Технологический процесс сварки электрического оборудования автомобиля

 

 

РЕФЕРАТ

 «Технологический процесс сварки электрического оборудования автомобиля».

 

 

 

Содержание

 

 

1. Основные способы сварки электронных схем 3

2. Термокомпрессия. 4

3. Сварка  давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН) 5

4. Ультразвуковая  сварка с косвенным импульсным нагревом 7

4.1. Холодная сварка 8

4.2. Микроплазменная сварка 9

4.3. Лазерная сварка 10

5. Выполнение соединений в микросхемах. 10

6. Параметры режимов сварки и свариваемость материалов микросхем. 14

7. Заключение 17

8. Литература 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные способы сварки электронных схем

Метод соединения микросхем  должен удовлетворять следующим  требованиям:

• прочность соединения должна быть близка к прочности соединяемых элементов микросхем;
• соединение должно иметь минимальное омическое сопротивление;
• основные параметры процесса соединения (температура нагрева, удельное давление и длительность выдержки) должны быть минимально возможными, с тем, чтобы не повреждались элементы схемы;
• выполнять соединение материалов разнообразных сочетаний и типоразмеров;
• после соединения не должно оставаться материалов, вызывающих коррозию; качество соединений должно контролироваться простыми и надежными методами.

Из общеизвестных способов сварки при производстве микроэлектронных схем применяют контактную точечную, ультразвуковую, холодную, диффузионную, электронно-лучевую, лазерную, аргонодуговую и микроплазменную.

Специально для целей  монтажа микросхем разработано  несколько оригинальных способов микросварки давлением:

• термокомпрессия,
• сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН),
• ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН),
• односторонняя контактная сварка (точечная и шовная).

2. Термокомпрессия.

Термокомпрессия — способ соединения металлов с металлами и неметаллами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давлениях.

По терминологии, принятой в сварке, более правильно термокомпрессию  называть микросваркой давлением с  подогревом соединяемых деталей.

Один из соединяемых материалов (обычно вывод) при термокомпрессии  должен обладать достаточно высокой  пластичностью. Температура при  термокомпрессии не превышает температуры образования эвтектики соединяемых материалов и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла.

 Термокомпрессией можно  соединять мягкие высокоэлектропроводные  материалы в виде круглых и  плоских проводников с полупроводниковыми  материалами и электропроводными тонкими пленками, напыленными на хрупкие диэлектрические подложки. Основные типы термокомпрессионных соединений показаны на рис. 1.

Термокомпрессия является наиболее распространенным способом монтажа полупроводниковых микроприборов и интегральных схем в разнообразных корпусах гибкими проволочными проводниками.

Основными параметрами режима термокомпрессии с использованием статического нагрева являются усилие сжатия (давление р), температура нагрева соединения или инструмента Т, длительность выдержки под давлением t.

Выбор давления определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника и допустимым механическим воздействием на полупроводниковый прибор.

Усилие сжатия выбирают в  зависимости от пластичности проводника, сочетания свариваемых материалов, диаметра проволоки и торца инструмента.

Давления при сварке алюминиевого проводника составляют 4—8 кгс/мм² и при сварке золотого проводника 10—14 кгс/мм².

Рис. 1.

Основные  типы термокомпрессионных соединений:

a — соединение  в виде плоской сварной точки  (термокомпрессия клином);

1 — инструмент;

2 — проволока;

3 — подложка;

б — соединение встык с образованием шарика;

в — соединение с ребром жесткости (термокомпрессия инструментом с  канавкой);

г — соединение типа «рыбий глаз» (термокомпрессия инструментом с  выступом)

 

Длительность выдержки устанавливается  в зависимости от сочетания свариваемых  материалов и определяется экспериментально путем оценки прочности соединений и может колебаться от 0,1 с до нескольких секунд.

