Монтаж интегральных схем сваркой сдвоенным электродом
Сварка сдвоенным электродом с параллельным зазором представляет собой один из лучших способов присоединения интегральных схем к печатным платам. Соединения, полученные этим способом, очень надежны, а автоматические сварочные установки снабжают высокую скорость работы. Но потом такая идеальная разработка присоединения из-за некоей несовместимости особенностей применяемых приёмов и материалов может привести к происхождению нескольких видов брака, что ограничивает использование на практике этого способа.
При сварке сдвоенным электродом в качестве проводников употребляется никель высокой чистоты, покрытый золотом. При массовом производстве тяжело осуществить качественную сварку по меди, а использование сплавов на базе железа и никеля требует решения таких неприятностей, как предотвращение свойств появления и сохранение подложки ржавчины.
При применении никеля нужно включать в разработку особые процессы, предотвращающие бурные химические реакции, каковые смогут уничтожить узкие никелевые токоведущие дорожки при их травлении либо металлизации золотом. Для выравнивания теплоотвода на протяжении сварки были созданы особые правила составления монтажных схем. Это устранило одну из обстоятельств ухудшения прочности сварных соединений при трансформации температуры сварки от точки к точке.
Соединение между выводом интегральной схемы в плоском корпусе и печатным монтажом по существу не есть сварным. Вывод не приваривается к никелю, а как бы паяется жёстким припоем к никелевой дорожке посредством узкого покрытия золотом на выводе и на никелевой дорожке. Начальные опасения, что жёсткий золотой припой не сможет обеспечить прочность соединения при громадных механических нагрузках, не подтвердились.
Само собой разумеется, использование пайки имело возможность бы устранить кое-какие неприятности, связанные со сваркой, но высокая плотность монтажа на платах требует применения сварки, поскольку разрешает снизить размеры соединений и расширить их надежность.
Наличие двустороннего монтажа на плате не разрешает применять пайку волной, поскольку вероятно образование маленьких замыканий между близко расположенными проводниками, а тепловая нагрузка на интегральные схемы наряду с этим может послужить обстоятельством отказов. По большому счету говоря, компоненты смогут быть припаяны вручную к обеим сторонам печатной платы, но «ахиллесовой пятой» данной операции есть ее зависимость от квалификации оператора.
Так, предпочтительно применять сварное соединения: они мелки по количеству, наряду с этим не образуется замыкание, тепловые нагрузки пренебрежимо мелки, а автоматизированный процесс сварки только в маленькой степени зависит от квалификации оператора. К тому же оператор следит за процессом в микроскоп либо на экране и может осуществлять контроль уровень качества сварки. Но сварные соединения тяжело ремонтировать.
Замена интегральных схем наряду с этим довольно часто ведет к повреждению печатной платы. Дискретные компоненты возможно заменить, обрезав их выводы и приварив другие на их место, но одновременно с этим при демонтаже компонент выделяется много тепла, что может привести к отрыву печатного монтажа от платы. Это значительно, поскольку платы, в особенности которые содержат ИС, сложны и хватает дороги.
Материалы для фольгирования плат
Ответ применять никель в качестве проводящего материала фольгированных плат было принято в следствии анализа разных материалов. Медь наряду с этим была отвергнута, не обращая внимания на многие ее нужные особенности, поскольку ее высокая проводимость затрудняет сварку сдвоенным электродом.
При фольгироваиии плат коваром сварка идет достаточно прекрасно. Но ковар является сплавомна базе железа, и он может подвергаться коррозии. Помимо этого, его проводимость так низка, что высокое сопротивление узких травленых проводящих дорожек ухудшает характеристики схем. Время от времени для покрытия печатных плат применяют слои разных материалов, к примеру никель, нанесенный на слой меди и после этого металлизированный золотом.
В этом случае проводимость фольги равна проводимости меди. Такое покрытие не подвержено коррозии, и главный металл, медь, прекрасно механически связан с платой. Но уровень качества сварки наряду с этим не весьма высоко — из каждых 300 соединений в большинстве случаев от 30 до 50 являются холодными либо перегретыми при сварке. Вариации толщины меди и в этом случае воображают нерешенную проблему.
На данный момент не существует практичного способа контроля трансформации толщины бронзовой фольги.
Вторым материалом для фольгирования есть трехслойная совокупность, нижний слой которой выполнен из алюминия (толщина ее образовывает 5% неспециализированной толщины фольги), средний из стали (90% толщины) и верхний из никеля (5%’ толщины). Алюминий есть присоединяющим слоем, а сталь является тепловым буфером при приварке к поверхности никеля. Таковой материал отлично сваривается, прекрасно травится и имеет довольно хорошее удельное сопротивление (оно в 5—6 раза больше, чем у меди).
