Технологии в электронной промышленности №7'2007

Технология термозвуковой микросварки методом «шарик–клин–шарик» и контроль микросварных соединений

Максим Шмаков
Елена Теплякова
Валерий Паршин


В данной статье описывается усовершенствование технологии термозвуковой микросварки, связанное с увеличением надежности одной из заключительных операций монтажа кристаллов и последующих контрольных операций.

Термозвуковая микросварка (вместо введения)

В данном виде сварки применяется золотая проволока, а в качестве инструмента — капилляр. Соединение образуется в результате нагрева, компрессии и воздействия ультразвуковой энергии на соединяемые детали. Для формирования шарика на конце проволоки используется метод электрического разряда. Типовые параметры термозвуковой микросварки [1]:

  • нагрев рабочей области — от 100 до 150 °С;
  • усилие прижима — 20–200 г;
  • ультразвуковые колебания — 60 кГц с мощностью 1–2 Вт;
  • время сварки — 20–200 мс.

Недостатки и проблемные места данной технологии

В результате испытаний микромодуля питания имел место периодический отказ изделия, причиной которого являлся отрыв вывода микросхемы от контактной площадки (КП) печатной платы (паста 1140 на основе серебра) вследствие некачественного сварного соединения (рис. 1).

Один из отказов при испытаниях на ШСВ, вызванный отрывом вывода микросхемы от контактной площадки печатной платы

Причиной некачественного соединения является один из наиболее важных недостатков технологии термозвуковой микросварки методом «шарик–клин», вызванный тем, что в процессе второго соединения (перемычка — КП печатной платы) «участвует» меньше половины площади торца сварочного инструмента (рис. 2).

Профиль соединения, выполненного по технологии термозвуковой микросварки методом «шарик–клин»

Решение проблемы

В мероприятиях по устранению данного дефекта одним из пунктов было предложено разработать и внедрить усовершенствованную технологию разварки методом «шарик–клин–шарик». Дополнительно предложено:

  1. Увеличить угол внутреннего диаметра инструмента (с 90° на 120°) (рис. 3), что дает следующие положительные моменты:
    Изменение угла внутреннего диаметра сварочного инструмента с 90° на 120°
    • уменьшение вероятности пережатия проволоки;
    • больший отпечаток сварки (увеличивается в 1,5 раза).
  2. Изменить конструкцию установки микросварки, путем ввода подогрева инструмента. Это позволит понизить температуру подогрева столика при сварке и уменьшить окисление серебра [Ag2 + 2O2 ? (?Т °С)?2AgO2].

Отличительной особенностью метода «шарикклин–шарик» является «укрепление» 2-го соединения (перемычка — КП печатной платы) «шариком», что дает увеличение прочности соединения (рис. 4).

а) Сварное соединение, выполненное методом «шарик–клин–шарик»; б) увеличенное изображение 2-го соединения

Технологический процесс состоит из следующих операций:

  • 005 Подготовительная.
  • 010 Включение установки.
  • 015 Проверка параметров (при необходимости).
  • 020 Заправка золотой проволоки (при необходимости).
  • 025 Создание пробных перемычек.
  • Примечание. Создание пробных перемычек производится каждую смену перед разваркой «боевых» печатных плат на 2–3 образцах (технологических печатных плат) из данной партии.

  • 030 Контроль на свариваемость.
  • 035 Создание перемычек.
  • 040 Контроль (визуальный).

Необходимыми техническими требованиями для обеспечения качественной микросварки являются требования к условиям и срокам хранения печатных плат между операциями (табл. 1).

Таблица 1. Условия и сроки хранения печатных плат между операциями
Условия и сроки хранения печатных плат между операциями

Режимы работы генератора для 1-й и 2-й сварок приведены в таблице 2.

Таблица 2. Режимы работы генератора
Режимы работы генератора

Примечания

  • Если диаметр шарика менее 2 диаметров проволоки, то необходимо увеличить мощность или время основного сварочного импульса для 1-й сварки до получения оптимального отпечатка этой сварки.
  • Если диаметр шарика более 4 диаметров проволоки, то необходимо уменьшить мощность или время основного сварочного импульса для 1-й сварки до получения оптимального отпечатка этой сварки.
  • Если линейный размер сварного соединения менее 1/2 диаметра проволоки, то необходимо увеличить мощность и время основного сварного импульса для 2-й сварки до получения оптимального отпечатка этой сварки.
  • Если линейный размер сварного соединения больше 3 диаметров проволоки или происходит прожигание КП печатных платы, то необходимо уменьшить мощность и время основного сварного импульса для 2-й сварки до получения оптимального отпечатка этой сварки.

