Файл: Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.07.2024
Просмотров: 116
Скачиваний: 0
клатура материалов для изготовления деталей и узлов корпусов и самих приборов (табл. 1 и 2).
Кроме мощности, определяющими в выборе конструкции факторами являются также размеры кристалла, требования по влагостойкости, габариты конструкции, паразитные параметры конструкции и связанные с ними частотные ограничения, способ соединения со схемой, в том числе вид линии передач и способ включения прибора в высокочастотный тракт, повышенные тре бования к внутренним соединениям в приборе.
Все эти факторы необходимо учитывать при выборе конкрет ного конструктивного оформления прибора. Например, при мон таже маломощного прибора в металло-стеклянном корпусе (см. рис. 1) увеличение длины прибора составляет 60% по сравнению с цельностеклянной конструкцией.
Для включения в СВЧ линию на выбор конструкции корпу са существенно влияет величина паразитных параметров кон струкции, которые должны быть скомпенсированы в схеме.
Для интегральных схем существенным моментом является мощность, число рабочих выводов, отношение рабочей площади схемы ко всему габариту корпуса, а также метод соединения или крепления в аппаратуре.
Контрольные вопросы
1.Что дает знание конструкций приборов?
2.Какие функции выполняет корпус полупроводникового прибора?
3.Каким требованиям должны удовлетворять детали корпуса?
4.Дайте характеристику основным конструктивным вариантам корпусов и конструкций.
5.Назовите основные марки стекол, применяемых в технологии изготов ления корпусов.
6.Каковы определяющие факторы при выборе конструкции корпуса?
Глава I!
СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ПАЙКОЙ И СВАРКОЙ
§ 4. Пайка
Пайкой называется процесс соединения материалов в твер дом состоянии посредством расплавленного присадочного метал ла, называемого припоем. В процессе пайки происходит взаимное растворение и диффузия припоя и основного металла в тонком приповерхностном слое соединяемых металлов.
К преимуществам папки относятся отсутствие расплавления н сравнительно невысокий нагрев металла, что обеспечивает неиз менность его химического состава, сохранение структуры и меха нических свойств. В большинстве случаев соединения имеют хо роший внешний вид и не нуждаются в какой-либо последующей обработке; сохраняются точные размеры и форма изделий и по лучаются соединения, равнопрочные основному металлу без за метных внутренних напряжений.
В зависимости от температуры расплавления припоя пайку принято разделять на мягкую и твердую (до 450° С — мягкая, свыше 450° С — твердая).
Процесс образования паяного соединения состоит из следую щих стадий: 1) прогрев паяемого металла до температуры, близ кой к температуре расплавления припоя; 2) расплавление при поя; 3) растекание жидкого припоя по поверхности твердого ме талла и заполнение' паяемого шва; 4) растворение основного металла и шва в жидком припое и взаимная диффузия металлов;
5)охлаждение и кристаллизация припоя в паяном шве. Практически все перечисленные стадии процесса пайки пере
крываются, и окончание одной стадии трудно отделить от начала другой. Рассмотрим более детально каждую стадию процесса.
Если каким-либо образом нанести расплавленный припой на поверхность холодного материала, то этот припой моментально затвердеет и никакой его связи с металлом основы не произойдет. Поэтому зона пайки должна быть обязательно прогрета до тем пературы плавления припоя. Одновременно с прогревом паяемо го шва обычно и происходит расплавление припоя.
Расплавленный припой должен растечься по поверхности паяемого материала, а это возможно лишь при хорошей смачи ваемости поверхности твердого металла выбранной композицией припоя.
Капля жидкого металла, попадая на поверхность твердого тела, может растекаться слоем жидкости, принимать вид сплю щенной капли или оставаться каплей, сплющиваясь при сильном перегреве и стягиваясь по мере охлаждения.
Физическая сущность процесса смачивания состоит в том, что поверхность контакта твердого тела с ат«0ефер0Й--«*э»мещ«е¥еій-.
