Ультразвуковая пайка и лужение в электронике

Владимир Ланин

Возможности ультразвуковой активации

Переход на бессвинцовые припои и применение технологии «чистой» пайки по экологическим соображениям приводят к проблеме выбора активирующего воздействия при формировании контактных соединений в жидкой фазе. Поскольку остатки флюса после пайки сохраняют некоторый уровень коррозионной активности, их необходимо удалить, чтобы гарантировать адекватную надежность службы изделий [1]. Бесфлюсовая пайка в электронике приобретает актуальность по целому ряду причин:

• Увеличение температуры пайки для бессвинцовых припоев затрудняет удаление остатков содержащих смолу флюсов [2].
• Традиционные методы очистки хлорированными фторуглеродами и углеводородными растворителями ввиду их экологической опасности запрещены или строго ограничены.
• Применение водосмываемых флюсов требует водных процессов очистки, в результате поток сточных вод потенциально загрязняет ресурсы питьевой воды.

Альтернативной техникой пайки, заменяющей химическую активность флюса для удаления оксидов, является энергия в форме ультразвуковых (УЗ) волн. УЗ-энергия вызывает в жидком припое кавитацию, которая удаляет оксидный слой на поверхности основного металла. УЗ-активация успешно заменяет функцию удаления оксида флюсом, но не может защитить очищенную поверхность до пайки, а также изменить поверхностное натяжение расплавленного припоя, чтобы увеличить его растекание и капиллярное проникновение.

Флюсовая пайка микроплат в корпуса микросборок легкоплавкими припоями имеет существенные недостатки, обусловленные наличием остатков флюса. При пайке важно обеспечить сплошной контакт поверхности платы и металлического основания, так как пустоты и/или флюсовые включения ухудшают теплоотвод, снижают прочность соединений и являются причиной коррозии, которая может привести к отказу микросборки. Альтернативой является УЗ-пайка микроплат в корпуса модулей.

В производстве электронных и функциональных элементов, таких как монолитные конденсаторы и сборки, пьезоэлектрические преобразователи, вариконды, электреты, широко применяют металлизацию контактных поверхностей пастами серебра, палладия, платины или других металлов. УЗ-ме-таллизация более дешевыми припоями позволит экономить драгоценные металлы, повысить производительность процессов и качество контактных соединений в электронных компонентах.

Настольные УЗ-ванны применяют для горячего лужения деталей и выводов электронных компонентов, а УЗ-паяльники — для пайки и металлизации керамических и ферритовых материалов. Применение современных электронных источников УЗ-колебаний делает пайку надежным, экологически чистым процессом, исключающим применение флюсов.

Для процессов УЗ-пайки в электронике к настоящему времени исследованы бессвинцовые сплавы на основе олова: двойные Sn-Zn, Sn-Bi, тройные: Sn-Bi-In, Sn-Bi-Zn, Sn-In-Ag, Sn-Sb-Zn, Sn-Sb-Ag и четвертной сплав: Sn-Zn-In-Sb [3]. Все эти сплавы имеют температуру плавления в диапазоне 135…220 °С. Однако Ag, In и Bi, которые добавляют в состав сплава, дорого стоят, а Zn образует при пайке на воздухе большое количество шлака. При формировании соединений могут образовываться интерметаллиды, снижающие сопротивление усталости.

Физические основы ультразвуковой технологии

Введение упругих механических колебаний УЗ-частоты 18-70 кГц в расплавленный припой создает в нем кавитацию и ряд сопутствующих явлений: давление УЗ-волны, микро- и макропотоки. При интенсивности ультразвука (8-9)х10³ Вт/м² в жидкой среде появляются маленькие пузырьки — зародыши кавитации, которые пульсируют с частотой УЗ-колебаний, расширяются и затем захлопываются, создавая ударные волны, давление в которых может достигать значительных величин. Такие микроудары разрушают оксидные пленки и загрязнения на паяемой поверхности, которая затем хорошо смачивается припоем. Одновременно с кавитацией вблизи излучающей поверхности инструмента возникают микро- и макропотоки, которые способствуют удалению оксидных пленок и ускорению процесса смачивания поверхности металла припоем. Кавитация в жидкой среде ускоряет химические реакции и играет главную роль при УЗ-активации. При высокой интенсивности ультразвука в расплаве возникают и другие эффекты: переменное звуковое давление, «звуковой ветер», кумулятивные течения. Эти явления носят нелинейный характер, сопровождаются возникновением разрывов в сплошной жидкой среде, а степень их проявления в жидкой среде определяется акустическим числом Маха:

M = (2nfA)/c ≥ 1х10^-4, (1)

где f— частота, А — амплитуда колебаний, с — скорость звука.