Но под действием жидкости сталь начинает ржаветь. Само собой разумеется, герметизация может не допустить ржавление платы, но при создании краевых соединений участки стали на площади контакта весьма тяжело обезопасисть.
При химическом способе металлизации уровень качества герметизации границы раздела между слоем фольги и стекло-эпоксидной платой невысоко. Кое-какие типы фольги отделяются от платы по окончании опробования на влажность из-за коррозии материалов, содержащих железо. Коррозию время от времени возможно замечать и под печатным монтажом, наряду с этим сила сцепления проводящих дорожек с материалом платы значительно уменьшается.
При применении никелевого покрытия нужно, дабы толщина фольги не была через чур большой. В другом случае под действием натяжения смогут появиться трещины с каждой стороны сварного соединения. Наряду с этим часть токоведущей дорожки, и вывод к само сварное соединение может приподняться над плитой, а монтажная площадка может потрескаться до сварки.
Фольга из высокочистого никеля. На данный момент для печатного монтажа применяют фольгированные с обеих сторон стекло-эпоксидные печатные платы толщиной 1,6 мм. Фольга из высокочистого никеля имеет толщину 0,076 мм.
Такое покрытие прекрасно сваривается, владеет хорошим сопротивлением к коррозии и прекрасно травится.
Сперва употреблялись разные типы никеля различной степени химической чистоты, и наряду с этим уровень качества травления сильно колебалось. Было обнаружено, что неудовлетворительные результаты связаны с наличием примесей в некоторых сортах никеля. Исходя из этого было дано предпочтение .никелю высокой чистоты, что вынудило изготовителей заготовок печатных плат улучшить чистоту фольги.
подложки сцепления и Сила фольги должна быть высокой, потому, что ширина проводников делается меньше, а выделение теплоты при сварке и давление пара размягчает и разрушает эпоксидную смолу под соединением. Исходя из этого применяют более идеальные клеи либо покрывают нижнюю часть никеля медью, дабы использовать уже испытанные способы фольгирования.
Простыми способами, созданными для травлё-йия меди, нельзя изготовить платы хорошего качества с никелевыми дорожками, поскольку наряду с этим происходит сильное подтравливание фоторезиста, и дорожки становятся такими неоднородными по ширине, что изменяется сила тока при сварке, и в схеме смогут кроме того наблюдаться маленькие замыкания между дорожками (рис. 1).
Рис. 1. Травление никелевой дорожки
Наилучшим травителем для никеля помогает хлорид железа, содержащий сухой кислотный ингибитор, понижающий выделение тепла при экзотермической реакции. Зта мера предосторожности очень значительна, потому, что выделение тепла увеличивает скорость травления. Узкие дорожки травятся стремительнее, чем более широкие. По существующим представлениям, широкие дорожки травятся медленнее по причине того, что теплота, выделяющаяся в ходе экзотермической реакции, рассеивается на громадных площадях.
Без добавления ингибитора в травитель более-узкие дорожки стравливаются до пирамидного поперечного сечения, и плата бракуется как перетравленная.
В большинстве случаев травитель реагирует с никелем в месте фольги и соединения резиста, подтравливая резист. В то время, когда хлопья резиста отстают от дорожки, то никель
возможно травить , пока вершина дорожки не станет острой. Адгезия фоторезиста улучшается при погружении чистого никеля на 10 с в травитель на базе хлорида железа. Это снабжает появление микроскопических неровностей на поверхности никеля.
Повышение содержания жёстких частиц в фоторезисте и сушка фоторезиста по окончании нанесения в течение 10 мин при температуре — 90 °С кроме этого повышает адгезию. Оба процесса оказывают помощь не допустить травление никеля под резистом в течение первой 60 секунд цикла травления, а после этого они тормозят процесс подтравливания резиста.
Замедление подтравливания ведет к тому, что дорожки травятся до поперечного сечения, имеющего выступы на протяжении верхних краев дорожки. Эти выступы возможно найти наощупь и под микроскопом, их возможно устранить при очистке платы. В травильной машине платы устанавливаются вертикально и вращаются.
Такое вращение, и колебание головок для подачи травителя ликвидируют тенденцию никеля травиться в основном в направлении стекания травителя.
Металлизация золотом.
Платы металлизируются золотом по нескольким обстоятельствам:
1. С практической точки зрения при применении маленького количества дискретных компонентов, изготовленных из различного материала и владеющих покрытиями и различными размерами, их эргономичнее припаивать вручную, чем разрабатывать новые режимы сварки. Золото владеет лучшей свойством к пайке, чем никель.
