляется при выполнении монтажных операций, так как их состав согласуется с составом применяемого флюса. Такие покрытия разделяются на два вида:
на основе канифоли (флюсы ФКСп, ФПЭт, ФКЭт);
консервационные, представляющие собой плёнку щелочных металлов.
Большинство консервационных покрытий вытесняют влагу и их можно наносить на влажные, не успевшие окислится детали. Образовавшаяся после испарения растворителя плёнка надёжно защищает поверхности металлов от проникновения влаги в течение 5…6 месяцев хранения.
Активация соединяемых металлов и припоя. Нагрев основного металла и расплавление припоя приводят к тому, что их активность снижается, вследствие взаимодействия с кислородом воздуха и образования оксидной плёнки. Чтобы удалить образующуюся в процессе пайки оксидную плёнку и защитить поверхности деталей от окисления, применяют флюсы, газовые среды, самофлюсующиеся припои или способы физико-механического воздействия (механические вибрации, ультразвуковые колебания и т.д.).
Пайка с флюсами наиболее распространена и общедоступна, так как её можно осуществлять в обычных атмосферных условиях без применения дорогостоящего оборудования. Расплавленный флюс растекается по паяемой поверхности и припою, смачивает их и вступает с ними во взаимодействие, в результате которого удаляется оксидная плёнка. Основными причинами удаления оксидов металлов являются:
химическое взаимодействие между флюсом и оксидной плёнкой с образованием растворимого во флюсе соединения;
химическое взаимодействие между флюсом и основным металлом, в результате которого происходит отрыв оксидной плёнки и перевод её в шлак;
адсорбционное понижение прочности оксидной плёнки и её диспергирование;
растворение оксидной плёнки основного металла и припоя во флюсе.
Применение флюсов нередко приводит к тому, что флюсовые остатки и продукты взаимодействия их с оксидными плёнками образуют в паяном шве шлаковые включения, что снижает прочность и коррозионную стойкость, нарушает герметичность соединения. Этого можно избежать, если перейти на бесфлюсовую пайку в газовых средах или в вакууме.
Газовые среды, применяемые при пайке, разделяются на нейтральные и активные. Типичными представителями нейтральных сред являются: азот, аргон, гелий, криптон. Активные газовые среды: водород, оксид углерода, азотно-водородная смесь и др. Они не только защищают от окисления детали и припой, но так же удаляют с их поверхности уже образовавшиеся оксидные плёнки.
Однако газовые среды могут вступать во взаимодействие с паяемым металлом и припоем, образуя нежелательные продукты реакции (гидриды, нитриды, карбиды), которые ухудшают физико-химические свойства соединений.
Сущность физико-химических методов удаления оксидных плёнок с поверхности паяемых металлов заключается в их разрушении под слоем жидкого припоя с помощью ультразвука.
В самофлюсующихся припоях высокой активностью обладают не только сами флюсующиеся компоненты, но и их оксиды. По своему составу и характеру действия самофлюсующиеся припои можно разделить на четыре группы:
припои со щелочными металлами (Li, K);
с бором;
с фосфором;
с несколькими компонентами.
Взаимодействие на границе основной металл-жидкий припой. От того, как хорошо расплавленный металл смачивает поверхность основного металла, зависит прочность, коррозионная стойкость и другие свойства паяных соединений.
Следующей стадией взаимодействия является растекание припоя по плоской поверхности, которая продолжается до тех пор, пока не установится равновесие векторов сил поверхностного натяжения в точке на границе трёх фаз (рис.4) в соответствие с уравнением
Рис4. 1 - основной металл; 2 - жидкий припой; 3 - пары флюса.
1,3 = 1,2 + 2,3 cos ,
где 1,3 - натяжение на границе твёрдой фазы и газа; 1,2 - натяжение на границе твёрдой и жидкой фазы; 2,3 - натяжение на границе жидкой фазы и газа; cos - коэффициент смачивания.
Решая уравнение относительно коэффициента смачивания, получим
cos = (1,3 - 1,2) / 2,3 .
Из этого уравнения видно, что чем выше поверхностное натяжение припоя в расплавленном состоянии 2,3 , тем хуже смачивает он основной металл. Однако поверхностное натяжение металлов не характеризует однозначно способность их в расплавленном состоянии течь по поверхности твёрдого металла. Растекание припоя определяется соотношением сил адгезии припоя к поверхности основного металла и когезии, характеризуемой силами связи между частицами припоя:
К = 2,3 (cos - 1),
где К - коэффициент растекания.
На процесс смачивания и растекания припоя оказывают влияние и технологические факторы: способ удаления оксидной плёнки в процессе пайки, характер предшествующей механической обработки, режим пайки и др. Так при флюсовой пайке флюсы действуют как поверхностно активные вещества, которые снижают поверхностное натяжение расплавленных припоев, что способствует улучшению смачивания паяемой поверхности.
Под действием капиллярного давления припой поднимается по капилляру на высоту h:
h = 22,3 cos / g, (1)
где - суммарный зазор, g - ускорение свободного падения, - плотность припоя.
В горизонтальном капилляре шириной для припоя с вязкостью продолжительность затекания t на длину капилляра l приближённо равна
t 6l2 / 2,3 cos . (2)
Как показывает анализ (1) и (2), скорость затекания в горизонтальном капилляре и высота подъёма в вертикальном уменьшаются при снижении поверхностного натяжения между припоем и флюсом. Эффективность пайки определяется также величиной зазора между паяемыми элементами, он находится в пределах от сотых до десятых долей миллиметра и зависит от пары "припой - основной металл", применяемого флюса и способа пайки. Максимально допустимый зазор при пайке max в зависимости от высоты поднятия припоя определяется по формуле
,
где r - радиус вывода; b, n - постоянные величины.
В процессе растекания припоя происходит взаимодействие жидкой фазы припоя с основным металлом, проявляющееся в растворении и диффузии металлов. Скорость и глубина этих процессов зависит от природы взаимодействующих металлов, температуры, скорости и времени нагрева, напряжений в основном металле.