Нелинейные эффекты возникают в расплавах, если амплитуда колебаний на частоте 22 кГц более 5 мкм.

Появление акустической кавитации связано с наличием в жидкой среде зародышей — микроскопических газовых пузырьков. Реальные жидкости и расплавы содержат твердые нерастворимые примеси. Зародыши кавитации могут образовываться на твердых, не смачиваемых жидкостью частицах, имеющих трещины, заполненные нерастворимым газом. Поскольку поверхность трещины несмачива-емая, то заходящая в трещину жидкость образовывает относительно газа выпуклый мениск с радиусом R₀. Условие равновесия на границе раздела «расплав — твердое тело» определяется выражением:

р = Ρ₀+2σ/Ρ₀, (2)

где Р_г — давление газа в пузырьке, Р₀ — внешнее давление.

Значения краевого угла смачивания для случая роста зародыша на дисперсных твердых частицах из неметаллических материалов радиусом 10^-6-10^-7 м составляют 100-175°. Твердая частица с дефектом в виде конической или сфе-роподобной впадины является центром образования зародышей кавитации. Поэтому введение в состав припоя цинка, кристаллы которого не растворяются полностью, а также других частиц должно существенно увеличивать количество зародышей кавитации в припое.

Амплитуда УЗ-давления, необходимая для расширения зародыша радиуса R₀ до резонансного радиуса R_p определяется из выражения [4]:

Откуда получаем выражение для резонанс ного радиуса:

Порог кавитации в основном определяется при заданном R₀ величиной поверхностного натяжения, тогда как резонансная частота f, зависит как от σ, так и от плотности расплава ρ:

Для расплавов интервал R_p составляет 4х 10^-6-6х10^-5 м, после чего начинается взрывоопасный рост пузырьков газа. Зародыши кавитации, попадающие в область отрицательного давления, теряют устойчивость, начинают расти на полупериоде растяжения и быстро захлопываются на полупериоде сжатия. Пузырьки с большими радиусами пульсируют в УЗ-поле и увеличиваются за счет диффузии газа.

Особенностью расплавов припоев, используемых для УЗ-пайки и металлизации, являются значительно большие плотность и вязкость по сравнению с водой (примерно на порядок), необходимость учета гидростатического давления столба расплава, а также различие в начальных размерах кавитационных полостей. Гидростатическое давление Р₀ с учетом давления столба расплава высотой h определяется как:

Динамика кавитационных полостей в расплавах припоев описывается уравнением, физический смысл которого состоит в том, что сумма действующих на элементарный объем расплава давлений (гидростатического, УЗ и газового внутри полости) равна нулю, то есть кавитационная полость находится в состоянии динамического равновесия в любой промежуток времени. С учетом вязкости расплава η уравнение имеет вид [5]:

Решение нелинейного дифференциального уравнения (7) методом Рунге-Кутта-Мерсона для расплава оловянно-цинкового припоя вязкостью 0,85 Па, с с варьированием начальными размерами кавитационных полостей от 1 до 50 мкм, давлением ультразвука от 0,5х 10⁵ до 2х10⁵ Па и частотой УЗ-колебаний 22, 44, 66 кГц показало [1, 4, 5], что кавитационные полости размером до 5 мкм пульсируют, не захлопываясь. С увеличением начального размера до 10-50 мкм увеличивается амплитуда пульсаций полостей и происходит их захлопывание в течение 0,05-0,10 с. При УЗ-давле-нии до 0,1 МПа кавитационные полости пульсируют, а с увеличением давления до 0,15 МПа растет резонансный размер полостей и происходит их захлопывание (рис. 1а). С ростом частоты с 22 до 66 кГц размеры кавитацион-ных полостей уменьшаются в среднем в 2 раза, что приводит к уменьшению интенсивности кавитации (рис. 1б).