2. Металлизация золотом снабжает получение более однородной поверхности для сварки. Обнаженный никель пассивируется при простом окислении, в то время как золото не окисляется. Пассивация может поменять проводимость никеля, что повлияет на уровень качества сварки и ее рабочий режим.
Помимо этого, металлизация золотом содействует образованию хорошего слоя жёсткого припоя.
3. Золото есть кроме этого совершенным фоном для визуального контроля сварных соединений, потому, что оно по цвету быстро контрастирует с никелем. Узкое покрытие золотом наносится химически по окончании травления никеля. Никель нельзя покрывать гальванически перед травлением, поскольку под действием травителя появляется вторичный элемент, образованный золотом и никелем, что значительно разрушает проводящие дорожки.
Процесс химической металлизации нужно шепетильно осуществлять контроль, потому, что применение тёплой кислоты может наряду с другими обстоятельствами уменьшить силу сцепления фольги с подложкой.
В этом случае при разработке печатной платы нужно учитывать изменение теплоотвода, которое связано с различной плотностью монтажа в схеме, и компенсировать разность между электрическим сопротивлением никеля и меди. Проектировщикам макета печатной платы нужно совершить пробную сварку, дабы убедиться, что ими выбран фактически осуществимый режим сварки.
Переход с одной платы на другую и создание пересечений
Одна сторона платы соединяется с другой методом пропускания золоченого провода через отверстия в плате и приварки его финишей к контактным площадкам на каждой поверхности. Первоначально пересечения осуществлялись посредством двух сквозных отверстий, но их возможно произвести посредством перемычек. Применение металлизированных сквозных отверстий в плате ликвидирует необходимость проволочных перемычек, и сокращает время сварки и значительно снижает цена печатной платы.
В большинстве случаев, в блоках целесообразнее применять более толстые платы, потому, что вероятно повреждение их структуры. На более толстых платах кроме этого возможно удачно взять металлизированные сквозные отверстия.
Рис. 2. Правила макетирования монтажа:
а—в — размеры контактных площадок под сварку сквозных проводников к дорожкам печатной платы; г—е — размеры и размещение проводящих дорожек при разветвлении: ж— и — верная и неверная геометрия дорожек на обратной стороне платы и у контактных площадок; к—л — протяженность дорожек под проволочные перемычки.
Необходимость металлизации сквозных отверстий сама по себе затрудняет применение сквозных соединений. В большинстве случаев медь химически восстанавливается на стенках отверстия, и после этого толщину покрытия увеличивают электроосаждением меди. При применении никелевых проводящих дорожек нужно на начальный слой меди нарастить никель. Правила, по которым проводится металлизация, поясняются рис. 18.
Наряду с этим направляться иметь в виду, что межсоединения выводов интегральных схем постоянно производятся на внутреннем либо наружном крае проводников.
Процесс сварки
Последовательность операций при сварке контроль: и следующая сварка сквозных соединений; приклеивание интегральных компонентов и схем; контроль платы для обеспечения правильности установки компонентов; приваривание вывода к проводящим дорожкам.
Оператор осуществляет контроль режимов сварки установки в ходе сварки так, дабы избежать повторной сварки и появления брака выводов. Недостатки, в большинстве случаев, легко видны под микроскопом, но оператор обязан удостовериться до подачи сварочного импульса, что все электроды и выводы совмещены с проводящими дорожками.
Применение эластичных клеев разрешает пара корректировать положение корпусов компонентов. Чтобы переместить корпус, необходимо применять пинцет. При установке выводов в необходимое положение нужно избегать их изгиба, поскольку йзгиб может привести к потере герметичности в месте спая вывода с корпусом.
Не смотря на то, что сварочная установка трудится машинально, оператор обязан верно ею руководить. В случае если оператор через чур быстро включает установку, то у электродов появляется добавочный момент, что приведёт к усилию, превышающее необходимое давление. Появление этого избыточного давления при сварке проволочных соединений может привести к погружению проводящей дорожки в размягченную эпоксидную смолу.
Дорожка наряду с этим вспучивается и, в то время, когда смола опять затвердевает, дорожка оказывается связанной с платой лишь в месте самого сварного соединения.
Профилактика электродов. Выделение паров при плавлении эпоксидной смолы под сварным соединением может повредить сварочные электроды. Маленький обдув электродов воздухом либо протирка их спиртом разрешают реже проводить их очистку. Очистку финишей электродов реализовывают жёстким точильным камнем сечением 6,35 мм, что перемещается на столике под электродами. Кончики электродов опускают до касания ими камня, после этого под маленьким давлением камень протаскивают под электродом.
