Білоруський державний університет
ІНФОРМАТИКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
на тему:
"Термокомпрессіонная, ультразвукова та термозвуковая зварювання"
МІНСЬК, 2008
Термокомпрессія - це процес з'єднання двох матеріалів, що знаходяться в твердому стані, при впливі на них теплоти і тиску. Температура нагріву з'єднуються термокомпрессіей матеріалів не повинна перевищувати температуру утворення їх евтектики, і один з матеріалів повинен бути пластини.
Отримання міцного з'єднання термокомпрессіоіной зварюванням можна пояснити чоловікові наступним чином. Як відомо, ідеальних поверхонь не існує. У мікроскоп при сильному збільшенні можна побачити, що на поверхнях контактної площадки напівпровідникового кристала і електродного дроту (висновку) є безліч мікровиступів і мікровпадін. Якщо прикласти тиск до електродному висновку, виготовленому з пластичного матеріалу, і нагрівати, наприклад, напівпровідниковий кристал, відбудеться пластична деформація мікровиступів електродного виведення, а також годину-, тачная деформація мікровиступів напівпровідника і взаємне затікання з'єднуються матеріалів у мікровпадіни, тобто термокомпресоіонная зварювання.
При термокомпрессіонной зварюванні утворюється хороша адгезія між напівпровідниковим кристалом і електродним (Висновком і створюється надійний електричний контакт. Слід зазначити, що чим пластічнєє матеріал електродних висновків /, тим більшим коефіцієнтом адгезії він володіє. Так, золото і алюміній в порівнянні з іншими матеріалами, використовуваними для електродних висновків (мідь, срібло), мають найбільший коефіцієнт адгезії, відповідно рівний 1,84 і 1,80.
У виробництві напівпровідникових приладів та ІМС термокомпрессіей з'єднують наступні пари матеріалів: золото - кремній, золото - германій, золото - алюміній, золото - золото, алюміній - алюміній, золото - срібло і алюміній - срібло.
Приєднання електродних висновків термокомпрессіей може бути виконано у вигляді однієї або декількох плоских точок, кульки, а також встик (кулькою) і внахлест. Розглядаючи приєднання електродних висновків термокомірессіей, зазвичай мають на увазі, що зварювання виконується, як правило, в двох місцях: один кінець виводу приварюють до контактної майданчику кристала (перша зварювання), а другий - до висновку корпусу (друга зварювання). У залежності від прийнятого технологічного процесу приєднання висновків (у це поняття входить також обладнання, конструкція інструмента) термокомпрессію поділяють на кулькову, клином і зшиванням.
Кулькова термокомпрессія (Малюнок 1, а) будь-яких особливих пояснень не вимагає. Слід лише зазначити, що кулька 5 на кінці дротяного висновку може бути отриманий оплавленням електродного дроту 1 в полум'ї водневої пальники 4 або дотиком до електричного розрядника.
При оплавленні у водневому полум'ї отримують дві кульки чи один. При отриманні двох кульок один залишається вільним на кінці вже приєднаного виведення, а інший перебуває в капілярі 3 (інструменті) і призначений для приварки чергового електродного виведення до кристалу 7 і контактної майданчику 8. Один кулька у водневому полум'ї отримують в тому випадку, коли пальник використовують тільки для оплавлення кінця дроту в кульку, що виходить з капіляра, а не для відділення приєднаного електродного висновку від дроту при другій зварюванні.
За допомогою розрядника і на кінці дроту утворюється лише одна кулька, яким електродний висновок приєднують до контактної майданчику кристала. Другий кінець електродного виводу в цьому випадку приварюють до корпусу 9 внахлест.
Термокомпрессія клином (Малюнок 1, б) досить складна для виконання. Спочатку необхідно поєднати контактну площадку 8 кристала 7 з інструментом - клином 11 і електродний дріт 1 (висновок) з його кінцем. Потім, після зварювання, витягнувши дріт з сопла 12, треба виконати ті ж маніпуляції для приєднання другого кінця дроту 1 до корпусу 9. Далі відокремлюють електродний висновок від іншої частини дроту обривом, ножицями, перерізанням голкою про край виведення корпусу обрізкою спеціальним пристроєм.
Обрізка спеціальним пристроєм вважається найкращим способом, тому що кінець дроту не сплющується (сплющений кінець непридатний для наступної приварки) і не залишається довгих відрізків, які не тільки збільшують витрату дроту (зазвичай золотий), але і можуть бути причиною утворення коротких замикань.