Рис. 1. Динамика кавитационных полостей в зависимости: а) от давления, кПа: 1 — 200; 2 — 150; 3 — 100; б) частоты ультразвука, кГц: 1 — 66; 2 — 44; 3 — 22

Для повышения эффективности кавитации применяют газовое насыщение расплава, когда вводимые в расплав пузырьки газа по размерам не превышают резонансные размеры зародышей кавитации, то есть (10-50) х 10^-6 м. Увеличение размеров пузырьков ведет к их преждевременному захлопыванию, а очень малые размеры затрудняют их кавитационный рост в УЗ-поле.

При захлопывании пузырька сконцентрированная в ничтожно малом объеме кинетическая энергия трансформируется частично в силовой импульс и частично в тепловую энергию, а из центра захлопнувшегося пузырька распространится ударная сферическая волна, максимальное давление в которой, согласно Рэлею, на расстоянии, равном 1,587 радиуса от центра пузырька, составит:

При R = 1/10R₀ величина давления вблизи поверхности пузырька в 1575 раз превышает давление внутри полости. Радиальная скорость У и время t сокращения пузырька зависят от соотношения гидростатического давления и плотности среды:

Время, необходимое для смыкания газового пузырька диаметром 10^-4 м в оловянно-свин-цовом припое, — 30 мкс. Высокоскоростная видеосъемка цифровой камерой показала, что скорость захлопывания кавитационных полостей на частоте 22,8 кГц и при УЗ-давле-нии 132 кПа составляет около 0,2 м/с.

Помимо высоких локальных давлений, возникающих при захлопывании кавитационных полостей, возможно образование и локальных тепловых микрополей. При адиабатическом сжатии объема газа повышение температуры тем больше, чем больше значение показателя политропы γ для данного газа. Для ориентировочной оценки температуры внутри газового кавитационного пузырька в любой стадии его сжатия при адиабатических условиях используют уравнение:

T/T₀ = (Ρ₀/Ρ)^3(γ-1). (10)

Полагая, что γ = 4/3 и температура расплава 250.300 °C, и учитывая, что R может на порядок отличаться от R₀ в сторону уменьшения, получаем температуры порядка 2600.3000 °C. Другие авторы приводят расчетные данные порядка 1000 °C и выше [6]. Высокие температуры, возникающие в пульсирующих кави-тационных пузырьках, увеличивают химическую активность как припоя, так и материалов, ускоряют процессы химического взаимодействия между ними.

Пульсирование и захлопывание кавитаци-онных полостей вызывает появление в областях, прилегающих к излучателю, микро-и макропотоков, которые имеют различное направление в зависимости от формы поверхности излучателя, амплитуды его колебаний, наличия препятствий на пути распространения и других факторов. Наилучшие условия для ускорения процессов массо- и теплообмена, протекания химических реакций взаимодействия материалов и припоя создают сформированные макропотоки, имеющие ориентированное направление от излучателя к обрабатываемой поверхности и стационарные во времени.

Установки ультразвуковой пайки

Для УЗ-лужения и пайки деталей из алюминия и его сплавов, керамики, ферритов легкоплавкими припоями без флюса применяют установку УЗУ-9П, состоящую из генератора и УЗ-паяльника УЗП2-0,025 (рис. 2). Оксидная пленка разрушается непосредственно под расплавленным припоем, поэтому металл не успевает соединиться с кислородом воздуха и его поверхность смачивается припоем. С помощью УЗУ-9П выполняют лужение и пайку выводов к конденсаторам и резисторам, проводов термопар, сращивают алюминиевые кабели, паяют выводы заземления к корпусам из алюминиевых сплавов, соединяют крепежные лепестки и выводы со стеклом, керамикой, ферритами, полупроводниковыми материалами, наносят покрытия из припоев. Надежность УЗ-лужения проверена на целом ряде материалов, в том числе на керамике, ферритах, абразивах, угольных и графитовых изделиях, стекле, рубинах.

Рис. 2. Ультразвуковая установка УЗУ-9П

Для процессов бесфлюсовой пайки деталей и электронных компонентов легкоплавкими припоями используют УЗ-ванны (рис. 3) с возбуждением всей массы припоя и с локальным воздействием ультразвука. В первом случае можно активировать большую поверхность детали, а во втором — сконцентрировать УЗ-энергию в небольшом объеме и снизить окисление припоя в ванне.

