Сварка
Холодная сварка - это процесс получения неразъемного соединения в результате пластической деформации двух деталей (металлостеклянный корпус). При сближении свариваемых деталей на расстояние действия межатомных сил между поверхностными атомами образуются металлические связи. Степень деформации свариваемых деталей должна быть 75—85 %, т.е. их суммарная толщина после сварки составляет 15—25% от первоначальной. Усилие сжатия при холодной сварке зависит от пластичности материалов соединяемых деталей и контактной площади рабочего инструмента (пуансона), обычно выполняемого из инструментальной стали Х12, ХВГ, ШХ13 или твердого сплава ВК20. Так, для соединения деталей из меди МБ или М1 удельное давление должно быть 1500—1800 Н/мм2, а деталей из меди с коваровыми, стальными или из сплава 47НД составлять 2000—2500 Н/мм2. В зависимости от свойств свариваемых материалов применяют дву- или одностороннюю холодную сварку. Двусторонней соединяют детали из материалов примерно одинаковой пластичности, а односторонней — различной пластичности. Причем в первом случае (рис. 2) пуансоны одновременно деформируют фланцы крышки и корпуса и поэтому во избежание подрезки более пластичного фланца крышки воздействующий на него верхний пуансон должен иметь плоскую широкую торцевую поверхность. Холодная сварка проста, доступна и применяется в основном для герметизации металлостеклянных корпусов транзисторов и диодов средней и большой мощности, а также корпусов ИМС из металлов, обладающий высокой теплопроводностью.
Специфическим условием получения качественного герметичного соединения является высокая пластичность материала, по крайней мере одной из соединяемых деталей. Обычно баллон выполняют из меди Ml, а ножку - из ковара, обеспечивающего хорошее согласование ТКЛР со стеклянными изоляторами коваровых выводов. Поскольку холодная сварка связана со значительной деформацией (относительная деформация до 80%), толщина соединяемых деталей должна быть не менее 0,3 мм, а на ножке должна выполняться защитная канавка, разгружающая хрупкие стеклянные изоляторы. Коваровую ножку делают достаточно толстой (1 мм), чтобы обеспечить необходимую прочность и герметичность стеклянных изоляторов.
Важным условием получения качественного шва является чистота и отсутствие окислов на соединяемых поверхностях. Целесообразно медный баллон предварительно никелировать. В процессе сдавливания хрупкая никелевая плёнка разрушается, обнажая чистую поверхность меди,
П
роцесс может быть выполнен, например, на полуавтомате И020.0007/Т. Полуавтомат позволяет осуществлять холодную сварку корпусов диаметром до 20 мм в контролируемой среде. Сварка производится подвижным верхним и неподвижным нижним пуансонами. Усилие для сварки (до 1000 кГ) создается гидравлическим цилиндром с максимальным рабочим давлением 50 ат. Загрузку деталей в гнезда 12-позиционной карусели выполняют вручную, выгрузку сваренных изделий - автоматически. Для создания нейтральной среды в зоне сварки полуавтомат снабжен герметичным колпаком. Производительность полуавтомата 600 - 900 шт/ч.
Рис 2. Односторонняя холодная сварка корпуса ИМС.
1,4 – верхний и нижний пуансоны, 2,3 – крышка и основание корпуса
Электроконтактная конденсаторная сварка (ЭКС) - это процесс получения неразъемного соединения нагревом свариваемых кромок до пластичного состояния и последующим их сжатием (осадкой). Для нагрева свариваемых кромок через них пропускают электрический ток. При этом количество необходимой теплоты можно определить по следующей формуле (закон Джоуля—Ленца): а = 0,2412Кt (где / — сварочный ток; К - сопротивление участка цепи в месте контакта; t- время действия тока). Кроме сварочного тока, который обычно составляет несколько десятков тысяч ампер, и длительности его прохождения, основным параметром электроконтактной сварки является: усилие сжатия электродов, которое в зависимости от свариваемых материалов составляет 1-20 кН. Монолитные электроды изготовляют из бронзы БрБ2, БрХБ или БрНБТ, основание; комбинированных — из меди М1, М2 или МЗ, а рабочую часть из сплава ВМ.
