Ультразвукова паяння та лудіння в електроніці

Володимир Ланін

Інтерес до процесів безфлюсового ультразвукового паяння та лудіння деталей та висновків електронних компонентів викликаний переходом на безсвинцеві припої та екологічними проблемами паяння в електроніці. Для формування якісних сполук застосовують методи та пристрої локальної ультразвукової активації розплавів припоїв.

Можливості ультразвукової активації

Перехід на безсвинцеві припої та застосування технології «чистого» паяння з екологічних міркувань призводять до проблеми вибору активуючого впливу при формуванні контактних з'єднань у рідкій фазі. Оскільки залишки флюсу після паяння зберігають певний рівень корозійної активності, їх необхідно видалити, щоб забезпечити адекватну надійність служби виробів [1]. Безфлюсова паяння в електроніці набуває актуальності з цілого ряду причин:

Збільшення температури паяння для безсвинцевих припоїв ускладнює видалення залишків флюсів, що містять смолу [2].
Традиційні методи очищення хлорованими фторвуглецями та вуглеводневими розчинниками через їх екологічну небезпеку заборонені або суворо обмежені.
Застосування водозмивних флюсів вимагає водних процесів очищення, внаслідок чого потік стічних вод потенційно забруднює ресурси питної води.

Альтернативною технікою паяння, що замінює хімічну активність флюсу для видалення оксидів, є енергія у формі ультразвукових хвиль. УЗ-енергія викликає в рідкому припої кавітацію, яка видаляє оксидний шар на поверхні основного металу. УЗ-активація успішно замінює функцію видалення оксиду флюсом, але не може захистити очищену поверхню до паяння, а також змінити поверхневий натяг розплавленого припою, щоб збільшити його розтікання та капілярнепроникнення.

Флюсова паяння мікроплат у корпуси мікроскладання легкоплавкими припоями має суттєві недоліки, зумовлені наявністю залишків флюсу. При паянні важливо забезпечити суцільний контакт поверхні плати та металевої основи, оскільки порожнечі та/або флюсові включення погіршують тепловідведення, знижують міцність з'єднань і є причиною корозії, яка може призвести до відмови мікроскладання. Альтернативою є УЗ-пайка мікроплат у корпуси модулів.

У виробництві електронних та функціональних елементів, таких як монолітні конденсатори та складання, п'єзоелектричні перетворювачі, вариконди, електрети, широко застосовують металізацію контактних поверхонь пастами срібла, паладію, платини або інших металів. УЗ-ме-талізація дешевшими припоями дозволить економити дорогоцінні метали, підвищити продуктивність процесів та якість контактних з'єднань в електронних компонентах.

Настільні УЗ-ванни застосовують для гарячого лудіння деталей та висновків електронних компонентів, а УЗ-паяльники - для паяння та металізації керамічних та феритових матеріалів. Застосування сучасних електронних джерел УЗ-Коливань робить пайку надійним, екологічно чистим процесом, що виключає застосування флюсів.

Для процесів УЗ-паяння в електроніці до теперішнього часу досліджено безсвинцеві сплави на основі олова: подвійні Sn-Zn, Sn-Bi, потрійні: Sn-Bi-In, Sn-Bi-Zn, Sn-In-Ag, Sn-Sb- Zn, Sn-Sb-Ag та четвертний сплав: Sn-Zn-In-Sb [3]. Всі ці сплави мають температуру плавлення в діапазоні 135...220 °С. Однак Ag, In і Bi, які додають до складу сплаву, дорого коштують, а Zn утворює при паянні на повітрі велику кількість шлаку. При формуванні сполук можуть утворюватися інтерметаліди, що знижують опір втоми.

Фізичні основи ультразвукової технології

Введення пружних механічних коливань УЗ-частоти 18-70 кГц у розплавлений припій створює в ньому кавітацію та ряд супутніх явищ: тиск УЗ-хвилі, мікро- та макропотоки. При інтенсивності ультразвуку (8-9)х10 3 Вт/м 2 в рідкому середовищі з'являються маленькі бульбашки - зародки кавітації, які пульсують з частотою УЗ-Коливань, розширюються і потім захлопуються, створюючи ударні хвилі, тиск в яких може досягати значних величин. Такі мікроудари руйнують оксидні плівки і забруднення на поверхні, що паяється, яка потім добре змочується припоєм. Одночасно з кавітацією поблизу випромінюючої поверхні інструменту виникають мікро- та макропотоки, які сприяють видаленню оксидних плівок та прискоренню процесу змочування поверхні металу припоєм. Кавітація в рідкому середовищі прискорює хімічні реакції та відіграє головну роль при УЗ-активації. При високій інтенсивності ультразвуку в розплаві виникають інші ефекти: змінний звуковий тиск, «звуковий вітер», кумулятивні течії. Ці явища носять нелінійний характер, супроводжуються виникненням розривів у суцільному рідкому середовищі, а ступінь їх прояву в рідкому середовищі визначається акустичним числом Маха:

