Сварка электромонтажных соединений

Сварка — это процесс получения неразъемного соединения материалов под действием теплоты, давления или их сочетания. Образование сварочного соединения происходит в две стадии: на первой развивается физический контакт до уровня, требуемого для межатомного взаимодействия, на второй происходит химическое взаимодействие с образованием соединения.

Сварное монтажное соединение имеет высокую механическую прочность, малое электрическое сопротивление, коррозионно-устойчиво, надежно при тепловых воздействиях. При этом оно обладает рядом технологических преимуществ перед паяными соединениями: не требуются флюсы и припои, минимальны вредные воздействия на человека и окружающую среду, ниже трудоемкость получения соединения. К недостаткам сварки относят неремонтопригодность монтажных соединений и значительные затраты на сложное специализированное оборудование.

В производстве РЭА для получения электромонтажных соединений используются следующие способы сварки: микроплазменная, микропламенная, лазерная, термокомпрессионная, контактная, ультразвуковая сварка.

Микроплазменная сварка является наиболее совершенным способом дуговой сварки и применима для монтажных соединений, доступ к которым возможен с одной стороны. Сущность процесса заключается в том, что над местом соединения устанавливается вольфрамовый электрод, между ним и свариваемым изделием в среде защитного газа возбуждается электрическая дуга (рис. 78) Электрическая дуга загорается при контакте электрода, с деталью и отведении его на определенное расстояние от нее или при пропускании импульса высокого, напряжения, ионизирующего воздух между электродом и деталью (выводом ИС, прижатом к печатному проводнику печатной платы). Благодаря омыванию места сварки защитным газом (аргоном) достигается чистая, и блестящая поверхность сварного шва. Микроплазменная сварка используется для получения соединений электромонтажных элементов из серебра., меди и ее сплавов (бронзы, латуни, и нейзибера), никеля, ковара. Высокая производительность точечной микроплазменной сварки достигается: при рядовом расположении элементов монтажа на печатной плате. При этом плата перемещается определенной скоростью, а электрическая дуга зажигается только тогда, когда соединяемая пара.(вывод ЭРЭ-контактная площадка платы) находится под электродом.

Микропламенная сварка является универсальным спо­собом, который позволяет, в частности, соединять изоли­рованные провода вместо их пайки с предварительной зачисткойй изоляции и лужением. Например, микропламенная сварка используется для сварки выводов из одножильных проводов с концами проводов катушек. Установка для сварки позволяет получать стабильное игольчатое пламя в виде столба диаметром 0,1—0,2 мм, температурой выше 2000 С. При работе установки используют дистиллированную воду. В установке имеется электролизер, который позволяет электролизом воды получать смесь кислорода и водорода в идеальном для процесса горения отношении (1:2). Смесь газов пропускается через фильтр и метиловый спирт, что придает пламени восстановительные свойства (в результате обеспечивается получение высококачественных соединений аналогично сварке в среде защитного газа) В качестве сварочных наконечников используют инъек­ционные иглы шприцев. Для сварки скрученных между собой концов проводов и выводов оператор вводит участок подлежащий сварке, в зону пламени и визуально опреде­ляет время окончания процесса сварки по образовавшемуся «шарику».

Лазерная сварка основана на воздействии монохромати­ческого когерентного светового луча, создаваемого лазером (рис. 78,б), с высокой плотностью энергии, превращение которой в теплоту при падении на свариваемые детали при­водит к их оплавлению. Луч лазера фокусируется линзой в пятно до 0,01 мм, что позволяет ограничить зону термиче­ского влияния до 0,03—0,25 мм. Для приварки планарных выводов ЭРЭ, плоских кабелей и проводов к проводящим элементам печатных плат используются импульсные твердо­тельные или газовые лазеры. К достоинствам сварки лазер­ным лучом относят: возможность получения соединений на воздухе, высокую скорость охлаждения, благодаря чему можно сваривать разнородные материалы без образования хрупких интерметаллических соединений; возможность сварки проводов без снятия изоляции. К недостаткам лазер­ной сварки относят сложность юстировки оптической си­стемы при наладке лазера и регулировки величины импуль­сов излучения.

