Электрический монтаж компонентов

Электрический монтаж компонентов на печатной плате сводится к созданию внутрисхемных соединений, в соответствии со сборочным чертежом. Микроконтактирование в производстве функциональных узлов осуществляется обычно пайкой или сваркой, реже - с помощью электропроводящих клеев-контактолов. Основная цель при выполнении электромонтажных работ - получение механически прочных электрических соединений с низким переходным контактным сопротивлением .

При сварке общее сопротивление несилового (нерабочего, т.е. до сварки) контакта составляет

,

где - сопротивление контактируемых проводников; и соответственно сопротивление окисных пленок на проводниках 1 и 2; - сопротивление сужен в месте контакта проводников.

В силовом (рабочем) контакте, сформированном сваркой давлением, должно обеспечиваться удаление окисных пленок, при сварке же плавлением образуется общий сварочный расплав в месте образования контактного соединения. Тогда в первом случае будет во втором .

При использовании присадочного материала общее сопротивление несилового контакта составит

,

где - сопротивление присадочного материала.

 

При пайке скидные пленки удаляются флюсами и сопротивление получается примерно равным объемному сопротивлению проводников

.

Однако, как отмечалось для соединений, полученных с помощью контактолов, следует записать

поскольку контактолов обычно превышает металлов.

Таким образом, сопротивление , во многом определяемое значениями сопротивлений и , зависит от технологии формирования контактов, обеспечивающей механическую, химическую (флюсы) или тепловую (плавление) очистки поверхностей контактирования, а также от свойств присадочного материала.

После сборки навесных компонентов на печатной плате внутрисхемные соединения выполняют в соответствии со сборочным чертежом с использованием методов микроконтактирования. Наибольшее практическое применение при микроконтактировании в производстве электронных устройств нашли импульсная пайка и термокомпрессионная сварка, а также их комбинация.

Пайка - это процесс соединения материалов в твердом состоянии путем введения припоя в капиллярный зазор между ними при температуре ниже точек плавления соединяемых материалов.

Паяное соединение образуется в результате физико-химического взаимодействия з зоне контакта между припоем и соединяемыми материалами. Это взаимодействие проявляется в протекании ряда процессов при пайке (существенно влияющих на качество паяных соединений), таких как: оплавление припоя, смачивание припоем контактируемых поверхностей, растекание припоя в зоне пайки, взаиморастворение материалов на границах жидкой и твердой фаз, гетеродиффузия и кристаллизация. Завершающей стадией пайки по окончаний нагрева во всех случаях является кристаллизация жидкой фазы, находящейся между соединяемыми пайкой поверхностями твердых тел, что и дает неразъемное при комнатной температуре соединение.

В зависимости от режимов пайки меняется состав и структура спаев, поскольку при пайке происходит взаимное растворение и диффузия припоя и соединяемых материалов на границе раздела твердой и жидкой фаз. При кратковременном нагреве можно получить

бездиффузионный спай и соединяемые материалы будут иметь состав, близкий к исходному. Однако прочность паяного соединения в этом случае заметно снижается.

Прочность паяного соединения определяется химической природой соединяемых материалов, степенью их чистоты (отсутствие окисных и адсорбционных пленок), а также правильность выбора технологических сред и режимов пайки. Сцепление поверхности соединяемых материалов с припоем обеспечивается в бездиффузионном спае только за счет образования межатомных связей.

Изменение прочности спая можно оценить по формуле

,

где - число контактирующих с припоем атомов, на поверхности основного материала; N - число атомов, вступивших в химическую связь с припоем; - частота собственных колебаний атомов; - время, в течение которого прореагирует N атомов; E - энергия активации образования химических связей; k, Т - постоянная Больцмана и абсолютная температура соответственно.

На практике в производстве электронных устройств режимы пайки выбирают оптимальными - совмещающими требования прочности спая, минимизации растворения исходных материалов в припое, а также минимизации разогрева окружающих элементов. Это достигается применением импульсной пайки. Инструментом при импульсной пайке может служить термокарандаш с вольфрамовым V-образным электродом (либо сдвоенным электродом) (рис. 6), а также с более сложной формой электродов, применяемых в полуавтоматических установках импульсной пайки, обеспечивающих невысокий уровень автоматизации данного процесса, даже если в них используют многоэлектродные инструменты для групповой пайки (последовательно-групповая автоматизация). В условиях серийного и массового производств обычно применяют оборудование, позволяющее осуществить одновременную (не просто параллельно или синхронно-групповую, а полностью синхронную или симультанную) пайку всех необходимых, соединений на плате без паяльного инструмента существенно ограничивающего повышение плотности монтажа. Вместо паяльного инструмента используют специальное оборудование (например, модуль пайки волной припоя либо пайки оплавлением дозированного припоя при ИК - нагреве), обеспечивающее симультанную пайку.

Припой, предназначенный для выполнения электрических соединений, должен обладать хорошей электропроводностью, низкой температурой плавления, малым температурным интервалом кристаллизации, высокой антикоррозионной стойкостью, достаточной механической прочностью, хорошей смачиваемостью соединяемых поверхностей и хорошей растекаемостью по ним. Коэффициенты линейного термического расширения припоя и соединяемых материалов должны быть максимально близкими во избежание образования остаточных напряжений и трещин в паяных соединениях.

 

 

В наибольшей степени этим требованиям отвечает припой ПОС-61. Этот припой весьма пластичен, имеет низкую температуру плавления и малый интервал кристаллизации (2-3 °С), так как по своему составу он соответствует эвтектическому сплаву олово-свинец. Введение в состав припоя ПОС-61 сурьмы повышает предел ползучести припоя, снижает склонность его к старению и предотвращает в припое аллотропические превращения олова. Висмут и кадмий понижают температуру плавления припоя и способствуют получению более твердых и коррозионно-стойких припоев.

В табл. I приведены составы мягких припоев (т.е. с температурой плавления менее 450 ) и температуры паяльных ванн, применяемых в производстве электронных устройств.

Паяльные ванны применяются на стадии подготовки печатной платы к монтажу, для нанесения припоя на контактные площадки групповым методом.

Обычно пайка осуществляется с использованием флюсов. Флюс должен обеспечивать удаление окисной пленки и загрязнений с поверхности контактирующих металлов и припоя, их защиту от окисления при пайке, уменьшение поверхностного натяжения припоя при его оплавлении, способствовать лучшему затеканию расплавленного припоя в отверстия печатной платы, а также должен хорошо смачивать поверхность основных материалов. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры начала плавления припоя. Продукты флюсования не должны способствовать активному развитию коррозии паяных соединений. Флюс, оставшийся.в местах пайки, не должен вызывать коррозию и изменять электрическое сопротивление изоляций плат. В то же время флюс должен быть достаточно активным для сокращения времени пайки. Однако усиление активности флюса ухудшает антикоррозионные свойства соединений.

 

Таблица 1