Рис. 3. УЗ-ванна с возбуждением всей массы припоя: а) схема: 1 — паяемая деталь; 2 — ванна; 3 — нагреватель; 4 — излучатель; 5 — преобразователь; б) общий вид

В УЗ-ваннах с возбуждением всей массы расплава интенсивность кавитации максимальна на дне и нелинейно падает с увеличением расстояния до дна, что необходимо учитывать для компонентов и деталей малых размеров. При локальной УЗ-активации в рабочей зоне наблюдается относительно однородная интенсивность кавитации.

Для локального ввода колебаний в расплав припоя (рис. 4) применяют поршневые излучатели, удовлетворяющие отношению L_изл/D<1,5-1,8, где L_изл — длина излучающей поверхности, D — диаметр волновода, что обеспечивает режим излучения плоской волны. Излучатель представляет собой пластину, жестко связанную с торцом конического волновода. Толщина пластины удовлетворяет соотношению h/λ*0,1-0,15, где λ — длина УЗ-волны. Таким образом, волновод можно рассматривать как сосредоточенную массу [7]. Акустическая система состоит из преобразователя 1, волновода 2 и излучателя. Деталь 3 погружается на расстояние 3-5 мм от поверхности излучателя в припой 4.

Рис. 4. Схемы локального ввода ультразвука в расплав: а) одним излучателем; б) двумя излучателями: 1 — преобразователь; 2 — волновод; 3 — деталь; 4 — припой; 5 — нагреватель

При выборе УЗ-излучателя необходимо учитывать, что в ступенчатом концентраторе имеется значительная концентрация напряжений в месте стыка ступеней, приводящая к разогреву и поломке детали. Наименьшие напряжения характерны для экспоненциального концентратора, однако для получения высокого коэффициента усиления необходимо иметь значительное отношение площадей поперечного сечения основания и рабочего торца. Поэтому наиболее часто применяют конические концентраторы либо типа Фурье, которые имеют плавное изменение напряжений и сравнительно высокий коэффициент усиления.

Магнитострикционный преобразователь в герметичном кожухе крепится к акустическому трансформатору в узле колебаний и охлаждается проточной водой. С помощью держателя УЗ колебательная система перемещается вертикально по стойке, обеспечивая требуемую глубину погружения излучателя. Длина излучателя не должна превышать λ/8, что соответствует равномерному характеру распределения амплитуд колебаний. В том случае, если размеры достигают λ/4, характер распределения амплитуд колебаний вдоль излучателя имеет вид стоячей волны с узлами и пучностями колебаний, что ухудшит качество лужения.

Таким образом, при расположении излучателя на глубине h в ванне с расплавленным припоем создается локальная зона интенсивной кавитации, в которой происходит лужение деталей. Параметры процесса: частота УЗ-колебаний 42 ±1 кГц, выходное напряжение генератора 50-60 В, что соответствует амплитуде УЗ-вибраций 12-15 мкм, температура нагрева — 230 ±5 °С.

По принципу локального ввода ультразвука выполнена УЗ-установка ИЛ100-3/4 (рис. 5), предназначенная для лужения материалов, трудно поддающихся лужению известными способами: алюминия и его сплавов; титана и его сплавов; нержавеющих сталей различного состава, стекла и керамики и т. д. Установка комплектуется магнитострикционными преобразователями на основе никелевых, железо-кобальтовых, железоалюминиевых и других магнитострикционных сплавов.

Рис. 5. Установка УЗ-лужения ИЛ100-3/4

Исходя из потребностей производства применяют различные УЗ паяльные станции компании MBR Electronics: USS-9200, USS-9500 и USS-1904. Паяльные станции типа USS-9200 (рис. 6а) предназначены для небольших производств и исследовательских лабораторий.

Рис. 6. УЗ паяльные станции: а) USS-9200; б) USS-1904

В комплект станции входят цифровой блок управления на микропроцессоре, УЗ-паяль-ник, а также приспособления для разогрева и монтажа. Станции имеют небольшие габаритные размеры, автоматическую подстройку резонансной частоты и автоматическую систему поддержания температуры.