3. Сварка  давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН)

Схема СКИН V-образным инструментом (пуансоном), нагреваемым импульсно проходящим по нему током, показана на рис. 2. Способ можно с успехом применять при монтаже гибридных интегральных схем. Он находит широкое применение в интегральных микросхемах, которые не допускают общего разогрева. Этим способом можно сваривать золотые, алюминиевые и медные проводники диаметром 20—100 мкм с разнообразными пленками, напыленными на диэлектрические или полупроводниковые подложки. При правильно подобранном режиме можно обеспечить высокое качество соединений и достаточно хорошую стабильность.

Рис. 2.

Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагревом V-образным инструментом:

1 — рабочий  столик;

2 — подложка  или полупроводниковый кристалл;

3 — проводник;

4 — V-образный  инструмент (пуансон);

5 — сварочная  головка для создания давления;

6 — источник  питания;

7 — реле  времени

 

Односторонняя контактная сварка (рис. 3.) — распространенный способ соединения различных электронных компонентов.

Рис. 3.

Схемы односторонней  контактной сварки:

a - односторонняя  точечная сварка:

1 — электрод  для сжатия спариваемых деталей  и подвода тока к проволоке;

2 — электрод  для подвода тока к шине  печатной платы;

3 — контактная  площадка или шина печатной  платы;

4 — диэлектрическое  основание печатной платы;

5 - привариваемая  проволока или лента;

б и в — односторонняя сварка соответственно сдвоенным электродом (с параллельными зазорами) и строенным электродом трех-фазным током

1 — электроды;

2 — привариваемый проводник;

3 - тонкая  металлическая пленка;

4 — диэлектрическая  подложка;

г — односторонняя  шовная сварка — пайка коническими роликами:

1 — конические  ролики;

2 — сварочный  трансформатор;

3 — крышка  корпуса;

4 — металлическая  рамка;

5 — керамическое  основание корпуса микросхемы

При односторонней точечной контактной сварке (рис. 3, а) один электрод прижимает проволоку или ленту к контактной площадке, а второй электрод служит для подвода сварочного тока к контактной площадке. Этот способ применяют для сварки весьма тонких проводников (круглых и плоских) с относительно толстым материалом и для сварки проводников с электроосажденными пленками толщиной около 20 мкм.

Для присоединения круглых  и плоских выводов навесных элементов  к тонким пленкам на хрупких подложках  и к печатному монтажу применяют  контактную сварку сдвоенным электродом (рис. 3, б) и сварку строенным электродом трехфазным током (рис. 3, в).

При односторонней сварке сдвоенным или строенным электродом электроды устанавливают на верхнюю привариваемую деталь (проволоку, ленту) и прижимают к нижней детали. Таким способом можно с успехом приваривать проводники диаметром от 20 до 150—250 мкм из Аи, Сu, Ag и других металлов к тонким пленкам на керамических подложках.

Одностороннюю шовную сварку коническими роликами применяют  для герметизации металлостеклянных  и металлокерамических корпусов микросхем металлическими крышками.

4. Ультразвуковая  сварка с косвенным импульсным нагревом

Ультразвуковая микросварка и комбинированные способы сварки успешно используются при изготовлении гибридных схем, транзисторов и интегральных схем. В микроэлектронике используются следующие способы ультразвуковой и комбинированной микросварки:

• сварка продольными и продольно-поперечными колебаниями (рис. 4, а);
• сварка крутильными колебаниями (рис. 4, б);
• сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН) (рис. 4, в);
• термокомпрессия с ультразвуком.

Основными параметрами процесса при ультразвуковой микросварке  являются амплитуда колебаний, рабочего торца, инструмента, которая зависит от электрической мощности преобразователя и конструктивного исполнения колебательной системы; усилие сжатия свариваемых элементов; длительность включения ультразвуковых колебаний. При комбинированном методе сварки (УЗСКН) регулируемыми параметрами также являются температура нагрева инструмента или изделия, время относительного смещения импульса ультразвука и нагрева. Процесс ультразвуковой микросварки продольными и продольно-поперечными колебаниями характеризуется малыми амплитудами колебаний (1 —10 мкм) и относительно большими удельными давлениями (0,5—1 σcсвариваемого материала).