поверхностью контакта с жидкостью. При эігом сГедий< научѵч;!-)Г>т
б-r.jf
мости твердого тела освобождается поверхностная энергия А, которая определяется разностью в силах поверхностного натяже ния на границе раздела твердого тела с атмосферой стз,і и твер дого тела с жидкостью оз,2 (рис. 15):
-А = аз,і — °3,2-
Чем больше разность этих величин, тем лучше смачивает капля жидкости твердое тело.
На характер смачивания оказывают влияние:
состояние металлической поверхности (вид предварительной обработки, отсутствие пленок окиси, жировых загрязнении
и т. п.);
наличие химической связи между металлами и их взаимной
|
растворимости; |
|
наличие флюса и состав окружа |
|
ющей среды (водород, вакуум |
|
и т. п.). |
|
Для получения качественного па |
|
яного соединения необходимо, чтобы |
Рис. 15. Условия равновесия |
припой хорошо растекался по по |
верхности спаиваемых материалов. |
|
жидкой капли: |
В реальных условиях на процесс |
1 — атмосфера, 2 — капля, 3 — |
|
твердое тело |
растекания наряду со смачивае |
|
мостью оказывают влияние шерохо |
ватость и напряженное состояние поверхностен, жидкотекучесть припоя, скорость процессов физико-химического взаимодействия между припоем и металлом, поверхностное натяжение жидкого припоя, капиллярные силы, состав среды, в которой происходит пайка.
Под растекаемостыо понимают свойство жидких металлов или сплавов распространяться по поверхности других металлов или сплавов, находящихся в твердом состоянии, или в зазоре между ними. Жидкий припой может растекаться только при ус ловии (Тз,і>02,1 + 03,2, где сто,1 — сила поверхностного натяжения на границе раздела жидкости и атмосферы. Припой будет расте каться по поверхности тем лучше, чем меньше величина его по верхностного натяжения в расплавленном виде и чем больше снижение поверхностного натяжения паяемого металла, вызы
ваемое взаимодействием с припоем при |
его растекании. |
Если |
Нз,і = ст2,і + (тз,2, то растекание припоя |
прекращается, а |
при |
стз.і < СГ2.І + (Тз,2 припой собирается в каплю сферической формы и поверхность паяемого металла оголяется. Явление собирания припоя в каплю наблюдается очень часто, особенно при пайке металлов и сплавов, склонных к образованию различного рода пленок, плохо смачивающихся припоем.
Жидкотекучесть припоя определяется способностью жидких металлов и сплавов заполнять форму или протекать по наклон ным и вертикальным каналам и степенью перегрева их выше температуры плавления. Из двух припоев, обладающих всеми
18
прочими одинаковыми свойствами, лучше тот, который более текуч к моменту начала кристаллизации. Дело в том, что в про цессе пайки припой вступает в химическое взаимодействие с ос новным металлом и жидкотекучесть исходного припоя значи тельно отличается от той, которую ои будет иметь в конце пайки.
При пайке металлов качество паяного шва зависит от харак тера связи между припоем и основным металлом. Смачивание твердой металлической поверхности расплавленным припоем обусловлено энергетическим взаимодействием между атомами припоя и атомами паяемого материала, т. е. возникающими меж ду ними межатомными связями. Для образования качественного паяного соединения необходимо, чтобы эти связи сохранялись и после затвердевания припоя. При взаимодействии основного ме талла и припоя протекают следующие физико-химические про цессы:
растворение металла основы в расплавленном припое с обра зованием жидкого раствора, обычно распадающегося при после дующей кристаллизации;
диффузия составляющих припой элементов в металл основы с образованием твердого раствора;
химическая реакция между припоем и основным материалом с образованием на границе интерметаллических соединений;
возникновение металлических связей в результате сближения атомов металлического расплава с атомами кристаллической решетки поверхности твердого материала.