Наиболее распространена электроконтактная сварка неподвижными электродами, при которой соединяемые детали устанавливают в специальное гнездо нижнего электрода, а верхний электрод при опускании центрирует их и сжимает с удельным давлением 50—100 Н/мм2. При роликовой электроконтактной сварке соединяемые детали перемещаются между двумя вращающимися роликами.
Электроконтактной сваркой чаще всего герметизируют корпуса п/п приборов и микросхем круглой и прямоугольной формы со штыревыми выводами.
Для герметизации ИМС широко используют корпуса с боковыми выводами и стеклянными или керамическими изоляторами, расположенными непосредственно под зоной герметизации или вблизи нее. Так как при этом герметизация сваркой давлением невозможна, применяют ультразвуковую, электронно-лучевую или лазерную сварку, а также аргонно-дуговую.
ЭКС допускает соединение тонкостенных (0,15 мм) баллона и ножки, получаемых штамповкой. В круглом металлостеклянном корпусе прочность и герметичность выводов увеличены за счет заполнения стеклом полой тонкостенной коваровой ножки. Глубоко расположенный сварной шов исключает возможность выплескивания металла внутрь корпуса. Материал ножки - ковар, баллона - ковар, никель, сталь 10 (с защитным покрытием).
Полуавтоматическая установка конденсаторной сварки УКС-4100 позволяет осуществлять герметизацию круглых корпусов в защитной атмосфере гелия (расход 10 л/мин). Загрузку деталей выполняют вручную, остальные операции - автоматически. Диапазон усилия сжатия электродов 50—350 кГ. Производительность установки 500 шт/ч.
Методом конденсаторной сварки герметизируют также металлостеклянные корпуса квадратной и прямоугольной формы.
П
ри аргонно-дуговой сварке, которая является одним из видов электродуговой, аргон, обтекающий электрод и зону соединения, предохраняет расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха. Неплавящийся вольфрамовый электрод служит для возбуждения и поддержания горения дуги. При герметизации этим способом (рис. 3) кромки крышки и основания корпуса микросхемы под воздействием теплоты электрической дуги оплавляются с образованием сварочной ванны. Охлаждаясь, металл в месте сварки кристаллизуется, и образуется сварочный шов. Основное преимущество аргонно-дуговой сварки — возможность местного (локального) нагрева деталей, а недостаток — повышенные требования к точности их совмещения и изготовления оснастки. Аргонно-дуговой сваркой герметизируют металлостеклянные корпуса со штыревыми выводами, когда периметр соединения больше 50 мкм, а суммарная толщина фланцев 0,2-0,6 мм.
Рис 3. Взаимное расположение электрода и корпуса ИМС при аргонно-дуговой сварке
1-электрод, 2-сопло, 3,5-теплоотводы крышки и основания, корпус микросхемы, 6-плита
При микроплазменной сварке, которая является разновидностью аргонно-дуговой, локализация и стабилизация плазменного луча достигается с помощью сопла 2 с диаметром выходного отверстия менее 1 мм. Так как возбуждение дугового разряда между электродом 1 и свариваемым изделием (фланцы корпуса 7 микросхемы) через узкое сопло невозможно, вначале возбуждают вспомогательную дугу; между электродом 1 и соплом 2,включенным через токоограничительный резистор. Образующаяся при этом низкотемпературная плазма (10 000 К) возбуждает новую дугу между электродом и изделием. При одинаковых полярностях потенциалов изделия и сопла и электрода вспомогательный разряд шунтируется и гаснет. Установка микроплазменной сварки МПУ4 может работать; как в непрерывном, так и импульсном режимах постоянного тока. Ток основной дуги составляет 1,5-30 А, ток вспомогательной - до 6 А. Плазмообразующим и защитным газом чаще всего служит аргон.