При термокомпрессіі зшиванням (Малюнок 1, в) інструмент являє собою капіляр 3 з вертикальним осьовим отвором. Іноді цей вид термокомпрессіі називають петлевим. Процес створення дротяних перемичок між кристалом 7 і корпусом 9 в цьому випадку багато в чому нагадує звичайне шиття. Тільки при шитті нитка проходить через бічний отвір голки, а при термокомпрессіі зшиванням - через вертикальне осьовий отвір інструмента.
Після приварювання кінця електродного дроту 1 до кристалу 7 її витягують через капіляр 3, який суміщають з контактної майданчиком 8 і виконують другу зварювання. Потім дріт обрізають ножицями 13, загинаючи вільний кінець під інструмент.
Термокомпрессію інструментом у вигляді "пташиного к л ю в а" (Малюнок 1, г) відносять до термокомпрессіі зшиванням. Інструмент - "пташиний дзьоб" 14 - складається з двох частин, між якими пропускають електродний дріт 1. Після виконання обох зварок дріт обривають, переміщаючи інструмент в бік від місця зварювання. Цей інструмент складний у виготовленні й експлуатації, тому має обмежене застосування у виробництві. У той же час він забезпечує високу міцність з'єднання, так як на електродному виведення утворюється його відбиток 10 з ребром жорсткості.
Необхідно зазначити, що кожен спосіб термокомпрессіі характеризується своїм відбитком інструменту на електродному висновку.
Найбільш продуктивною вважається кулькова термокомпрессія, але її застосовують лише при складанні напівпровідникових приладів з великими контактними майданчиками, використовуючи електродний дріт діаметром більше 20 мкм. При термокомпрессірованіі золотий електродного дроту до кремниевому кристалу температура нагрівання становить 350-380 ° С, тиск 60-100 МН/м2, а час витримки 2-20 с. При з'єднанні золотого дроту з шаром золота, напиленим на плівку діоксиду кремнію, температура нагріву повинна бути 250-370 ° С, тиск 60-100 МН/м2, а час 0,5-2 с.
Основною перевагою термокомпрессіонной зварювання є можливість з'єднання без флюсу та припоїв м e них металів у твердому стані при порівняно низьких температурах і малій їх деформації (10 - 30%) як на повітрі, так і в атмосфері форміргаза або сухого водню. Крім того, термокомпрессія має порівняно високою технологічністю, що полягає в простоті підбору режимів та виготовлення обладнання, а також можливості контролю якості зварювання.
Недоліки термокомпрессіі - обмежене число пар зварюються металів, високі вимоги до якості поверхонь, що з'єднуються, порівняно низька продуктивність праці (зазвичай зварювання виконують під мікроскопом).
Для приєднання електродних висновків термокомпрессіей використовують спеціальні установки, що відрізняються зовнішнім оформленням і деякими особливостями конструкції, в основу яких закладено три технологічних ознаки: спосіб нагріву, конструкція інструменту і вид термокомпрессіонной зварювання. У різних установках термокомпрессіі можуть нагріватися столик (Малюнок 2, а), інструмент (Малюнок 2, б) або одночасно інструмент і столик (Малюнок 2, в).
Малюнок 1. Термокомпрессіонная зварювання кулькою (а), клином (б), зшиванням (в), "пташиним дзьобом" (г):
1 - електродний дріт, 2 - затискний пристрій, 3 - капіляр, 4 - воднева пальник, 5 - кулька, 6 - електродний висновок, 7,8 - контактні майданчики кристала і корпуса (плати), 9 - корпус (плата), 10 - форма відбитка інструменту, 11 - клин, 12 - сопло, 13 - ножиці, 14 - "пташиний дзьоб".
Малюнок 2. Різновиди термокомпресоіонной зварювання в залежності від способу нагрівання столика (д), інструмента (б, г), столика та інструменту (в):
1 - інструмент, 2 - електродний дріт, 3 - кристал, 4 - корпус (плата), 5 - столик, б - нагрівач.
Різновидом термокомпрессіі є зварювання непрямим імпульсним нагріванням (СКІН) інструменту з жароміцного матеріалу, службовця провідником електричного струму (Малюнок 2, г). При імпульсному пропущенні електричного струму відбувається короткочасний перегрів інструменту, в результаті чого їм можна зварювати електродні висновки з малопластична металів (міді, срібного сплаву) з тонкими металевими плівками, нанесеними на кераміку або напівпровідник.
Ультразвукове зварювання - це процес з'єднання двох матеріалів, що знаходяться в твердому стані, при незначному нагріві з додатком певного тиску і коливань ультразвукової частоти.
