Методы создания монтажных соединений.

 

В производстве современной ЭА операции сборки и монтажа занимают значительный объем. Их трудоемкость составляет на данный период 50-70 % общей трудоемкости изготовле­ния изделий. Микроминиатюризация компонентов и функционально слож­ных электронных устройств в значи­тельной степени повышает плотность упаковки элементов в единице объе­ма. Так, создание сверхбольших инте­гральных схем (СБИС) позволило достичь плотности упаковки 10⁶- 10⁷ 1/см³, что является физическим пределом в настоящее время. Но ме­тоды монтажа ЭА не обеспечивают достижения такой высокой плотности упаковки во всем объеме изделия. Ес­ли в блоках на печатных платах аппа­ратуры второго поколения плотность монтажа составляет 10-15 соедине­ний на 1 см², то в аппаратуре третьего поколения 40-50. В современных многослойных коммутационных пла­тах на керамической подложке мини­мальная ширина линий и зазоров ме­жду ними уменьшена до 0,2-0,4 мкм, а минимальный диаметр переходных отверстий – до 0,1 мкм, что позволи­ло достичь плотности монтажных со­единений 100-150 на 1 см², а в мно­гокристальных модулях на подложке из полиимида – до 200 на 1 см².

Прогрессирующая микроминиатю­ризация компонентов, применение поверхностного монтажа вызывают необходимость разработки перспек­тивной технологии монтажных соеди­нений для создания ЭА с высокой на­дежностью внутриблочных и меж­блочных соединений. Традиционные процессы монтажа не обеспечивают необходимой производительности и высокого процента выхода годных из­делий. Низкий уровень автоматизации процессов, применение ручного труда на отдельных операциях не способствуют высокому качеству соединений. Статистические данные показывают, что 50-80 % всех отказов в аппарату­ре происходит вследствие дефектов монтажных соединений, причем обна­ружение и исправление отказа на эта­пе сборки блока обходится в 1000 раз дешевле, чем при испытаниях аппа­ратуры.

Для разработки новых, более эф­фективных процессов монтажа ЭА не­обходимы: углубленное изучение фи­зико-химических основ формирова­ния соединений, рациональный выбор методов активации, применение но­вых материалов и автоматизированно­го оборудования со встроенными сис­темами контроля.

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.

Методы создания электрических со­единений основаны на непосредствен­ном контактировании соединяемых материалов и использовании проме­жуточных материалов в зоне соедине­ния (рис.3.1). 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.3.1. Классификация методов выполнения электрических соединений

 

Наиболее важным показателем элек­трических соединений является переходное электрическое (контактное) со­противление. Если сравнить падение на­пряжения в трех случаях: в сплошном проводнике на участке АВ (рис. 3.2), в зоне контакта двух соединенных непосредственно друг с другом материа­лов и в зоне контакта через промежу­точный материал, то окажется, что оно будет различным.

 

 

Рис. 3.2. Схема измерения падения напряжения в зоне

а - сплошной проводник, б - непосредственное контактирование;

в - соединение через промежуточный мате­риал.

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:

R_к= R_v+R_пер

 

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_с:

 

R_пер = R_п+ R_с

 

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

 

R_c=ρ/S_к

 

где ρ – удельное сопротивление;

S_к – площадь поверхности контактирова­ния.

Сопротивление оксидных пленок можно определить так:

 

R_п = ρ_пh/S_к,

 

где ρ_п – удельное сопротивление по­верхностных пленок;

h – толщина пленок.

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

R_к= R_v+2R_пер+R_м

 

где R_м – электрическое сопротивле­ние слоя промежуточного материала.

 

Поскольку отношение удельных электрических сопротивлений оловянно-свинцовых припоев и медного про­водника δ = ρ_пр/ρ_м = 8÷10, 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 D₂>D₁ (рис. 3.3, а), диаметр при­поя в соединении рассчитывается так:

 

где D₁ – диаметр соединяемого проводника.

Расчет механической прочности паяного соединения выполняют по сечению наиболее «слабой» детали. В паяном соединении такое сечение проходит по припою. Механическая прочность спая Р определяется сле­дующим образом:

 

 

где σ_в – предел прочности припоя при растяжении;

S_np – площадь попе­речного сечения припоя, которое для нахлесточного соединения

(рис. 3.3, б) равно L_np b; b – ширина нахлеста.

 

Рис. 3.3. Соединение пайкой а:

а – стыковое; б - нахлесточное

 

 

Сравнительная характеристика па­раметров электрических соединений, выполненных различными методами, приведена в табл. 3.1.

 

Таблица 3.1. Параметры электрических соединений.

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

 

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.

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 недостаткам 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 ПСрОСЗ–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.