П
ри корпусной герметизации применяют также пайку припоями и стеклом.
Рис 4. Микроплазменная горелка.
1-элетрод, 2-сопло, 3,5-плазмообразующий и защитный газы, 4-корпус плазмотрона, 6-теплоотвод, 7-фланцы корпуса ИМС.
Термокомпрессионная сварка представляет собой сварку давлением с подогревом. Необходимое давление прикладывают к инструменту (рис. 5), а рабочая температура обеспечивается нагревом либо инструмента, либо рабочего стола с изделием, либо того и другого одновременно. Рабочая температура поддерживается постоянной в течение всего времени работы установки.
Пластические, деформации, возникающие в зоне контакта соединяемых деталей, способствуют вытеснению адсорбированных газов и загрязнений. В результате обнажения чистых поверхностей становится возможным электронное взаимодействие соединяемых материалов (образование межатомных связей). Получению прочного соединения способствует также ограниченная взаимная диффузия материалов и образование твердого раствора в тонкой приграничной области.
Во избежание разрушения соединения вследствие остаточных напряжений материал проволоки должен быть пластичным. С этой целью проволоку предварительно подвергают рекристаллизационному отжигу.
Наилучшей свариваемостью обладают пары Ag - Аu и Аu - Сu, так как им присуща высокая взаимная диффузия. При сварке Аи и А1 взаимная диффузия приводит к образованию интерметаллических соединений, некоторые из которых обладают хрупкостью или рыхлостью. Удовлетворительной сварки не удается достичь на кремниевых подложках вследствие каталитического влияния кремния.
Термокомпрессионную сварку выполняют при невысоких удельных давлениях и температурах. Поэтому для получения больших пластических деформаций диаметр вывода не должен превышать 100 -130 мкм. Важным условием выполнения качественного соединения является тщательная подготовка поверхности соединяемых деталей (травление, обезжиривание), а также защита их от окисления в процессе сварки (применение защитной среды азота, аргона, и т.д.).
Тип термокомпрессионного соединения (форма и размеры деформируемого участка вывода) зависит от размеров и конструкции инструмента. Возможны два основных типа соединения: внахлестку и встык.
Рис. 5. Образование проволочных перемычек при
термокомпрессионной сварке капиллярным инструментом:
1 - совмещение проволоки и инструмента с контактной площадкой; 2 - сварка первой точки; 3 - совмещение проволоки и инструмента с контактной площадкой; 4 - сварка второй точки; 5 - обрезка проволоки.
На рис. 5. показана последовательность образования проволочной перемычки между контактной площадкой и внешним выводом корпуса при использовании капиллярного инструмента для соединения внахлестку (рис 5 а) и встык (рис. 5 б). Во втором случае обрезка проволоки (электричкой дугой или газовой горелкой) сопровождается образованием шарика.
Соединения внахлестку (рис. 5а) реализуют, например, на установке ЭМ-407. Рабочий стол (он же нагреватель) имеет перемещение в горизонтальной плоскости в пределах 15x15 мм. Перед сваркой обе контактные площадки выставляют параллельно линии перекрестия окуляра микроскопа. Точность совмещения инструмента с контактной площадкой ± 3 мкм. Температура нагрева рабочей зоны до 400 ± 5°С. Величина давления 20 -180 г., во время выдержки при сварке 1 -10 с. Подъем инструмента после окончания выдержки - автоматический. При втором подъеме инструмента производится обрыв проволоки.
На установке ЭМ-405 соединения выполняют методом свалки встык (рис. 5б). После сварки вывод отрезают ножницами. Оплавление шарика (диаметр 0,1-0,12) на конце проволоки, выходящей из инструмента, производится электрической дугой. Специальный механизм обеспечивает автоматическое подтягивание проволоки с шариком к торцу инструмента при его опускании. Первую сварную точку выполняют встык, вторую - внахлестку. Длина проволочной перемычки (регулируемая) в пределах 3-8 мм.