Контрольные операции при микросварке

Все способы контроля качества сварных соединений можно разбить на два основных вида [2]:

  • неразрушающий;
  • разрушающий.

В данной технологии используются оба вида контроля, а именно: контроль на свариваемость (операция 030) и визуальный (операция 040).

Контроль на свариваемость (ОСТ 11 073.013-83, метод 109-4)

При оптимизации процедуры сварки одним из исследуемых параметров является прочность проволоки на отрыв, которая измеряется в ходе проведения испытаний натяжением (приложение эталонного усилия в граммах путем натяжения проволоки с помощью крючка до ее разрыва или отрыва).

При тестировании проволочных соединений методом натяжения прочность на отрыв зависит от натяжного механизма, точки прикрепления крючка, разницы горизонтальных уровней свариваемых деталей и угла натяжения. Для получения абсолютных значений предела прочности на разрыв методика или средство тестирования должны быть нормированы. Когда проводятся испытания, важно определить место обрыва сварки: был ли это отрыв проволоки в месте сварки или ее разрыв (рис. 5).

Возможные места отрыва или обрыва проволоки

При выборе способа создания и отработки режимов сварки обычно добиваются такого положения, при котором разрушение соединения происходит в точках B или D. Если отрыв происходит в точках A, C, E, то необходимо проверить параметры сварки, металлизацию, настройки оборудования, конструкцию сварочного инструмента или испытательного приспособления.

Обычно при испытании сварки на отрыв усилие измеряется в граммах. Измеренное значение не всегда является реальным пределом прочности. Для того чтобы вычислить реальное разрывное усилие, рассчитаны определенные коэффициенты, на которые умножают измеренное значение усилия. Значение данных коэффициентов и их зависимость от угла натяжения приведены в таблице 3 [1].

Таблица 3. Коэффициенты для вычисления реального разрывного усилия
Коэффициенты для вычисления реального разрывного усилия

Визуальный контроль (ОСТ 11 073.013-83, метод 405-1.1)

Критерий отбраковки микросварных соединений приведен в таблице 4 [2].

Таблица 4. Критерий отбраковки микросварных соединений
Критерий отбраковки микросварных соединений

Технология термозвуковой микросварки. Вместо заключения

Сварное соединение проверено на прочность по ОСТ 11 073.013-83 (метод 109-4 — проверка на свариваемость) с помощью граммометра. Прочность сварного соединения на отрыв составила:

  • ~6 г (3 г по ОСТ 11 073.013-83) — для проволоки толщиной 30 мкм;
  • >30 г (5 г по ОСТ 11 073.013-83) — для проволоки толщиной 50 мкм, что соответствует вышеуказанному стандарту.

В обоих случаях происходил обрыв проволоки в точке B (в соответствии с рис. 5), при этом наблюдалось отсутствие всякого рода трещин и отслоений сварных соединений (рис. 6).

Результаты контроля на свариваемость

В стандарте MIL-STD-883 Metod 2011 (Bond Strength) приведены следующие параметры качества сварных соединений на разрыв (табл. 5, рис. 7).

Минимальные пределы сил тяги соединения
Таблица 5. Минимальная прочность соединения
Минимальная прочность соединения

Литература

  1. Кудряшов И. Технология микросварки проволочных выводов // Производство электроники. 2007. № 5.
  2. Шмаков М. В. Контроль качества сварных соединений при создании гибридных микросборок // Технологии приборостроения. 2006. № 4.
  3. ОСТ 107.460091.004-88. Технология сборки микросборок. Общие требования.
  4. ОСТ 11 073.013-83. Микросхемы интегральные. Методы испытаний.
  5. MIL-STD-883 Metod 2011 (Bond Strength).

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Кровля мягкая гибкая черепица видео
Выберите качественную мягкую кровлю и купите дешево в интернет-магазине
rabona.su
Ремонт токарного станка 16к20
Ремонт и обслуживание Ridgid, Fein, Norton, Clipper. Большой опыт. Гарантия
remstan.ru
Мксашп
Каталог продукции с техническими характеристиками. Провода, шнуры.
energo-etk.ru