Все эти процессы происходят обычно одновременно.
Если процесс растворения металла основы в расплавленном припое идет достаточно легко и быстро, то при паянии припой насыщается постепенно растворяющимся в нем металлом. При этом температура начала кристаллизации припоя может значи тельно повыситься, и при температуре паяния может образовать ся твердая фаза, представляющая собой какое-либо химическое соединение между элементами, входящими в состав паяемого металла и припоя. При охлаждении припоя начинается кристал лизация наиболее тугоплавких соединений, образованных метал лом основы и припоем. Так как охлаждение паяного шва чаще всего происходит в направлении от основного металла, кристал лизующиеся первыми соединения обычно выпадают у границы между припоем и основой.
Как уже указывалось, существенное влияние на процесс пай ки оказывает состояние поверхности паяемых материалов. Для получения механически прочного соединения необходимо, чтобы место пайки было тщательно очищено от грязи, жиров, продук тов коррозии и окисных пленок: самое тщательное проведение процесса пайки не может гарантировать качественного соедине ния, если паяемые поверхности содержат следы грязи, красок, окалины и т. д., которые сильно мешают растеканию припоя и проникновению его в шов. Очистка деталей достигается различ ными способами: обезжириванием, травлением, полированием,
19
промывкой в воде и отжигом в восстановительной атмосфере или в вакууме. Выбор способа определяется характером загрязнений, свойствами материала и конфигурацией деталей.
Обезжиривание применяют для очистки деталей от остатков масла и других жировых загрязнений. Животные и растительные жиры, удаляют обычно химическим или электрохимическим спо собом в растворах щелочей и некоторых солей, минеральные масла — промывкой в органических растворителях.
Источником загрязнений паяного шва может быть и сам при пой, поэтому перед пайкой поверхность припоя должна быть тщательно очищена. Для этого припой обезжиривают и проти рают тканью, смоченной в спирте.
Эффективным средством обезжиривания и очистки является обработка поверхности с помощью ультразвука в специальных ваннах. Это единственный способ, если надо очистить деталь или узел от нерастворимых загрязнений, попавших в узкие щели и ка налы. Ультразвуковое обезжиривание не только дает самое вы сокое качество очистки, но и в десятки раз ускоряет и упрощает этот процесс. Ультразвуковую очистку очень широко используют при производстве полупроводниковых приборов. В этом случае полупроводниковые кристаллы в специальной таре помещают в ультразвуковую ванну, наполненную каким-либо растворителем.
На процесс очистки деталей в ультразвуковом поле наиболь шее влияние оказывают явления образования и захлопывания пузырьков жидкости под действием источника ультразвуковых, колебаний. При захлопывании пузырьков жидкость производит удары с давлением, достигающим несколько сотен атмосфер. Под влиянием этих ударов, загрязнения отрываются от поверхности очищаемых деталей.
Поверхность деталей, нагреваемых на воздухе, покрывается слоем окислов, не смачивающихся припоем. Обычно при пайке на воздухе применяют флюсы — смеси химических соединений, удаляющие окисную пленку и препятствующие окислению по верхности металлов. Зачастую в производстве полупроводнико вых приборов применение флюсов недопустимо, и их роль выпол няют различные газовые среды и вакуум. По характеру воздей ствия на металл газовые среды делятся на нейтральные и восста новительные. Возможность пайки в той или иной среде опреде ляется стойкостью окислов на их поверхности, а также активно стью самой газовой среды.
Основной средой для пайки, применяемой в электровакуум ном приборостроении, является водород. Наилучшей восстанови тельной способностью обладает сухой, очищенный от примесей водород.
Водород еще и потому является наиболее широко используе мым газом для пайки, что он во время пайки интенсивно погло щается металлом, вытесняя другие находящиеся в металле газы, и сравнительно легко удаляется сам при обезгаживании при боров.
20