Ультразвуковую микросварку применяют для выполнения монтажа гибкими проводниками, присоединения кристалла к корпусу, беспроволочного монтажа интегральных схем методом «перевернутого кристалла», присоединения плоских выводов к кремниевым кристаллам диодов.

1. Холодная сварка 

Холодная сварка осуществляется за счет пластической деформации свариваемых деталей под действием давления без дополнительного подогрева. Для получения высококачественного сварного соединения при холодной сварке необходимо обеспечить точную сборку и чистоту свариваемых поверхностей и необходимую степень деформации, зависящую от соединяемых металлов (от 35% для сочетания золото + золото до 80% для сочетаний медь + медь, медь + ковар (сплав на основе никеля, кобальта и железа) и ковар + ковар.) В микроэлектронике этот способ применяется для герметизации металлостеклянных корпусов приборов.

Микросварка давлением с  образованием эвтектики заключается  в нагреве деталей до температуры  образования эвтектики соединяемых  материалов при одновременном сжатии и подаче колебаний (при необходимости). Способ наиболее приемлем для непосредственного присоединения плоских золоченых выводов к полупроводниковым кремниевым кристаллам, если требуется сравнительно большая площадь контакта (0,2—2 мм²), при соединении кристаллов интегральных схем с золоченой поверхностью корпуса, при соединении медных лепестковых выводов, покрытых оловом, с золочеными выступами на кристалле ИС.

2. Микроплазменная сварка 

Микроплазменная сварка является разновидностью сварки плавлением. Отличительная особенность процесса — создание ионизированного потока инертного газа [смесь аргона с гелием (до 70%), с водородом (до 10—15%) или азотом]. Расплавление металла происходит сжатой дугой прямого действия и потоком плотной ионизированной плазмы. Этот способ сварки применяется для герметизации корпусов приборов из ковара или никеля толщиной 0,1—0,3 мм. При этом сила тока составляет 5—10 А, скорость сварки 15—150 м/ч.

Рис. 4.

Схемы устройств для ультразвуковой сварки: 

           а — для ультразвуковой сварки продольными (продольно-поперечными) колебаниями:

1 — магнитострикционным  преобразователь;

2 — волновод;

3 — опора  и устройство для создания  усилия сжатия;

4 — сварочный  инструмент (наконечник);

5 — свариваемые  детали;

6 — опора  для крепления деталей;

7 — обмотка  возбуждения;

8 — обмотка  подмагничивания;

б — для  ультразвуковой сварки крутильными  колебаниями:

1 — преобразователь;

2 — обмотка  возбуждения;

3 — концентратор;

4, 5 —  волноводы;

6 — стержень, совершающий крутильные колебания;

7, 8, 9 —  свариваемые изделия;

10 — столик;

11 — спираль  для нагрева;

в — для  ультразвуковой сварки с косвенным  импульсным нагревом:

1 — магнито-стрикционный  преобразователь;

2 — волновод;

3 — сварочный  инструмент;

4 — источник  питания для нагрева сварочного  инструмента

3. Лазерная сварка 

Лазерная сварка находит применение при монтаже различных элементов радиоэлектронной техники и при герметизации корпусов. Для микросварки наиболее широко используются лазеры на твердом теле (стекло с неодимом, алюмоиттриевый гранат) с энергией излучения 2—30 Дж и длительностью импульса 1—10 мс.

Электронно-лучевая сварка успешно применяется для герметизации радиоэлектронных устройств в металлостеклянных корпусах. Обычно используется импульсная сварка при ускоряющем напряжении 20—100 кВ и силе тока в луче до нескольких десятков миллиампер.

Диффузионная сварка в вакууме и в водороде начинает применяться в производстве микросхем для сварки термокомпенсаторов кристаллов и на других операциях.

5. Выполнение соединений в микросхемах.

Применяется несколько схем монтажа полупроводниковых приборов и интегральных схем, в которых  для соединения используются различные  способы микросварки.