Для крупносерийного производства предназначена паяльная станция USS-1904 (рис. 6б), которая имеет габариты, позволяющие использовать ее в стойках автоматических линий. Компания Advanced Sonic Processing Systems (США) выпускает широкий набор УЗ паяльных ванн, предназначенных для лужения и пайки элементов различной конфигурации и размеров.

УЗ-энергия может быть введена в волну припоя для формирования припойных столбиков на кремниевых чипах, носителях чипов и печатных платах [8]. Для получения припойных столбиков плата закрывается фоторезистивной маской, которая служит также формой для припоя. Кремниевая пластина 1 погружается в волну припоя 2, создаваемую мотором 3, при температуре 220.240 °С (рис. 7). УЗ-колебания от преобразователя 4 вводятся в волну припоя, и одновременно в эту область подается защитный газ — азот — со скоростью до 5 л/мин для снижения окисления припоя.

Рис. 7. а) Схема формирования припойных столбиков; б) припойный столбик

Эффект подъема припоя по излучающей поверхности волновода использован при разработке устройства для автоматического УЗ-лужения стеклокерамических конденсаторов без их погружения в расплав припоя (рис. 8а), которое содержит две УЗ колебательные системы, состоящие из магнитострикционных преобразователей 1, акустических трансформаторов упругих колебаний 2, волноводов 3, рабочие концы которых Г-образной формы и погружены в ванну 4 с припоем 5. Колебательные системы установлены на основаниях, имеющих возможность точного горизонтального перемещения. Для расплавления припоя и поддержания необходимой температуры пайки использован нагреватель 6. Г-образные концы волноводов колеблются в полуволновом резонансе, что приводит к появлению двух пучностей и узла колебаний. Зона верхней пучности, расположенная выше уровня припоя в ванне, является рабочей, что и обеспечивает возможность автоматизации процесса лужения конденсаторов 7.

Рис. 8. а) Схема УЗ-лужения стеклокерамических конденсаторов; б) автомат УЗ-лужения

При возникновении силы смачивания в УЗ-поле расплав припоя поднимается на высоту H по колеблющейся поверхности волновода, определить которую можно исходя из условия равновесия капиллярного давления мениска припоя под действием УЗ-колебаний и давления столба припоя:

где σ₁₂ — поверхностное натяжение припоя; а — ширина зазора, ρ — плотность припоя; g — ускорение сил свободного падения.

Автоматическая установка УЗ-лужения электродов стеклокерамических конденсаторов из алюминиевой фольги (рис. 8б) подает заготовки в зону лужения с помощью ротора с зажимами со скоростью 5-100 мм/с [9]. Источниками УЗ-колебаний служат два генератора типа УЗГ5-0,4, в акустических системах применены магнитострикционные преобразователи с резонансной частотой 44 ±1 кГц, лужение осуществляется припоем ПЗ00К (Sn — 15%, Zn — 65%, Cd — 20%) при температуре припоя 430 . 470 °С, напряжении на выходе генератора 20-30 В и скорости 40-60 мм/с.

Прочностные характеристики соединений

Амплитуда УЗ-колебаний 3 ±0,5 мкм является пороговой для кавитационных процессов в расплаве, ниже которой отсутствует смачивание и адгезия припоя к поверхности материала и химическое взаимодействие между ними. При амплитуде более 15 мкм прочность снижается, поскольку возникающие динамические импульсы вызывают деградацию приповерхностных слоев расплава припоя и его интенсивное окисление. При продольных колебаниях значительная часть энергии передается в материал, вызывая его нагрев и разрушение, а при параллельных в большей степени распространяется в припое вдоль паяемой поверхности и расходуется на кавитационные явления. Дополнительно улучшается процесс смачивания материала припоем за счет эффекта натирания.

Прочность паяных соединений с алюминиевыми сплавами при параллельном направлении колебаний на 10-12 МПа выше, чем при продольном, вне зависимости от времени воздей-ствия (рис. 9). Высокая прочность соединений достигается при длительности воздействия колебаний 15-20 с. При меньшем времени вследствие неполного разрушения поверхностных пленок смачивание поверхности материала недостаточное. При большем времени происходит уменьшение прочности паяного соединения за счет эрозии основного материала и окисления припоя. Максимальная прочность паяных соединений соответствует амплитуде параллельных УЗ-колебаний: 10-12 мкм при времени 15 ±1 с.