—
Рис. 6. Схема термокомпрессионной сварки с подогревом инструмента: 1 - рабочий стол, 2 - подложка с тонкой пленкой, 3 - инструмент с нагревателем, 4 - проволочный проводник.
Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИП) отличается от компрессионной сварки тем, что разогрев рабочей зоны осуществляется только в момент сварки импульсом тока, проходящего непосредственно через инструмент. Благодаря этому имеется возможность получить более высокий локальный нагрев проводника и, следовательно, сваривать малопластичные материалы. СКИН обладает более широкими технологическими возможностями и позволяет получать качественные соединения золотых, алюминиевых и медных проводников (диаметром до 100 мкм) с плёнками многих материалов.
Для выполнения СКИН инструмент должен иметь V-образную форму; причем максимальная температура должна быть на рабочем торце. Для нагрева инструмента может быть использован импульс постоянного или переменного тока. Для смягчения термоудара на пленочную контактную площадку целесообразен сопутствующий подогрев изделия (т. е. рабочего стола).
В отличие от термокомпрессии процесс взаимной диффузии при СКИН играет более существенную роль в образовании соединения. При выполнении СКИН в начале прикладывается давление. Затем через инструмент подается импульс тока длительностью от 0,01 до нескольких секунд. Под действием температуры торца инструмента происходит локальный разогрев проволоки, уменьшение предела пластичности, осадка проволоки и соединение. При соединении, например, алюминиевой проволоки с алюминиевой, золотой и медной пленкой температура в зоне сварки должна составлять соответственно 400, 490 и 560°С.
Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом является разновидностью контактной точечной электросварки, приспособленной к особенностям соединений в микросхемах. Малые площади соединений и малая толщина пленок требуют локализации нагрева при одностороннем расположении электродов. Инструмент (рис.8) представляет собой два электрода с шириной рабочей части (торца) каждого электрода 0,1 мм, разделенных изолирующей прослойкой толщиной порядка 0,05 мм.
Рис. 7. Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагревом
Рис. 8. Схема сварки сдвоенным электродом
В процессе сварки проволочный проводник на участке под инструментом является составной частью электрической цепи. Разогрев проводника осуществляется за счет выделения тепла в месте контактов проволока - электроды. В зависимости от условий сварки (длительности, мощности и скважности импульсов и времени выдержки под током) могут иметь место следующие механизмы соединения:
соединение в твердой фазе в результате рекристаллизации соединяемых материалов и прорастания зерен через поверхность раздела;
соединение ниже температуры рекристаллизации за счет электронного взаимодействия и атомного сцепления;
соединение в жидкой фазе в результате расплавления.
Воспроизводимость качества соединения существенно зависит от повторяемости величины электрического сопротивления в месте контакта. Поэтому сварочные установки предусматривают автоматическое регулирование усилия давления (0,3 -1 кГ) инструмента по заданному контактному сопротивлению. Условием получения качественного соединения является также деформация проводника не менее 40%.
Рис. 9. Схема ультразвуковой сварки с косвенным импульсным нагревом
Ультразвуковая сварка является разновидностью сварки давлением (холодной или с косвенным нагревом).
Ультразвуковые колебания возбуждаются в магнитострикционном преобразователе и с помощью волновода (концентратора), служащего для увеличения амплитуды, и сварочного инструмента передаются свариваемым деталям. Энергия колебаний преобразуется в сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении предела упругости материала в зоне контакта возникают пластические деформации, и плёнка окисла разрушается, обнажая чистую поверхность. При этом материалы схватываются за счет электронного взаимодействия.
Косвенный нагрев инструмента облегчает пластические деформации и улучшает качество соединения. Вначале осуществляется сдавливание соединяемых деталей, далее пропускается импульс тока через инструмент, а затем (или одновременно) создаются ультразвуковые колебания.