При ультразвукової зварюванні температура нагрівання в зоні контакту не перевищує 50-60% від температури плавлення з'єднуваних матеріалів. Контактна тиск, подбираемое досвідченим шляхом, залежить від механічних властивостей зварюваних матеріалів і розмірів виготовлених з них деталей. Зазвичай деформація деталей, що з'єднуються ультразвукової зварюванням, не перевищує 5-20% їх початкових розмірів.
Ультразвукову зварювання виконують в інтервалі частот від 18 до 250 кГц. Ультразвукові коливання, впливаючи на з'єднання, нагрівають його, звільняють від забруднень і оксидів поверхні в зоні контакту, прискорюють пластичну деформацію електродних висновків. У результаті відбувається зближення фізично чистих поверхонь на відстань дії міжатомних сил, взаємна дифузія і міцне з'єднання двох матеріалів.
При ультразвукової зварюванні не використовують флюси та припої, що є її основним достоїнством. Крім того, цим способом можна з'єднувати різнорідні, різнотовщинність і трудносваріваемие матеріали.
Так, за допомогою ультразвуку добре зварюються електродні висновки із золота та алюмінію з золотим покриттям, нанесеним на ситалл по подслое ніхрому; алюмінієві електродні висновки з алюмінієвою плівкою, нанесеної на скло, кремній або діоксид кремнію; золоті, алюмінієві та мідні дротяні висновки ІМС із золотим покриттям, обложеним на ковар по подслое нікелю.
Установки ультразвукового зварювання оснащуються різними системами передачі ультразвукових коливань до місця контакту зварюваних матеріалів. Так, для приварки дротяних висновків ІМС зазвичай застосовують ультразвукову продол'но-поперечну коливальну систему з інструментом, що здійснюють коливання вигину (Малюнок 3).
Ультразвукові коливання від перетворювача 1 передаються по концентратора (волноводу) 2 до розташованого перпендикулярно йому зварювального інструменту 3, якій, у свою чергу, передає їх дротовому елетродному висновку 4 і кристалу 5. Інструмент, здійснюючи коливання вигину, впливає на електродний висновок, притира його до кристалу. При цьому поверхні контакту очищаються, нагріваються, зближуються і відбувається взаємна дифузія атомів.
Малюнок 3. Ультразвукова поздовжньо-поперечна коливальна система:
1 - перетворювач (вібратор), 2 - концентратор (хвилевід), 3 - інструмент, 4 - електродний висновок, 5 - контактна майданчик кристала, б - пристрій кріплення, 7, 8 - обмотки збудження і подмагничивания.
Міцність з'єднань, отриманих ультразвукової зварюванням, залежить від амплітуди і частоти ультразвукових коливань інструмента, контактного зусилля, що прикладається до зварюваних деталей, стану їх поверхонь, часу зварювання та потужності коливальної системи.
Амплітуду і частоту коливань інструмента для кожної пари деталей певної товщини підбирають дослідним шляхом, тому що від них залежить динамічне навантаження, що передається в зоні контакту. Так, для з'єднання деталей невеликої товщини використовують малі амплітуди (0,005-0,015 мм) і підвищені частоти (до 100 кГц).
Пластична деформація матеріалів залежить від їх фізико-механічних властивостей, товщини та доданого контактного зусилля, а також стану поверхонь. Так, для електродних висновків діаметром Від 20 до 50 мкм контактне зусилля лежить в межах 0,05 - 1 Н.
Потужність коливальної системи визначається конструкцією установки, а час зварювання залежить від обраних амплітуди і частоти коливань інструмента, контактного зусилля, а також властивостей зварюваних матеріалів, їх товщини і звичайно становить від декількох сотих до кількох десятих часток секунди.
Зварювані поверхні повинні бути чистими, не мати жирових плівок і грубих дефектів. Слід пам'ятати, що основною умовою високоякісної ультразвукового зварювання є вільне контактування поверхонь, що з'єднуються.,
Інтенсифікації процесу ультразвукового зварювання сприяє непрямий імпульсний нагрів інструменту. Одночасне вплив ультразвукових коливань на сполучаються деталі й імпульсного нагріву інструменту підвищує міцність, зменшує деформацію висновків і дозволяє зварювати важко-зварювані матеріали.
ЛІТЕРАТУРА
Черняєв В.М. Технологія виробництва інтегральних мікросхем і мікропроцесорів. Підручник для вузів - М; Радіо і зв'язок, 2007 - 464 с: іл.
Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Плівкові струмопровідні системи НВІС. -Мн. Обчислюємо. шк., 2000. -238 С.
Тару Я. Основи технології НВІС Пер. з англ. - М.: Радіо і зв'язок, 2000-480 с.