Паяные соединения. Технология магнитных дисков. Коммутационные устройства

Паяные соединения. Технология магнитных дисков. Коммутационные устройства

1.Пайкой называется процесс соединения материалов в твердом состоянии путем введения в зазор легкоплавкого металла - припоя, взаимодействующего с основными материалами и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва. Из определения следует:

пайка происходит при температурах, существенно меньших температур плавления соединяемых материалов, что уменьшает их перегрев;

возможно соединение как металлических, так и неметаллических материалов;

в зоне контакта должен образовываться промежуточный слой, состоящий из припоя и продуктов его взаимодействия с паяемыми материалами.

Для образования качественного паяного соединения необходимо:

подготовить поверхности соединяемых деталей;

активировать материалы и припой;

удалить окисные пленки в зоне контакта;

обеспечить взаимодействие на межфазной границе раздела;

создать условия для кристаллизации жидкой металлической прослойки.

Подготовка поверхностей деталей к пайке включает механическую, химическую или электрохимическую очистки от окислов, загрязнений органического и минерального происхождения, а также нанесение покрытий, улучшающих условия пайки или повышающих прочность и коррозионную стойкость паяных соединений.

При монтаже электронной аппаратуры применяют как методы непосредственного соединения контактируемых материалов, осуществляемые под воздействием давления (накрутка, обжатие), тепла и давления (различные методы сварки), давления и физического воздействия (УЗ сварка), так и методы с использованием промежуточного материала виде припоя (пайка), токопроводного клея (склеивание) под действием давления, тепла и физических методов активации.

Паяные электрические соединения нашли самое широкое применение при монтаже ЭА вследствие следующих достоинств: низкого и стабильного электрического сопротивления, широкой номенклатуры соединяемых металлов, легкости автоматизации, контроля и ремонта. Процессы пайки легкоплавкими припоями широко используются при монтаже печатных и проводных плат, герметизации корпусов полупроводниковых приборов и гибридных ИМС, сборки керамических конденсаторов, поверхностно-монтируемых элементов. Недостатки паяных соединений связаны с высокой стоимостью используемых цветных металлов, необходимостью удаления остатков флюса, низкой термостойкостью, снижением прочности в результате термического старения.

Паяные соединения должны обладать высокой электропроводностью и постоянным переходным электросопротивлением в заданных условиях эксплуатации, конструкторской документации на конкретные сборки и блоки аппаратуры требование постоянства переходного сопротивления к паянным сопротивления должно выражаться в численных значениях, заданных разработчиком при проектировании изделия. При его изготовлении это значение переходного сопротивления будет одним из основных критериев объективной оценки качества паяных соединений.

Вторым по значимости является требование достаточной механической прочности, которая в зависимости от эксплутационных нагрузок должна устанавливаться расчетным путем по сопротивлению отрыву. Численные значения сопротивления отрыву не вносятся разработчиком в конструкторскую документацию на конкретные изделия и вызывают в производстве ЭА серьезные разногласия между заинтересованными инстанциями при оценке качества и надежности электромонтажных соединений.

В конструкции паяных соединений между поверхностями сопрягаемых монтажных элементов должны предусматриваться оптимальные зазоры, определяемые прежде всего составом выбранного припоя и особенностями процесса пайки. Оптимальный зазор при пайке в отверстия оловянно-свинцовыми припоями должен устанавливаться данным соотношением:

do=dв +(0,2...0,3),

где d0, dв - диаметры металлизированного отверстия и вывода ЭРЭ.

Фактически зазоры выполняются превышающими 0,4 мм; при этом не учитывается, что удельное электросопротивление оловянно-свинцовых припоев почти в 10 раз больше, чем у меди. С увеличением зазоров возрастает переходное сопротивление паяных соединений и расход дефицитных высокооловянных припоев, снижается механическая прочность, растет число усадочных раковин и увеличивайся затраты ручного труда на устранение дефектов. Эти факторы, а также законы смачивания и капиллярного заполнения зазоров припоями должны приниматься в расчет при оптимизации зазоров.

Электромонтажные соединения (рис. 1 а, б) должны проектироваться с обеспечением возможности визуального контроля паяного шва на всем его протяжении. Для печатного монтажа с металлизированными отверстиями (рис. 1 в) галтели шва каждого из паяных соединений располагаются с обеих сторон печатной платы, и требование свободного доступа для двустороннего их осмотра приобретает особо важное значение. Невыполнение этого требования на этапе проектирования соединения ведет к производству заведомо ненадежных в эксплуатации изделий, ибо не позволяет обнаружить дефектные паяные соединения и произвести их ремонт.

Паяные швы электромонтажных соединений должны быть без избытка припоя, преимущественно скелетную форму с вогнутыми и непрерывными галтелями припоя по всему периметру соединения (рис. 1 г).