Рассмотренные способы сварки электромонтажных со­единений основаны на воздействии тепла на свариваемые материалы. К таким способам относится также электронно­лучевая сварка, основанная на использовании теплоты, выделяющейся при соударении ускоренных электронов со свариваемыми деталями. Применение электронно-лучевой сварки для монтажа микросхем с планарными выводами — на печатных платах сдерживается в настоящее время высо­кой стоимостью оборудования и длительностью технологи­ческого процесса, проводящегося в вакууме, несмотря на значительные достоинства этого способа сварки (точность дозировки энергии, высокая стабильность качества сварки, точность и высокая прочность сварных соединений). Одно­временное воздействие теплоты и давления непосредственно на свариваемые материалы характерно для термокомпресси­онной и контактной сварок, а также их разновидностей.

Термокомпрессионная сварка характеризуется пластиче­ской деформацией микроучастков свариваемых материалов при давлении, обеспечивающем протекание холодной мик­росварки, и диффузией поверхностных атомов при темпе­ратуре ниже температуры плавления металлов. Необхо­димым условием термокомпрессионной сварки пластичных материалов к пленочным подложкам является их тщатель­ная подготовка и очистка поверхности свариваемых мате­риалов от оксидных пленок.

В том случае, если необходимо монтировать на металли­ческой подложке изолированные микропровода, применяет­ся контактная сварка с импульсным косвенным нагревом (рис. 78,в). На свариваемые детали 1, имеющие электриче­скую изоляцию 2, устанавливают электроды 3, которые вна­чале получают импульс тока от греющего трансформатора 4, а затем от сварочного трансформатора 5. Разработана уни­версальная машина типа МТТУ-301 для групповой и оди­ночной сварки изолированного микропровода ПЭВТЛ-1, ПЭВТЛ-2, ПЭВТЛК-1 диаметром 0,04—0,07 мм без предва­рительного удаления изоляции.

Контактная сварка предназначается для сварки листо­ вых и проволочных деталей небольшой толщины при при­ложении к ним давления и разогрева места контакта дета­лей протекающим через него электрическим током. Суще­ ствуют различные виды контактной сварки. Например, сварка расщепленным (сдвоенным) электродом, которая при­меняется для электрического монтажа бескорпусных микро­сборок на печатных платах (присоединение золотых провод­ников диаметром 0,05 мм к контактным площадкам), для монтажа планарных выводов ИС и ленточных проводников на печатных платах (рис. 78,г). Сущность этого вида сварки заключается в том, что электроды, расположенные близко друг от друга (зазор 0,02—0,5 мм), контактируют с одной из свариваемых деталей, обычно верхней; ток проходит от одного электрода через свариваемые детали и замыкается через другой электрод. Одним из условий получения ка­чественных соединений является обеспечение одинакового давления на свариваемые детали обоими электродами. При сварке расщепленным электродом используют, как правило, постоянные источники тока посредством разряда конденсаторов (конденсаторная сварка). Для повышения стабильности качества сварных соединений для сварки применяют схемы с авторегулированием режима и его под­стройкой по сопротивлению свариваемых элементов соеди­нения. Сварка расщепленным электродом позволяет при­варивать плоские выводы микросхем толщиной 30—500 мкм. Способ является перспективным для сварки выводов и про­водников из золота, меди, золоченого ковара с контактны­ми площадками из никеля, ковара или золоченой, посереб­ренной меди.

Для микросварки планарных выводов микросхем к пе­чатным платам применяется установка УКМС-901. В уста­новке используются электроды из кадмиевой меди и произ­водится сварка выводов ИС из золоченого ковара толщиной 0,15 мм к контактным площадкам печатных плат, покры­тых слоем серебра толщиной до 15—20 мкм. Установку микросхем на печатные платы производят с помощью клея АК-20. При создании давления на электродах сварка выво­да микросхемы производится автоматически.

При воздействии только давления осуществляется ульт­развуковая сварка. В этом случае энергией, необходимой для образования сварного соединения, является энергия ультразвуковых колебаний. Схема процесса показана на рис. 78,д. При ультразвуковой сварке можно вести сварку металлов, покрытых изоляционными пленками.