Рис. 9. Зависимость прочности паяных соединений: а) от времени; б) от амплитуды и вида колебаний: 1 — параллельные; 2 — продольные; 3 — крутильные

При УЗ-пайке алюминия припоем 70Sn-30Pb в среде аргона в течение 4 с наибольшая прочность соединений (0,25 МПа) в зависимости от температуры пайки достигнута для образцов, химически очищенных перед пайкой в щелочном растворе [10]. Несколько меньшую прочность имели образцы с покрытиями припоем или оловом.

Механическая прочность паяных соединений зависит от состава припоя (таблица).

Таблица. Механическая прочность паяных соединений

Исследована зависимость прочности соединений с поверхностью ферритового материала от времени и температуры процесса (рис. 10). При малом времени УЗ-обработки (5-10 с) прочность соединений невысокая, так как не успевают протекать процессы физико-химического взаимодействия компонентов припоя с оксидами на поверхности феррита. Максимальная прочность для припоя ПОЦ 10 достигнута при длительности обработки 15-20 с. С увеличением времени обработки прочность снижается по причине развития усталостных процессов в самом феррите.

Рис. 10. Зависимость прочности соединений от температуры: 1 — ПОЦ 10; 2 — ПОС 61

Оптимален интервал температур 280.300 °С, когда прочность соединений составляет 5-6 МПа. Увеличение температуры свыше 300 °С приводит к снижению прочности вследствие окисления припоя.

Выводы

Бесфлюсовая ультразвуковая пайка является экологически чистым процессом и более экономична, поскольку такие операции, как флюсование и очистка, требующие затрат времени и материалов, исключаются. Бесфлюсовая пайка в ряде случаев является необходимым условием внутреннего монтажа и герметизации микроэлектронной аппаратуры. С помощью УЗ-металлизации и пайки соединяют трудно-паяемые материалы: никелевые, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, а также неметаллические материалы: керамику, стекло, ферриты. Это создает возможность экономии драгоценных металлов, наносимых на диэлектрические поверхности электронных компонентов в качестве металлизации.

При локальном вводе УЗ-колебаний в расплав появляется возможность сконцентрировать УЗ-энергию в небольшом объеме и снизить окисление припоя в ванне. УЗ-колебания, параллельные обрабатываемой поверхности, предпочтительны для повышения прочности паяных соединений, обеспечения высокой стабильности процессов и уменьшения механического воздействия на обрабатываемые изделия.

При выборе припоев для УЗ бесфлюсовой пайки и лужении различных материалов необходимо учитывать их паяемость, химическое сродство соединяемых материалов и возможность образования качественного соединения в соответствии с диаграммой состояний. Применение бетевинцовых припоев с добавками Zn, In, Ag увеличивает адгезионную активность расплава и снижает их окисление при УЗ-пайке. ММ

Литература

1. Wassink K. R. J. Soldering in Electronics. Ayr, Scotland. Electrochem, 2002.
2. Lead-Free Soldering in Electronics / Ed. by K. Suganuma. N. Y.: Marcel Dekker, 2004.
3. Ланин В. Л. Бесфлюсовая ультразвуковая пайка в электронике // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 4.
4. Кундас С. П., Ланин В. Л., Тявловский М. Д., Достанко А. П. Ультразвуковые процессы в производстве изделий электронной техники. Минск: Бестпринт, 2002.
5. Ланин В. Л. Моделирование процессов формирования соединений материалов в ультразвуковых полях // Доклады БГУИР. 2004. № 4.
6. Маргулис М. А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. М.: Химия, 1986.
7. Lanin V. L. Ultrasonic Soldering in Electronics // Ultrasonics Sonochemistry. 2001. № 8.
8. Inava M., Yamakawa K., Iwase N. Solder Bump Formation Using Electroless Plating and Ultrasonic Soldering // IEEE Trans. on Comp., Hybrids, and Manuf. Technology. 1990. № 1.
9. Трегубов С. В. , Тявловский М. Д. , Ланин В. Л. Устройство для ультразвукового лужения заготовок // Обмен производственно-техническим опытом. 1986. №. 7.
10. Faridi H. R. , Devletian J. H. , Le H. P. New Look at Flux-Free Ultrasonic Soldering // Welding Journal. 2000. № 9.