M = (2nfA)/c ≥ 1х10 -4 , (1)

де f - частота, А - амплітуда коливань, з - Швидкість звуку.

Нелінійні ефекти виникають у розплавах, якщо амплітуда коливань на частоті 22 кГц понад 5 мкм.

Поява акустичної кавітації пов'язана з наявністю в рідкому середовищі зародків мікроскопічних газових бульбашок. Реальні рідини та розплави містять тверді нерозчинні домішки. Зародки кавітації можуть утворюватися на твердих частинках, що не змочуються рідиною, мають тріщини, заповнені нерозчинним газом.Оскільки поверхня тріщини незмочувана, то рідина, що заходить в тріщину, утворює щодо газу опуклий меніск з радіусом R0. Умова рівноваги межі розділу «розплав - тверде тіло» визначається выражением:

де Рг - тиск газу в бульбашці, Р0 - зовнішній тиск.

Значення крайового кута змочування для випадку зростання зародка на твердих дисперсних частинках з неметалічних матеріалів радіусом 10 -6 -10 -7 м складають 100-175°. Тверда частка з дефектом у вигляді конічної або сфероподібної западини є центром утворення зародків кавітації. Тому введення до складу припою цинку, кристали якого повністю не розчиняються, а також інших частинок повинно істотно збільшувати кількість зародків кавітації в припої.

Амплітуда УЗ-тиску, необхідна для розширення зародка радіуса R0 до резонансного радіуса Rp визначається з виразу [4]:

Звідки отримуємо вираз для резонансного радіусу:

Поріг кавітації в основному визначається при заданому R0 величиною поверхневого натягу, тоді як резонансна частота f залежить як від σ, так і від щільності розплаву ρ:

Для розплавів інтервал Rp становить 4х10 -6 -6х10 -5 м, після чого починається вибухонебезпечне зростання бульбашок газу. Зародки кавітації, що потрапляють в область негативного тиску, втрачають стійкість, починають рости на напівперіод розтягування і швидко закриваються на напівперіод стиснення. Пухирці з великими радіусами пульсують в УЗ-полі і збільшуються за рахунок дифузії газу.

Особливістю розплавів припоїв, що використовуються для УЗ-паяння та металізації, є значно більші щільність і в'язкість у порівнянні з водою (приблизно на порядок), необхідність урахування гідростатичного тиску стовпа розплаву, а також відмінність впочаткових розмірах кавітаційних порожнин. Гідростатичний тиск Р0 з урахуванням тиску стовпа розплаву заввишки h визначається як:

Динаміка кавітаційних порожнин у розплавах припоїв описується рівнянням, фізичний сенс якого у тому, що сума діючих на елементарний обсяг розплаву тисків (гідростатичного, УЗ і газового всередині порожнини) дорівнює нулю, тобто кавітаційна порожнину перебуває у стані динамічного рівноваги у будь-який проміжок часу. З урахуванням в'язкості розплаву η рівняння має вигляд [5]:

Рішення нелінійного диференціального рівняння (7) методом Рунге-Кутта-Мерсона для розплаву олов'яно-цинкового припою в'язкістю 0,85 Па, з варіюванням початковими розмірами кавітаційних порожнин від 1 до 50 мкм, тиском ультразвуку від 0,5х 2 і частотою УЗ коливань 22, 44, 66 кГц показало [1, 4, 5], що кавітаційні порожнини розміром до 5 мкм пульсують, не захлопуючись. Зі збільшенням початкового розміру до 10-50 мкм збільшується амплітуда пульсацій порожнин і відбувається їхнє захлопування протягом 0,05-0,10 с. При УЗ-тиску до 0,1 МПа кавітаційні порожнини пульсують, а зі збільшенням тиску до 0,15 МПа зростає резонансний розмір порожнин і відбувається їхнє захлопування (рис. 1а). Зі зростанням частоти з 22 до 66 кГц розміри кавітаційних порожнин зменшуються в середньому в 2 рази, що призводить до зменшення інтенсивності кавітації (рис. 1б).