К преимуществам ультразвуковой сварки можно отнести: невысокую температуру в зоне контакта, возможность соединения трудносвариваемых разнородных материалов (и даже диэлектриков) и невысокие требования к состоянию поверхности.
Ограничением метода является требование высокой пластичности материала проводника, так как деформация должна достигать 50 - 60%. Удельные давления должны составлять несколько килограммов на 1 мм2.
Основными параметрами процесса являются амплитуда колебаний (порядка 5 -10 мкм при частоте 40 - 60 кГц) и удельное давление. Время сварки должно быть оптимальным: при малом времени физический контакт соединяемых поверхностей может оказаться малым, при большом времени наблюдается разрушение узлов схватывания.
Таблица 2. Свариваемость материалов при различных методах микросварки
Материал контактной площадки и подложки
|
Методы сварки и материалы проволочных выводов
|
Термокомпрессия нагретым инструментом
|
Сварка косвенным импульсным нагревом
|
Контактная сварка сдвоенным электродом
|
Ультразвуковая сварка
|
Аu
|
А1
|
Сu
|
Аu
|
А1
|
Сu
|
Аu
|
А1
|
Сu
|
Аu
|
А1
|
Сu
|
Золотая плёнка с подслоем нихрома на си-талле или стекле
|
++
|
+
|
|
++
|
++
|
+
|
++
|
|
++
|
++
|
++
|
+
|
Медная или никелевая плёнка с подслоем нихрома на ситалле .
|
++
|
+
|
|
++
|
++
|
+
|
++
|
|
+
|
++
|
+
|
+
|
Алюминиевая плёнка на ситалле или стекле
|
++
|
+
|
|
+
|
+
|
|
+
|
|
+
|
++
|
+
|
|
Примечание. ++ свариваются хорошо; + - свариваются удовлетворительно; - не свариваются.
В установке ЭМ-404 для ультразвуковой сварки использован инструмент капиллярного типа, который может совершать продольные или крутильные колебания в зависимости от установленного сменного волновода. Давление инструмента на свариваемые элементы регулируется в пределах 20-150 г, время сварки выдерживается с точностью ± 0,02 с. Ультразвуковой генератор может работать с частотой 58-65 кГц и с выходной мощностью 0,1 - 28 Вт. На установке можно приваривать золотые, алюминиевые и медные проволоки диаметром 20 -100 мкм. Установка имеет нагревательную колонку, что позволяет работать с подогревом изделия.
В табл.2 приводятся данные по выбору метода соединения проволочных проводников с тонкопленочными контактными площадками.
Роликовой сваркой можно сваривать корпуса большого размера и любой конфигурации. Одним из вариантов корпуса является сварка плоских корпусов двумя роликами, которые прокатываются по одной поверхности на небольшом расстоянии друг от друга. В этом случае сварка ведется по принципу односторонней контактной сварки с параллельным расположением электродов (роликов).
Электроннолучевая сварка для герметизации стала применять недавно и не нашла еще широкого распространения. Однако этот способ будет, безусловно, широко применяться благодаря ряду преимуществ перед другими способами герметизации.
Обычно при электроннолучевой сварке малых толщин зазор должен быть минимальным, так, при сварке деталей толщиной 0,3 мм зазор должен быть не менее 0,02 мм. Для уменьшения допусков на размеры зазора и воздействия сварки на металлостеклянные спаи необходимо разрабатывать специальную конструкцию корпусов и подготовку кромок. Наиболее рациональная форма кромок корпуса под сварку приведена на рис.9.1. При такой форме соединение происходит за счет взаимного расплавления металла крышки и основания. Глубина проплавления может достигать 0,5 мм, что обеспечивает герметичность изделия.
Рис 9.1. Форма кромок металлостеклянного корпуса под электроннолучевую сварку
|