Эта операция снабжает параллельность нижней части электродов столу. Состояние финишей электродов осуществляют контроль посредством мелкого зубоврачебного зеркальца. Нужно следить, дабы на электродах не было выщербин либо зазубрин по краям.
При многократной очистке финиши электродов, само собой разумеется, изнашиваются и увеличиваются, что требует коррекции режима сварки для компенсации понижения плотности тока.
Визуальный контроль качества сварных соединений. При сварке визуальный контроль ответствен кроме того чтобы подтвердить, что управление процессом есть верным. На рис.
2 представлены критерии контроля, которыми обязан руководствоваться оператор сварочной установки. Помимо этого, выборочный осмотр обязан проводиться персоналом работы технического контроля.
Контроль качества сварных соединений осуществляется проверкой механической прочности соединения на прочности и изгиб на отслаивание. Тут употребляются разрушающие способы контроля, потому, что не-разрушающие способы не являются достаточными. Измерение электрических шумов не коррелируется с измерением механической прочности, потому, что сварные соединения, каковые были перегреты, нельзя различить по шумовым данным.
Способ измерения сопротивления сварных соединений может давать необъективную данные, потому, что контактное сопротивление датчиков способно замаскировать трансформации в самих сварных соединениях. Помимо этого, электрические опробования смогут повредить компоненты.
Прочность соединения определяют по упрочнению, нужному для отрыва проводника от платы, разрыва сварного соединения либо разрыва вывода. В случае если отрывается проводящая дорожка либо ломается вывод, то сварное соединение считается удовлетворительным, поскольку ослабление силы сцепления между проводящей платой и дорожкой в ходе сварки пренебрежимо мало.
При разработке плат нужно предусмотреть изготовление на них особых контрольных (тестовых) дорожек, предназначенных с целью проведения контроля приварки выводов к этим контрольным участкам на той же установке, на которой будет вестись сварка. Опробование прочности на растяжение снабжает постоянный контроль состояния материала платы, характеристик сварки и процессов производства.
Защита печатных плат. Довольно часто для защиты печатных плат используют эпоксидные смолы. Предпочтительнее, но, применять полиуретаны, поскольку наряду с этим делается вероятным ремонт плат, содержащих интегральные схемы. Полиуретаны не хуже эпоксидной смолы предотвращают загрязнение и коррозию плат. Удаление эпоксидного покрытия с платы рискованно, потому, что фактически единственным способом есть нагрев требуемого участка.
Через чур сильный .нагрев может уменьшить надежность близлежащих компонентов и уничтожить сцепление узких токоведущих дорожек с платой. Химические растворители нельзя использовать для локального удаления эпоксидной смолы, потому, что они действуют как на смолу со стеклянным наполнителем, так и на клеи, применяемые в плате.
Рис. 2. Критерии визуальной оиенкн сварных соединений:
Исходя из этого по окончании того как платы прошли электрические опробования, они погружаются в полиуретан. В случае если часть уретана нужно в будущем удалить, его разрезают маленьким ножом особой формы и отделяют от платы. Замену компонентов либо их удаление в большинстве случаев выполняют перед защитой платы.
Рекомендуемый способ замены компонентов, повторного проведения сварных замены и соединений поврежденных выводов представлен на рис. 19. Выводы возможно заменять пара раз.
При тщательном контроле эта процедура не нарушает структуры платы и не приводит к токоведущих дорожек.
Подготовка ИС в плоских корпусах к монтажу
Выводы плоских корпусов должны весьма совершенно верно размешаться на сварных площадках и не должны занимать лишнее пространство на платах. Это заставляет формовать и обрезать выводы, что возможно осуществлять не прикладывая громадных нагрузок к плоскому корпусу. нарушение герметизации и Увеличение нагрузки корпуса интегральной схемы ведет к утрата работоспособности.
В большинстве случаев обрезки выводов и операцию формовки выполняют особым приспособлением.
Рис. 3. Приспособление для формовки и обрезки выводов ИС в плоском корпусе
Фиксирование выводов предотвращает их деформацию, которая может нарушить герметичность при обрезке и изгибе выводов. Приспособление для формовки выводов должно иметь закругленные края, дабы не поцарапать выводы, а выводы сгибаются так, дабы направление изгиба составляло определенный угол с горизонталью и было немного выше ее чтобы учесть силу упругости. При обрезке уделяются избыточные финиши вывода.
Резак должен быть достаточно острым, потому, что заусенцы, покинутые под выводом, немного поднимут кончик вывода над сварочной площадкой, что приведет к недостатку соединения. Эта опасность устраняется, в случае если обрезать выводы снизу и так все заусенцы окажутся на верхней части вывода.