Мал. 1. Динаміка кавітаційних порожнин залежно: а) від тиску, кПа: 1 - 200; 2 - 150; 3 - 100; б) частоти ультразвуку, кГц: 1 - 66; 2 - 44; 3 - 22

Для підвищення ефективності кавітації застосовують газове насичення розплаву, коли бульбашки газу, що вводяться в розплав, за розмірами не перевищують резонансні розміри зародків кавітації, тобто (10-50) х10 -6 м. Збільшення розмірів бульбашок веде до їх передчасного захлопування, а дуже малі розміри ускладнюють їх зростання кавітації в УЗ-полі.

При захлопывании бульбашки сконцентрована в мізерно малому обсязі кінетична енергія трансформується частково в силовий імпульс і частково в теплову енергію, а з центру бульбашки, що захлопнувся, пошириться ударна сферична хвиля, максимальний тиск в якій, згідно Релею, на відстані, рівному 7, :

При R = 1/10R0 величина тиску поблизу поверхні бульбашки в 1575 разів перевищує тиск усередині порожнини. Радіальна швидкість і час t скорочення бульбашки залежать від співвідношення гідростатичного тиску і щільності середовища:

Крім високих локальних тисків, що виникають при захлопуванні кавітаційних порожнин, можливе утворення і локальних теплових мікрополів. При адіабатичному стиску обсягу газу підвищення температури тим більше, чим більше значення показника політропи для даного газу. Для орієнтовної оцінки температури всередині газового кавітаційного пухирця у будь-якій стадії його стиснення за адіабатичних умов використовують рівняння:

Пульсування і захлопування кавітаційних порожнин викликає появу в областях, прилеглих до випромінювача, мікро-і макропотоків, які мають різний напрямок залежно від форми поверхні випромінювача, амплітуди його коливань, наявності перешкод на шляху поширення та інших факторів. Найкращі умови для прискорення процесів масо-і теплообміну, протікання хімічних реакцій взаємодії матеріалів і припою створюють сформовані макропотоки, що мають орієнтований напрямок від випромінювача до поверхні, що обробляється, і стаціонарні в часі.

Установкиультразвукового паяння

Для УЗ-лудіння та паяння деталей з алюмінію та його сплавів, кераміки, феритів легкоплавкими припоями без флюсу застосовують установку УЗУ-9П, що складається з генератора та УЗ-паяльника УЗП2-0,025 (рис. 2). Оксидна плівка руйнується безпосередньо під розплавленим припоєм, тому метал не встигає з'єднатися з киснем повітря та його поверхня змочується припоєм. За допомогою УЗУ-9П виконують лудіння і паяння висновків до конденсаторів і резисторів, проводів термопар, зрощують алюмінієві кабелі, паяють висновки заземлення до корпусів з алюмінієвих сплавів, з'єднують кріпильні пелюстки та висновки зі склом, керамікою, феритами, напівпровідниками. . Надійність УЗ-лудіння перевірена на ряді матеріалів, у тому числі на кераміці, феритах, абразивах, вугільних і графітових виробах, склі, рубінах.

Мал. 2. Ультразвукова установка УЗП-9П

Для процесів безфлюсового паяння деталей та електронних компонентів легкоплавкими припоями використовують УЗ-ванни (рис. 3) із збудженням усієї маси припою та з локальним впливом ультразвуку. У першому випадку можна активувати велику поверхню деталі, а в другому - сконцентрувати УЗ-енергію у невеликому обсязі та знизити окислення припою у ванні.

Мал. 3. УЗ-ванна з збудженням всієї маси припою: а) схема: 1 - паяюча деталь; 2 - ванна; 3 - нагрівач; 4 - випромінювач; 5 - перетворювач; б) загальний вигляд

В УЗ-ваннах із збудженням всієї маси розплаву інтенсивність кавітації максимальна на дні і нелінійно падає зі збільшенням відстані до дна, що необхідно враховувати для компонентів та деталей малих розмірів. При локальній УЗ активації в робочій зоні спостерігається відносно однорідна інтенсивність кавітації.