Рис. 1. Формы паяных изделий

Скелетная форма в отличие от заливной позволяет видеть контуры паяных соединений и с большей достоверностью оценивать качество монтажных соединений при их визуальном контроле.

Соединения пустотелых заклепок, лепестков, стоек и подобных конструктивных деталей с контактными площадками или печатными проводниками, выполненных методом развальцовки или расклепки, должны быть пропаяны по всему периметру развальцовки или расклепки.

Поверхность галтелей припоя швов должны быть гладкой, глянцевой или светло-матовой без темных пятен, трещин, крупных пор, грубозернистости, без игольчатых и дендритных образований, наплывов, брызг и выступов припоя, уменьшающих минимально допустимое расстояние между соединениями контактными площадками и печатным проводниками.

Конструкция паяных электромонтажных соединений при любой компоновке вариантах установки отдельных ЭРЭ на печатные платы должны обладать высокой ремонтопригодностью. Паяные соединения в отличии от сварных наиболее полно удовлетворяют этому требованию и обеспечивают быструю и неоднократную взаимозаменяемость отдельных элементов ЭРЭ без повреждения их выводе и элементов печатного монтажа. Однако высокая ремонтопригодность паяных соединений может не реализоваться из-за просчетов, допускаемых при компоновке и выборе конструктивных вариантов установки ЭРЭ на печатные платы, или из-за стремления любой ценой обеспечить высокую плотность монтажа.

Процессы контроля при монтаже ЭА включают:

- проверку соединяемых материалов на паяемость,

- контроль технологических режимов,

- оценку качества соединений.

Паяемость характеризует способность паяемого материала вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовывать надежное паяное соединение. Паяемость, зависит от физико-химической природы металлов способа и режимов пайки, флюсующих сред, условий подготовки паяемых поверхностей.

Поскольку для образования спая необходимо и достаточно смачивания поверхности основного металла расплавом припоя, то это гарантирует паяемость с физической точки зрения, а с технологической - условие соблюдения режимов процесса пайки. Паяемость металлов оценивают несколькими методами:

1) замером площади растекания припоя и определением коэффициента растекания Кр:

где SP - площадь растекания; So - площадь дозы припоя (рис.2);

Рис.2. Схема растекания капли припоя

2) определением Кр по высоте капли растекшегося припоя:

где Но, Нр - высота капли припоя до и после растекания.

краевым углом смачивания ();

по высоте или времени подъема припоя в капиллярном зазоре;

по величине усилия, действующего на образец основного металла, погружаемого в припой.

Высота капли до растекания находится из условия несмачивания поверхности:

где р - плотность припоя; g - ускорение силы тяжести.

Для измерения высоты капли припоя после растекания разработан прибор, в основу которого положен принцип бесконтактного измерения с помощью индук-тивного преобразователя (рис.3).

Рис.3. Схема прибора для измерения высоты капли растекшегося припоя

Контроль качества предусматривает следующие виды оценки паяных соединений:

- по внешнему виду с использованием эталона паяного соединения с углом смачивания порядка 5-10°С при 100% контроле;

- прочности соединений на отрыв при выборочном контроле на образцах-свидетелях;

- переходного сопротивления контакта выборочно для различных проводников;

- надежности соединения путем определения интенсивности отказов в течение заданного срока испытаний.

Критериями оценки прочности паяных соединений являются: величина усилия отрыва, устойчивость соединений при воздействии знакопеременных нагрузок и вибропрочность.

Дефекты в паяных соединениях: поры, раковины, трещины могут быть обнаружены с помощью телевизионно- рентгеновского микроскопа МТР-3 либо ультразвуковым контролем.

Определенная часть дефектов, иногда до 60% от общего числа, может быть выявлена методом модуляции электрического сигнала. Метод основан на свойстве дефектов паяных соединений служить модуляторами сигнала.

Одним из перспективных методов объективного контроля паяных соединений является оценка температурного перепада соединений. Благодаря этому методу обнаруживаются зоны локальных перегревов, соответствующие дефектным паяным соединениям, которые имеют температуру на 1-50С выше номинальной.

Повышение качества контроля паяных соединений достигается путем применения лазерной системы контроля дефектов (рис.4).

Рис.4. Схема лазерного контроля паяных соединений

За счет этой системы удается контролировать около десяти паяных соединений в секунду, которые расположены на расстоянии 1,25 мм друг от друга.

2. Технология магнитных дисков (МД) является сложной: объединяет сотни операций, выполняемых на нескольких десятках единиц нестандартного технологического оборудования; многие параметры, режимы и условия ведения процессов изготовления МД являются производственными секретами фирм-изготовителей МД.

Наиболее часто основа жестких МД изготовляется из листового проката легких сплавов. Механические свойства используемых материалов существенно влияют на физико-механические и прочностные характеристики МД. Выбор материалов для изготовления основы МД весьма ограничен в связи с многообразием и противоречивостью предъявляемых к ним требований. После отказа от МД на основе чистого алюминия, стекла и керамики остановились на применении в качестве основы МД алюминиевых сплавов и листового проката сплавов других легких металлов, в частности магния.

Предпочтение в настоящее время отдается алюминиевым, а не магниевым сплавам, так как последние недостаточно однородны по химическому составу, имеют высокие значения коэффициента теплового расширения и нетехнологичны при обработке.

Основа жестких МД изготовляется из термообработанных листов алюминиевого сплава, подбираемого по ряду критериев и физических свойств. Лист должен быть изготовлен из сплава однородного мелкозернистого состава характеризуемого заданными значениями коэффициента теплового расширения, плотности, твердости, упругости и др.

После обработки на всех стадиях изготовления, которая могла повлечь за собой нарушение плоскостности основы диска, либо повлекла за собой генерацию в материале основы термомеханических напряжений, материал основы вновь неоднократно обрабатывается с целью доведения основы до состояния, удовлетворяющего жестким требованиям жестких МД сосредоточено лишь в нескольких зарубежных фирмах-гигантах: IBM (США), BASF (ФРГ), Pyral (Франция) и на ряде японских фирм.

Перед началом изготовления основы ее заготовку (листовой прокат алюминиевого сплава) проверяют на равнотолщинность, степень макро- и микродефектности, а также на удовлетворение требованиям по физико-механическим характеристикам.

Стадия изготовления основы жесткого диска включает: вырезание из листа алюминиевого сплава заготовок с размерами (наружным и внутренним диаметрами), находящимися в жестких «плюсовом» и «минусовом» допусках; механическую очистку поверхности заготовок; их химическую очистку; опрессовку при повышенной температуре с целью восстановления плоскостности и снятия механических напряжений, возникших в заготовке основы при ее вырезании из листа; химическую очистку; промывку; обточку до окончательных заданных размеров (величин наружного и внутреннего диаметров основы); шлифовку; полировку. Приведенный перечень основных технологических операций изготовления основы жесткого МД диска нуждается в пояснении. Во-первых, основа диска зеркально обрабатывается на станках, работающих без вибрации; обработанная поверхность должна отвечать 12-му классу шероховатости (параметр шероховатости ?0,025 мкм). Во-вторых, химическая очистка поверхности основы диска от загрязнений ничем не напоминает тривиальное обезжиривание, известное в практике лакокрасочных производств. В нашем случае она включает технологические операции: обработку основы горячим растворителем, последующую обработку растворителем холодным, обработку перенасыщенными парами растворителей.

Основные параметры процесса:

- температура воды в ванне около 350К;

- удельное электросопротивление воды более 1 МОм•см;

- время выдержки заготовки основы в теплой воде 1...30 с;

- скорость обдува основы горячим воздухом до 50 м/с при расходе 3...15 м/мин;

- температура воздуха около 380К.

На всех стадиях техпроцесса изготовления основы жестких МД осуществляется - пооперационный, как правило, количественный контроль режимов и условий выполнения операций и их результатов.

Совершенство технологического процесса приготовления ферролака, который и определяет технические показатели НМД, зависит от многих факторов: от свойств материалов, используемых в рецептурах ферролака; степени оптимальности этих рецептур; технического уровня используемого смесительного и размольного оборудования; режимов и условий ведения процесса приготовления ферролака и его нанесения на основу.

В состав ферролака для рабочего слоя жестких МД входят: смесь растворителей, ферропорошок, связующий высокополимер и функциональные добавки (прежде всего добавки, упрочняющие рабочий слой, улучшающие его электропроводность и полирующие рабочую поверхность). Материал запоминающей среды (ферропорошок) жесткого МД должен хорошо смачиваться растворителями; иметь хорошую сыпучесть, игольчатую форму микрочастиц при высокой степени их однородности по размерам, средние размеры 0,1...0,2 мкм.

Порядок выполнения технологических операций в процессе приготовления ферролака для жестких МД следующий: компоненты, входящие в рецептуру лака, смешивают между собой в строго определенных массовых соотношениях и определенной последовательности, затем тщательно перемешивают; ферропорошок г-Fe2O3 диспергируют в пленкообразующем, для чего рецептуру лака перегружают из смесителя в бисерную мельницу; приготовленные ферролак с помощью специальных разбавителей доводят до поливной вязкости и тщательно фильтруют до полного удаления агломератов частиц г-Fe2O3 и инородных примесей; затем ферролак подвергают тщательной дезаэрации и, наконец, подают на полив.

Страницы: 1, 2